混合工質(zhì)低溫氣體液化系統(tǒng)降溫規(guī)律動(dòng)態(tài)模擬研究

張鐠 郭開華 鄧文源 鄧勵(lì)強(qiáng)

(中山大學(xué)工學(xué)院 廣州 510006)

混合工質(zhì)低溫氣體液化系統(tǒng)降溫規(guī)律動(dòng)態(tài)模擬研究

張鐠 郭開華 鄧文源 鄧勵(lì)強(qiáng)

(中山大學(xué)工學(xué)院 廣州 510006)

混合工質(zhì)低溫氣體液化裝置降溫耗時(shí)長(zhǎng)，系統(tǒng)循環(huán)工質(zhì)組成對(duì)降溫速度的影響大，優(yōu)化工質(zhì)的充裝方法與步驟對(duì)系統(tǒng)的快速降溫與可靠運(yùn)行至關(guān)重要。基于氣液兩相容積節(jié)點(diǎn)原理建立了混合工質(zhì)低溫氣體液化系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬方法，并由實(shí)際混合工質(zhì)循環(huán)氣體液化系統(tǒng)降溫過程的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。重點(diǎn)開展了不同溫度區(qū)間的工質(zhì)充裝對(duì)系統(tǒng)降溫規(guī)律的影響研究，結(jié)果表明當(dāng)充裝工質(zhì)的相變溫區(qū)接近系統(tǒng)最低溫度時(shí)，系統(tǒng)降溫速度最快；基于文中實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)甲烷及氮?dú)獬溲b溫區(qū)的工質(zhì)充裝量的優(yōu)化研究結(jié)果表明，甲烷的工質(zhì)充裝量在12%～16%系統(tǒng)總工質(zhì)摩爾量、氮?dú)獾墓べ|(zhì)充裝量在9%～12%系統(tǒng)總工質(zhì)摩爾量時(shí)，更利于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的快速降溫和安全運(yùn)行。

混合工質(zhì)；低溫系統(tǒng)；降溫特性；工質(zhì)充裝規(guī)律；動(dòng)態(tài)模擬

混合工質(zhì)低溫循環(huán)系統(tǒng)憑借其設(shè)備省、效率高等優(yōu)勢(shì)，已在天然氣液化、小型低溫制冷設(shè)備中得到了廣泛應(yīng)用[1－3]。在混合工質(zhì)循環(huán)氣體液化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試和運(yùn)行中，如何可靠高效地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)降溫，是生產(chǎn)實(shí)際中的重要課題。國(guó)內(nèi)外關(guān)于混合工質(zhì)低溫系統(tǒng)降溫過程動(dòng)態(tài)特性研究的文獻(xiàn)報(bào)道相對(duì)較少: 2006年，Maytal BZ等[4]進(jìn)行了以混合工質(zhì)替代N2或Ar的低溫系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)研究，表明在降溫速度等多個(gè)性能方面混合工質(zhì)具有優(yōu)勢(shì)；2008年，Walimbe NS 等[5]實(shí)驗(yàn)報(bào)道在不同混合工質(zhì)充裝下的系統(tǒng)降溫速度；2010年，Lee J等[6]的低溫?zé)峁芟到y(tǒng)實(shí)驗(yàn)表明，采用混合工質(zhì)可使得熱管系統(tǒng)降溫比采用N2耗時(shí)縮短17.8%；2013年，Lewis R等[7]的研究表明，與混合工質(zhì)相比使用單純工質(zhì)可使得系統(tǒng)在特定溫區(qū)降溫速度較快。已有的研究報(bào)道未能明確解釋和量化描述混合工質(zhì)低溫系統(tǒng)的降溫規(guī)律，系統(tǒng)降溫與工質(zhì)充裝過程的關(guān)系也未引起足夠的重視[8－10]。實(shí)際上，在混合工質(zhì)低溫系統(tǒng)降溫過程中，合理利用混合工質(zhì)各組成在不同的溫區(qū)制冷效能，優(yōu)化工質(zhì)充裝步驟與過程，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速降溫的關(guān)鍵[11－12]。

