一種逆布雷頓制冷循環(huán)無級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)及工業(yè)化總結(jié)

陳劍軍，閆紅偉，銀延蛟，呂書山，張亞清

(河南心連心深冷能源股份有限公司 氣體低溫分離工程技術(shù)研究中心，河南 新鄉(xiāng) 453000)

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·低溫與制冷·

一種逆布雷頓制冷循環(huán)無級(jí)調(diào)節(jié)技術(shù)及工業(yè)化總結(jié)

陳劍軍，閆紅偉，銀延蛟，呂書山，張亞清

(河南心連心深冷能源股份有限公司 氣體低溫分離工程技術(shù)研究中心，河南 新鄉(xiāng) 453000)

介紹了實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)節(jié)的逆布雷頓制冷技術(shù)及其優(yōu)勢(shì)，并對(duì)建成的首套工業(yè)化裝置進(jìn)行了運(yùn)行總結(jié)。

無級(jí)調(diào)節(jié)；逆布雷頓；工業(yè)化

0 引 言

深冷制冷流程主要有復(fù)疊式液化循環(huán)、混合冷劑液化循環(huán)和逆布雷頓制冷循環(huán)，逆布雷頓制冷循環(huán)包含單膨脹和雙膨脹制冷循環(huán)。冷劑液化制冷循環(huán)制冷能耗低、一次性投資大，逆布雷頓制冷循環(huán)則具有能耗高，一次性投資節(jié)省的特點(diǎn)，混合冷劑制冷循環(huán)介于兩者之間。

對(duì)于小型深冷裝置，逆布雷頓制冷循環(huán)和混冷劑制冷循環(huán)運(yùn)營費(fèi)用差別極小，一般選擇逆布雷頓制冷循環(huán)。

1 逆布雷頓制冷循環(huán)簡介

高壓氣體在等熵膨脹后壓力降低，由于氣體分子間作用力體現(xiàn)為吸引力，膨脹后壓力降低，體積增大，分子克服氣體間吸引力需要消耗動(dòng)能，大幅降低了氣體的內(nèi)能(焓值)，氣體分子熱運(yùn)動(dòng)大幅降低，宏觀上表現(xiàn)為氣體溫度大幅下降，膨脹機(jī)即利用該原理產(chǎn)生低溫環(huán)境。

逆布雷頓制冷循環(huán)以氣體等作為工質(zhì)，通過壓縮、冷卻、等熵膨脹和換熱完成一個(gè)循環(huán)，近年來隨著高效膨脹機(jī)和高效傳熱熱技術(shù)的發(fā)展，逆布雷頓制冷循環(huán)應(yīng)用日益廣泛。該循環(huán)工藝流程見圖1，低壓氮?dú)膺M(jìn)入3循環(huán)增壓機(jī)，冷卻后進(jìn)入4增壓膨脹機(jī)增壓端，再次水冷后進(jìn)入6換熱器冷卻至一定溫度后進(jìn)入5增壓膨脹機(jī)膨脹后進(jìn)入6換熱器為裝置提供冷量，再返回至壓縮機(jī)入口完成一次循環(huán)。

圖1 典型的逆布雷頓制冷循環(huán)

2 無級(jí)調(diào)節(jié)的逆布雷頓制冷循環(huán)工藝及優(yōu)勢(shì)

2.1 無級(jí)調(diào)節(jié)逆布雷頓循環(huán)工藝條件和工藝流程

2.1.1 設(shè)計(jì)依據(jù)

1.氨罐馳放氣：壓力1.8 MPa；溫度37 ℃；馳放氣組成與氣量見表1。

表1 馳放氣組成和氣量(來自某60萬t/a合成氨廠)

控制指標(biāo)φ(NH3)≤1×10-6

2.合成放空氣:壓力5.0 MPa；溫度37 ℃；馳放氣組成與氣量見表2。

表2 放空氣組成和氣量(來自某60萬t/a合成氨廠)

控制指標(biāo)φ(NH3)≤1×10-6

3.產(chǎn)品方案見表3

表3 產(chǎn)品方案

2.1.2 工藝流程描述

1.工藝流程描述

如圖2所示，來自合成氨系統(tǒng)的放空氣和馳放氣經(jīng)過預(yù)處理(脫氨、脫水)后進(jìn)入板翅式換熱器后分別預(yù)冷至-116 ℃和-90 ℃，合成放空氣進(jìn)入甲烷提純塔再沸器冷卻至-130 ℃后返回板翅式換熱器冷卻至-145 ℃，節(jié)流至1.6 MPa進(jìn)入脫氫塔脫除原料氣中的大部分氫氣，塔底液相節(jié)流進(jìn)入甲烷提純塔，將甲烷提純至99.9%以上過冷后進(jìn)入儲(chǔ)罐。

