氨制冷循環(huán)系統(tǒng)中過冷器的作用及其應(yīng)用

劉 順，杜明洋

(中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250101)

氨制冷循環(huán)系統(tǒng)中過冷器的作用及其應(yīng)用

劉 順，杜明洋

(中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250101)

在煤化工項目中，為滿足低溫甲醇洗等裝置的冷量需求，通常需設(shè)置氨制冷循環(huán)系統(tǒng)。氨制冷循環(huán)系統(tǒng)中冷凝器出口的飽和液氨過冷可提高單位質(zhì)量液氨的制冷量，從而在冷量需求一定的情況下，減少液氨的用量和氨壓縮機的功耗，實現(xiàn)節(jié)能。本文以單級氨制冷理論循環(huán)為例說明過冷器的作用，并得出過冷對制冷循環(huán)總是有利的，過冷度越大，則越節(jié)能的結(jié)論；通過分析四種實現(xiàn)過冷的方法，得到既可實現(xiàn)較大過冷度，又適用于氨制冷劑的方法為設(shè)置經(jīng)濟器，即第四種方法。某集團新建氨制冷循環(huán)系統(tǒng)采用了此方法，Aspen模擬結(jié)果顯示，與無過冷的氨制冷循環(huán)系統(tǒng)相比，氨壓縮機功耗降低了8.4%，實現(xiàn)了節(jié)能。

氨制冷循環(huán)；過冷；經(jīng)濟器；節(jié)能

在煤化工項目中，為滿足低溫甲醇洗、空分及氨合成裝置的冷量需求，需設(shè)置一套制冷循環(huán)系統(tǒng)，考慮到工程用冷量大及氨合成裝置所產(chǎn)氨本身即是一種制冷劑，常選用氨壓縮制冷系統(tǒng)，氣氨經(jīng)壓縮冷凝為液氨后輸往低溫甲醇洗、空分及氨合成裝置作為制冷劑。但傳統(tǒng)的制冷方案中通常將冷凝后的飽和液氨直接輸送至冷量用戶，造成制冷劑循環(huán)量及氨壓縮機功耗的增加，而液氨的過冷操作則可增加部分制冷量，從而減少制冷劑用量及氨壓縮機功耗，本文主要探討氨制冷循環(huán)中過冷器的作用及其在具體項目中的應(yīng)用。

1 氨制冷循環(huán)中過冷器的作用

下面以單級氨制冷理論循環(huán)[1]為例說明過冷器的作用。氨壓縮制冷循環(huán)流程如圖1所示，各點狀態(tài)對應(yīng)圖2：壓-焓圖。由圖可知：過程1-2表示氨在壓縮機中的等熵壓縮過程，2點狀態(tài)為過熱氣氨，過程2-3表示過熱氣氨在冷凝器中等壓冷卻及冷凝過程，3點狀態(tài)為飽和液氨，過程3-4為絕熱節(jié)流膨脹過程，液氨在節(jié)流過程中壓力和溫度都降低，但焓值保持不變，4點狀態(tài)為低壓兩相狀態(tài)。過程4-1表示氨在蒸發(fā)器中的定壓蒸發(fā)過程，至此完成循環(huán)1-2-3-4-1。

圖1 氨壓縮制冷循環(huán)流程圖Fig.1 The flow diagram of ammonia compression refrigeration cycle

圖2 氨壓縮制冷循環(huán)p-h圖Fig.2 The pressure-enthalpy diagram of ammonia compression refrigeration cycle

在氨蒸發(fā)過程中，q0=h1-h4，q0稱為單位制冷量，即單位質(zhì)量制冷劑可從熱源吸收的熱量。若在冷凝器與節(jié)流膨脹閥之間增加一過冷器，則壓-焓圖中3點(飽和液氨)移至3'點(過冷液氨)，過冷度ΔT=T3-T3'。過冷液氨再經(jīng)絕熱節(jié)流至4'點，經(jīng)等壓蒸發(fā)至1點，完成有過冷的循環(huán)1-2-3'-4'-1。由于過冷液氨的比焓較飽和液氨有所下降，由壓-焓圖可知有過冷循環(huán)的單位制冷量較無過冷循環(huán)增加了Δq0。若用戶的冷量需求一定，則有過冷循環(huán)所需制冷劑的量較無過冷循環(huán)少，繼而可降低氨壓縮機的功耗。且可得出如下結(jié)論：過冷對制冷循環(huán)總是有利的，過冷度越大，則越節(jié)能。