采用動(dòng)態(tài)系統(tǒng)分析方法可更加準(zhǔn)確精細(xì)地揭示系統(tǒng)的運(yùn)行降溫特性，本文基于氣液兩相容積節(jié)點(diǎn)原理，建立混合工質(zhì)低溫循環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模擬方法，對(duì)系統(tǒng)中主要設(shè)備進(jìn)行動(dòng)態(tài)建模，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了模型驗(yàn)證。重點(diǎn)對(duì)不同溫區(qū)的充裝工質(zhì)及工質(zhì)充裝量進(jìn)行了模擬優(yōu)化研究，給出系統(tǒng)快速降溫及安全運(yùn)行需遵循的工質(zhì)充裝原則，以及不同溫區(qū)工質(zhì)充裝量的充裝建議。

1 動(dòng)態(tài)模型及驗(yàn)證

1·1 實(shí)驗(yàn)及動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)

混合工質(zhì)低溫循環(huán)氣體液化系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)流程如圖1所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試儀器詳情如同文獻(xiàn)[11]。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)流程簡(jiǎn)圖Fig·1 Process sketch of MR cryogeniCsystem

動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎到y(tǒng)如圖2。在建立的動(dòng)態(tài)模擬系統(tǒng)中，所有容積節(jié)點(diǎn)均考慮了多元混合物的氣液兩相狀態(tài)。壓縮機(jī)模型為雙節(jié)點(diǎn)(吸氣節(jié)點(diǎn)1-a、排氣節(jié)點(diǎn)1-c)；帶換熱器的氣液分離器模型包括氣液分離器容積節(jié)點(diǎn)(5-a)和換熱器(5-c)節(jié)點(diǎn)；多股流換熱器模型的高、低壓工質(zhì)通道及氣體液化通道分別包括通道節(jié)點(diǎn)及出口節(jié)點(diǎn)。

圖2 系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)-網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig·2 Node-net topology of MR cryogeniCsystem

1·2 模型原理

1)氣液兩相容積節(jié)點(diǎn)模型

各容積節(jié)點(diǎn)的工質(zhì)囤量(m)、壓力(p)、工質(zhì)組成(zi，)、溫度(T)的變化，可分別由質(zhì)量守恒方程、物料守恒方程和能量方程給出，基本方程如下:

對(duì)于N元混合工質(zhì)(本文采用六元工質(zhì))，式(1)中組分zi的方程共包括N-1個(gè)獨(dú)立方程。式(1)中:V為節(jié)點(diǎn)容積，m3；h為流入流出節(jié)點(diǎn)工質(zhì)焓，kJ/kg；u為節(jié)點(diǎn)工質(zhì)內(nèi)能，kJ/kg；c為節(jié)點(diǎn)熱容，kJ/℃；CV為節(jié)點(diǎn)工質(zhì)的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；下標(biāo)in，out分別表示流入、流出節(jié)點(diǎn)。

兩相節(jié)點(diǎn)模型涉及到的輔助求解方程包括壓力流量方程、傳熱方程和多元混合物相平衡及狀態(tài)方程。

壓力流量方程和傳熱方程為:

壓縮因子Zm的單相或氣液兩相形式表示為:

式中:Ki為相平衡常數(shù)，其相平衡方程為:

物性參數(shù)密度、焓、內(nèi)能等均可通過相應(yīng)的狀態(tài)方程和理想氣體比熱方程求得[13]。

2)壓縮機(jī)模型

壓縮機(jī)采用雙節(jié)點(diǎn)模型，其節(jié)點(diǎn)-網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示。雙節(jié)點(diǎn)模型由吸氣腔節(jié)點(diǎn)1、增壓器件以及排氣腔節(jié)點(diǎn)2共同構(gòu)成。

壓縮機(jī)排量方程為:

圖3 雙節(jié)點(diǎn)壓縮機(jī)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig·3 Node-net topology of two nodes compressor model壓縮機(jī)電功率為:

式中:ηs為壓縮機(jī)效率。

3)多股流換熱器模型

多股流換熱器節(jié)點(diǎn)包括通道節(jié)點(diǎn)及出口節(jié)點(diǎn)，其節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎到y(tǒng)如圖4。各節(jié)點(diǎn)求解方程如方程組(1)，傳熱計(jì)算中取換熱器進(jìn)出口節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)平均溫差為換熱溫差，多股流換熱器的高、低壓側(cè)間的傳熱熱阻Ra，b根據(jù)實(shí)驗(yàn)回歸計(jì)算擬合，由式(12)和式(13)確定。

圖4 三股流換熱器節(jié)點(diǎn)-網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig·4 Node-network topology of MSHE model

式中:U為平均換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A為換熱面積，m2；U0為在流量0(0.04 kg/s)時(shí)實(shí)驗(yàn)回歸計(jì)算所得的平均換熱系數(shù)，W/(m2·℃)。