圖2 工藝流程簡圖

2.制冷工藝流程簡述

系統(tǒng)由膨脹提供冷量，加壓后的氮?dú)馔ㄈ肜鋮s器被冷卻至-100 ℃后分成兩股。一股進(jìn)入膨脹機(jī)，高壓(2.0 MPa)氣體通過膨脹機(jī)對(duì)外做功，自身焓值降低，壓力降低至0.5 MPa，溫度下降至-168 ℃，低溫氮?dú)馔ㄈ肜淠鳛橐夯到y(tǒng)提供冷量。另外一股高壓氮?dú)膺M(jìn)入冷卻器，液化后節(jié)流進(jìn)入甲烷提純塔，作為回流液，也可作為液氮儲(chǔ)存冷量用于高電價(jià)時(shí)段。

復(fù)熱至8 ℃的氮?dú)膺M(jìn)入氮?dú)饣钊麎嚎s機(jī)，壓縮至1.6 MPa經(jīng)過水冷器冷卻至常溫后進(jìn)入透平增壓機(jī)加壓到2.0 MPa，水冷后進(jìn)入冷凝器重復(fù)上述循環(huán)。

裝置選用容積式壓縮機(jī)，需要提高制冷負(fù)荷時(shí)，外加氮?dú)馓岣邏嚎s機(jī)進(jìn)氣壓力，容積式壓縮機(jī)出口壓力相應(yīng)提高，膨脹機(jī)膨脹氣量增大，體積流量不變，制冷量提高。

2.1.3 無級(jí)制冷工況各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)

裝置可根據(jù)要求實(shí)現(xiàn)50%～120%任意制冷負(fù)荷調(diào)節(jié)，本文分別以為50%，100%和120%負(fù)荷下的運(yùn)行條件闡述。

1.50%負(fù)荷條件下運(yùn)行工況見表4。

表4 50%制冷負(fù)荷下動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)

2.100%負(fù)荷條件下運(yùn)行工況見表5。

表5 100%制冷負(fù)荷下動(dòng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)

3.120%負(fù)荷條件下運(yùn)行工況見表6。

表6 120%制冷負(fù)荷下動(dòng)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)

2.2 優(yōu)勢(shì)分析

2.2.1 高效的膨脹效率

現(xiàn)有的壓縮—膨脹系統(tǒng)無法提高制冷負(fù)荷，只能將壓縮機(jī)排氣回流進(jìn)入進(jìn)氣管道以降低負(fù)荷，該方法不能降低系統(tǒng)能耗，同時(shí)由于氣體體積流量的變化會(huì)對(duì)膨脹機(jī)的流體產(chǎn)生影響從而影響制冷效率，甚至?xí)?dǎo)致膨脹機(jī)喘振，損壞膨脹機(jī)。

本裝置首次在膨脹制冷過程中根據(jù)氣體PVT關(guān)系，在相同膨脹比條件下不同質(zhì)量氣體在不同壓力條件下體積流量相等的特征，通過壓力調(diào)節(jié)膨脹氣量實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)制冷量的調(diào)節(jié)，確保膨脹機(jī)維持在高效、安全工況，實(shí)現(xiàn)了最高膨脹效率下制冷負(fù)荷的無級(jí)調(diào)節(jié)。

2.2.2 經(jīng)濟(jì)效益顯著

裝置不僅滿足了合成氨尾氣氣量波動(dòng)的特點(diǎn)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)在峰谷電價(jià)下的多工況運(yùn)行，低電價(jià)時(shí)期提高制冷負(fù)荷生產(chǎn)液氮，高電價(jià)時(shí)段減小負(fù)荷，回注液氮，降低裝置負(fù)荷。現(xiàn)有裝置年節(jié)省運(yùn)行費(fèi)達(dá)200萬元。

2.2.3 設(shè)備一次性投資小

項(xiàng)目利用活塞式壓縮機(jī)和透平膨脹機(jī)之間的耦合完成逆布雷頓循環(huán)，活塞式壓縮機(jī)相對(duì)于離心式壓縮機(jī)可節(jié)省一次性投資200萬元以上。

2.2.4 檢修期間可通過回注液氮實(shí)現(xiàn)不間斷運(yùn)行

項(xiàng)目利用活塞式壓縮機(jī)和透平膨脹機(jī)之間的耦合完成逆布雷頓循環(huán)，在動(dòng)設(shè)備(含壓縮機(jī)和膨脹機(jī))設(shè)備檢修、維護(hù)期間可以通過回注液氮實(shí)現(xiàn)不間斷生產(chǎn)。根據(jù)現(xiàn)有維修頻率，年增加銷售收入150萬元。

3 項(xiàng)目運(yùn)行總結(jié)

項(xiàng)目于2015年7月30正常投產(chǎn)，試運(yùn)行過程中由于人員操作失誤出現(xiàn)過一次系統(tǒng)凍堵而停車，熱吹后恢復(fù)正常，運(yùn)行結(jié)果顯示設(shè)備與工藝匹配良好，項(xiàng)目根據(jù)峰谷電價(jià)實(shí)行高低負(fù)荷運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，目前運(yùn)行平穩(wěn)。