4)節(jié)流閥模型

將節(jié)流閥模型考慮為節(jié)流器件和一個(gè)無(wú)容積熱容、有漏熱的節(jié)點(diǎn)模型，如圖5所示。

節(jié)流過程的流量方程和能量方程如式(14)和式(15):

式中:k為閥門全開時(shí)流量系數(shù)；Cv%為閥門開度系數(shù)；he、hi分別為節(jié)流閥進(jìn)出口節(jié)點(diǎn)焓值，kJ/kg；Qleak為節(jié)點(diǎn)漏熱量，kJ。

圖5 節(jié)流閥模型拓?fù)銯ig·5 Node-network topology of J-T valvemodel

1·3 降溫特性的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用的混合工質(zhì)壓縮機(jī)為全封閉渦旋式壓縮機(jī)，型號(hào)為Copeland ZB11MC，其額定功率為11.25 kW，排氣容積為42.1 m3/h；低溫多股流換熱器高壓側(cè)與低壓側(cè)通道換熱面積為38 m2，低壓側(cè)與氣體液化通道換熱面積7 m2。核算得到的壓縮機(jī)吸排氣腔熱容為12 kJ/℃和36 kJ/℃；低溫多股流換熱器低、高壓混合工質(zhì)及液化空氣三股流體通道熱容分別為105.3 kJ/℃、84.25 kJ/℃和10450 J/℃，其與外界環(huán)境間的漏熱阻為0.17℃/W[11]。

進(jìn)行了多次系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，某次實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)狀態(tài)為1.25 MPa，20℃，系統(tǒng)制冷工質(zhì)初始充裝情況見表1。降溫過程的動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比見圖6、圖7。

表1 系統(tǒng)啟動(dòng)前工質(zhì)質(zhì)量及組成Tab·1 mass and composition in systembefore start-up

由圖6可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)?zāi)茌^好吻合，過程中的關(guān)鍵操作(如圖中(1)～(9)所示)下的動(dòng)態(tài)特性能得到較好反映，部分關(guān)鍵操作((4)、(5)和(9))下系統(tǒng)降溫細(xì)節(jié)如圖7所示，整個(gè)降溫過程中的模擬值與實(shí)驗(yàn)值的最大偏差小于10℃，平均偏差小于3℃，仿真計(jì)算結(jié)果的正確性得到了驗(yàn)證。

實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)較快降溫的主要原因是溫區(qū)工質(zhì)的合理添加，對(duì)文獻(xiàn)[11]所述測(cè)試實(shí)驗(yàn)中甲烷及氮?dú)庵评錅貐^(qū)的工質(zhì)添加過程的動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果示于圖8和圖9。模擬計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值變化曲線趨勢(shì)一致，甲烷添加過程中模擬值與實(shí)驗(yàn)值的最大偏差小于2℃，氮?dú)馓砑舆^程中最大偏差不大于3℃，整體平均偏差均小于1℃。工質(zhì)添加降溫過程的模擬計(jì)算結(jié)果得到較好驗(yàn)證。

圖6 系統(tǒng)降溫過程實(shí)驗(yàn)值及模擬值Fig·6 Experimental and simulation data of system’s temperature decreasing process

圖7 關(guān)鍵操作下系統(tǒng)降溫細(xì)節(jié)圖Fig·7 Temperature decreasing details under key operations

圖8 添加CH4對(duì)系統(tǒng)降溫影響的實(shí)驗(yàn)及模擬值Fig·8 The temperature decreasing comparison between experimental and simu lated data after CH4charge-in

圖9 添加N2對(duì)系統(tǒng)降溫影響的模擬及實(shí)驗(yàn)值Fig·9 The temperature decreasing comparison between experimental and simulated data after N2charge-in

2 充裝工質(zhì)選取及充裝量?jī)?yōu)化研究

基于驗(yàn)證后的模型，對(duì)系統(tǒng)降溫過程的工質(zhì)質(zhì)充裝選取及不同溫區(qū)的工質(zhì)充裝量進(jìn)行了研究。下文中所涉及的工質(zhì)充裝量定義為:充裝工質(zhì)摩爾量與系統(tǒng)中工質(zhì)總摩爾量的百分比。

2·1 不同工質(zhì)充裝的系統(tǒng)降溫特性模擬研究

圖10示出在節(jié)流閥前后溫度為 －115.32℃、－125.20℃，系統(tǒng)高、低壓壓力為1.213 MPa、0.327 MPa，工質(zhì)中 C1、C2、C3、N2、C4、C5的摩爾組分為16.4%、19.1%、43.3%、15.2%、3.8%、2.2%，工質(zhì)總量約167.1 mol時(shí)，向系統(tǒng)中分別添加10%的甲烷(C1)、氮?dú)?N2)或乙烷(C2)后的系統(tǒng)降溫特性。由圖可以看出，C1工質(zhì)的添加對(duì)系統(tǒng)降溫最為有利，系統(tǒng)節(jié)流閥前后溫度在0.5 h內(nèi)分別降低了4.2℃和5.1℃；添加N2工質(zhì)的效果次于C1工質(zhì)，0.5 h內(nèi)系統(tǒng)最低溫度分別降低了1.2℃和2.0℃；添加C2工質(zhì)對(duì)系統(tǒng)的降溫幾乎無(wú)任何促進(jìn)效果。究其緣由，C1工質(zhì)的相變溫區(qū)恰好位于－120℃溫區(qū)，該工質(zhì)的添加加劇了混合工質(zhì)在該溫區(qū)的相變吸熱，從而加速了系統(tǒng)降溫；N2工質(zhì)在該溫區(qū)也具有一定的節(jié)流制冷效應(yīng)，但不發(fā)生相變，對(duì)系統(tǒng)降溫促進(jìn)作用不明顯；而C2工質(zhì)在該溫區(qū)不具任何制冷效用。

圖10 不同工質(zhì)添加對(duì)系統(tǒng)降溫的影響Fig·10 The system’s temperature decreasing vary with different refrigerant charge-in

在－140℃以下溫區(qū)的降溫規(guī)律相似，這時(shí)混合工質(zhì)中C1工質(zhì)逐漸喪失其制冷效應(yīng)，系統(tǒng)的進(jìn)一步降溫需依靠相變溫區(qū)更低的N2工質(zhì)的補(bǔ)充充裝來實(shí)現(xiàn)。因此針對(duì)不同溫區(qū)，應(yīng)選擇相變溫度在相應(yīng)溫區(qū)的制冷工質(zhì)進(jìn)行補(bǔ)充充裝，以有效加快系統(tǒng)降溫的速度。

2·2 甲烷制冷溫區(qū)工質(zhì)充裝量參數(shù)研究

在－120℃溫區(qū)，補(bǔ)充加入甲烷工質(zhì)有利于系統(tǒng)的快速降溫。為優(yōu)化甲烷充裝量，進(jìn)行了甲烷添加量對(duì)系統(tǒng)降溫特性的影響研究。

圖11和圖12示出不同C1添加量對(duì)系統(tǒng)降溫特性和壓縮機(jī)功率的影響。隨甲烷工質(zhì)充裝量從0%增大到20%，系統(tǒng)降溫速度加快，同時(shí)系統(tǒng)壓縮機(jī)功率不斷增大，當(dāng)C1添加量達(dá)16%和20%時(shí)，壓縮機(jī)最大功率分別達(dá)10.73 kW和11.32 kW，接近或超過了壓縮機(jī)額定功率11.25 kW。因此在甲烷工質(zhì)充裝溫區(qū)，甲烷工質(zhì)的單次充裝量保持在12%～16%時(shí)，可保證系統(tǒng)在正常工作的情況下實(shí)現(xiàn)較快降溫。

2·3 氮?dú)庵评錅貐^(qū)工質(zhì)充裝量參數(shù)研究

在－140℃以下溫區(qū)，在系統(tǒng)中C1、C2、C3、N2、C4、C5摩爾組分為34.1%、15.9%、32.7%、12.2%、3.1%、2%，系統(tǒng)工質(zhì)量約204.2 mol時(shí)，進(jìn)一步補(bǔ)充氮?dú)饪杉涌煜到y(tǒng)降溫。

圖11 甲烷充裝量對(duì)系統(tǒng)降溫特性的影響Fig·11 The system’s temperature decreasing vary with themount of CH4charge-in

圖12 甲烷充裝量對(duì)壓縮機(jī)功率變化的影響Fig·12 The compressor work change vary with themount of CH4charge-in