3.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)和實(shí)際運(yùn)行指標(biāo)對(duì)比

3.1.1 100%負(fù)荷工況設(shè)計(jì)條件對(duì)比(見表7)

表7 偏差對(duì)比表

實(shí)際氣源條件和設(shè)計(jì)條件基本一致，實(shí)際氣源中甲烷含量較設(shè)計(jì)氣源高33%，高濃度氣源有利于產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。

3.1.2 逆布雷頓循環(huán)運(yùn)行指標(biāo)對(duì)比及偏差分析

50%負(fù)荷即是在高電價(jià)時(shí)段將液氮注入系統(tǒng)從而降低裝置的膨脹負(fù)荷，液氮于低電價(jià)時(shí)段120%負(fù)荷條件下從原料氣中提取產(chǎn)生。

1.50%負(fù)荷條件下運(yùn)行工況見表8。

表8 50%制冷負(fù)荷下動(dòng)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行參數(shù)

對(duì)比表8和表4，低負(fù)荷條件下裝置能夠穩(wěn)定運(yùn)行，各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但是實(shí)際運(yùn)行過程中由于氮?dú)鈮嚎s機(jī)進(jìn)氣壓力過低，導(dǎo)致壓縮機(jī)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)中不能較好的懸浮在缸體內(nèi)部，下部活塞環(huán)和缸體摩擦較大，該工況對(duì)活塞環(huán)的磨損較大。

2.100%負(fù)荷條件下運(yùn)行工況見表9。

表9 100%制冷負(fù)荷下動(dòng)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行參數(shù)

對(duì)比表5和表9，各項(xiàng)運(yùn)行指標(biāo)均和設(shè)計(jì)指標(biāo)相符，膨脹機(jī)流量較設(shè)計(jì)流量高500 Nm3/h，主要是因?yàn)閷?shí)際氣量及甲烷濃度均略高于設(shè)計(jì)值，氣量和動(dòng)設(shè)備匹配度良好。

2.120%負(fù)荷條件下運(yùn)行工況見表10。

表10 120%制冷負(fù)荷下動(dòng)設(shè)備實(shí)際運(yùn)行參數(shù)

對(duì)比表6和表10，120%負(fù)荷條件下單位制冷量較100%和50%工況均出現(xiàn)明顯下降，主要是介質(zhì)受熱力學(xué)性質(zhì)影響，高壓條件下氣體膨脹效率下降。

同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，受管道設(shè)備阻力影響，壓縮機(jī)出口和增壓端進(jìn)口的壓差，膨脹端出口和壓縮機(jī)進(jìn)口之間壓差均明顯上升。

4 結(jié) 論

1.利用活塞壓縮機(jī)和透平膨脹機(jī)耦合能夠?qū)崿F(xiàn)逆布雷頓制冷循環(huán)的無級(jí)調(diào)節(jié)，能通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力實(shí)現(xiàn)制冷負(fù)荷的無級(jí)調(diào)節(jié)。

2.該裝置無級(jí)調(diào)節(jié)過程均能保證膨脹機(jī)的高效工作，并具有一次性投資小，運(yùn)行費(fèi)用低，能實(shí)現(xiàn)不間斷運(yùn)行的優(yōu)勢(shì)。

3.裝置可根據(jù)峰谷電價(jià)調(diào)節(jié)制冷負(fù)荷，高電價(jià)時(shí)段降低負(fù)荷，回注液氮；低電價(jià)時(shí)段提高負(fù)荷，生產(chǎn)液氮，經(jīng)濟(jì)效益極其顯著。

4.該循環(huán)工藝長期低負(fù)荷運(yùn)行會(huì)增大壓縮機(jī)活塞環(huán)的更換頻率；高負(fù)荷條件下運(yùn)行受管道阻力、膨脹介質(zhì)自身熱力學(xué)性質(zhì)影響，制冷能耗略有提高。

[1] 孫郁，侯予，趙紅利，陳純正. 逆布雷頓循環(huán)空氣制冷機(jī)的性能分析[J].低溫工程,2006(1):27-30.

One Kind of Stepless Adjustment of Reverse Brayton Cycle Refrigeration Technology and Industrialized Summary

CHEN Jianjun，YAN Hongwei，YIN Yanjiao，Lü Shushan，ZHANG Yaqing

(Cryogenic Gas Separation Technology Research Center, Henan XLX Cryogenic Energy Co.,Ltd.，Xinxiang 453000，China)

This article describes the stepless adjustment of the inverse Brayton refrigeration technology and its advantages, and run its industrialized summary.

stepless adjustment；inverse Brayton；industrialized summary

2016-08-02

TB65

A

1007-7804(2016)05-00011-05

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.05.004

陳劍軍(1987)，男，碩士研究生，助理工程師，畢業(yè)于南昌大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)，現(xiàn)任河南心連心深冷能源股份有限公司技術(shù)部經(jīng)理，長期從事各類大宗工業(yè)氣體、特種氣體的新工藝開發(fā)和工業(yè)化工作。