圖13和圖14給出不同N2添加量對(duì)系統(tǒng)降溫特性和壓縮機(jī)功率的影響。隨氮?dú)獬溲b量從0%增大到15%，系統(tǒng)降溫速度加快，同時(shí)壓縮機(jī)功率不斷增大，當(dāng)N2工質(zhì)添加量為12%、15%時(shí)，模擬計(jì)算得到的壓縮機(jī)功率分別達(dá)10.62 kW、11.38 kW，此時(shí)可能造成壓縮機(jī)工作超負(fù)荷而異常停機(jī)，不利于系統(tǒng)安全運(yùn)行。因此在N2制冷溫區(qū)，應(yīng)保持N2工質(zhì)單次充裝量在9%～12%，以確保系統(tǒng)快速降溫及安全運(yùn)行。

3 結(jié)論

基于氣液兩相容積節(jié)點(diǎn)模型，建立了可操作交互式混合工質(zhì)循環(huán)氣體液化系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性模擬計(jì)算平臺(tái)，平臺(tái)計(jì)算結(jié)果得到了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)降溫?cái)?shù)據(jù)的驗(yàn)證。對(duì)系統(tǒng)降溫過程中的工質(zhì)充裝選擇及工質(zhì)充裝量進(jìn)行了參量研究，表明合理充裝工質(zhì)可有效的加快系統(tǒng)降溫，同時(shí)保證系統(tǒng)的安全運(yùn)行。具體而言，在－120℃左右溫區(qū)時(shí)選擇補(bǔ)充適量C1，在－140℃以下溫區(qū)選擇補(bǔ)充適量 N2，可有效加快系統(tǒng)降溫的速度。

建立的氣液兩相容積節(jié)點(diǎn)模型和動(dòng)態(tài)模擬方法可以較準(zhǔn)確的分析混合工質(zhì)低溫循環(huán)氣體液化系統(tǒng)的降溫規(guī)律。建立的模擬計(jì)算平臺(tái)具有可操作性，可為實(shí)際工程裝置降溫過程的調(diào)試優(yōu)化提供科學(xué)可靠的預(yù)測(cè)手段和操作建議。

圖13 氮?dú)獬溲b量對(duì)系統(tǒng)降溫特性的影響Fig·13 The system’s temperature decreasing vary with themount of N2charge-in

圖14 氮?dú)獬溲b量對(duì)壓縮機(jī)功率變化的影響Fig·14 The compressor work change vary with themount of N2charge-in

本文受中山大學(xué)-BP液化天然氣中心項(xiàng)目(99103-9390001)和廣東省教育廳液化天然氣與低溫技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目(39000-3211101)資助。(The projectwas supported by SYSU-BPCenter for LNG Education，Training and Research(No. 99103-9390001)and Key Laboratory of LNG CryogeniCTechnology Department of Education of Guangdong Province(No.39000-3211101).)

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About the author

Zhang Pu，male，Ph.D.，candidate，School of Engineering，Sun Yat-Sen University，＋86 20-39332981，E-mail:zhangpuhaha＠163.com.Research fields:experimental and dynamiCcharacteristics study on mixed-refrigerant small-scale gas liquefaction system.

Dynami CSimulation on Temperature Decreasing Charac teristics of mixed-refrigerant Cryogeni CLiquefaction System

Zhang Pu Guo Kaihua Deng Wenyuan Deng Liqiang

(School of Engineering，Sun Yat-Sen University，Guangzhou，510006，China)

The cooling process ofmixed-refrigerant(MR)cryogeniCsystemis time-consuming，the composition ofMR has significant influence on the temperature decreasing rate，and the optimization of the MR charging process is crucial in order to obtain quick temperature decreasing rate and reliable running condition.Based on the fundamental principle of two phase volume node，this article established dynamiCsimulation method for MR cryogeniCsystem.The simulation results are validated by the experimental data successfully.Themain work focuses on the temperature decreasing characteristics of the systemwith different refrigerant charging process.The results reveal that when the phase change temperature of the charging refrigerant is around the systemtemperature，the temperature decreasing rate is the quickest.In their own charging temperature field，when the charging CH4is12%～16%，and N2is9%～12%of totalMR in systemon mole basis，the temperature decreasing rate and working condition of the studied systemin this article can be promoted effectively during these two cooling process.

mixed refrigerant；cryogeniCsystem；temperature decreasing characteristics；refrigerant charging rule；dynamiCsimulation

TB61＋2；TB657.8

A

0253－4339(2015)02－0071－07

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.071

張鐠，男，博士研究生，中山大學(xué)工學(xué)院，(020)39332981，E-mail:zhangpuhaha＠163.com.研究方向:小型混合工質(zhì)低溫氣體液化系統(tǒng)及其動(dòng)態(tài)特性研究。

2014年6月24日