2 獲得過冷度的方法

獲得過冷度的方法包括以下幾種：(1)利用冷凝器直接過冷，即制冷劑氣體在冷凝器中經(jīng)歷冷卻-冷凝-過冷三個換熱階段，但受至于冷凝器總傳熱溫差的制約，通常只能獲得1-5℃的過冷度。(2)新增一臺過冷器獲得過冷，利用冷卻介質(zhì)對流出冷凝器的飽和制冷劑進行過冷，如冷凝器用常溫水冷卻，過冷器則用溫度更低的深井水冷卻。此種方法受制于冷凝器和過冷器所用冷卻介質(zhì)的溫度差，也不會獲得很大的過冷度。(3)采用回熱循環(huán)[1]，即在冷凝器和節(jié)流膨脹閥之間增設(shè)一換熱器，使來自蒸發(fā)器的低溫制冷劑氣體與冷凝器出口的高壓液體進行換熱，由于來自蒸發(fā)器的制冷劑氣體溫度很低，因而可使高壓液體獲得較大的過冷度，這種氣-液熱交換器也叫做回熱器。來自蒸發(fā)器的制冷劑氣體經(jīng)換熱升溫(過熱)后再返回壓縮機入口。但此回熱循環(huán)對制冷循環(huán)的性能系數(shù)產(chǎn)生正面或負面影響取決于制冷劑本身的性質(zhì)，研究表明[1]，采用回熱循環(huán)有利的制冷劑有丙烷、CO2等，而氨采用回熱不利，同時由于氨的絕熱指數(shù)大，吸氣過熱會使壓縮機排氣溫度過高，影響壓縮機的安全性和可靠性。通常，氨的吸氣過熱度被控制在5℃以內(nèi)。(4)采用經(jīng)濟器[2]，即流出冷凝器的飽和制冷劑液體中的一小部分經(jīng)節(jié)流后進入過冷器(又稱經(jīng)濟器)的盤管外面蒸發(fā)，使另一部分飽和液體流經(jīng)經(jīng)濟器盤管后達到過冷狀態(tài)。節(jié)流蒸發(fā)后的低溫低壓制冷劑氣體返回壓縮機入口。這種方法也可使制冷劑液體獲得較大的過冷度并且適用于氨制冷循環(huán)。

3 氨過冷器的實際應(yīng)用

某集團新建氨壓縮裝置中采用上述方法中的第四種方法設(shè)置了經(jīng)濟器使液氨過冷以達到降低氨壓縮機組功耗的目的。

本裝置中氣氨經(jīng)氨壓縮機組壓縮冷卻冷凝及過冷后分別輸往空分、氨合成及低溫甲醇洗裝置內(nèi)的氨蒸發(fā)器節(jié)流蒸發(fā)提供冷量，氨壓縮機組為四段壓縮，氨冷凝器之后設(shè)置兩級過冷器，一級過冷器將飽和液氨(40℃)過冷至7℃，輸往空分工段(蒸發(fā)溫度4℃)和氨合成工段(蒸發(fā)溫度-13.1℃)，二級過冷器將7℃過冷液氨繼續(xù)過冷至-10℃，輸往低溫甲醇洗工段(蒸發(fā)溫度-38℃)。其中一級過冷器殼程節(jié)流減壓后的氣氨與來自空分工段的飽和氣氨一同作為氨壓縮機III段補氣，二級過冷器殼程節(jié)流減壓后的氣氨與來自氨合成工段的飽和氣氨一同作為氨壓縮機組II段補氣，從而構(gòu)成閉路循環(huán)，具體流程詳見圖3。

圖3 設(shè)置過冷器氨壓縮制冷循環(huán)流程圖

Fig.3 The flow diagram of ammonia compression refrigeration cycle with subcooler

圖4 未設(shè)置過冷器氨壓縮制冷循環(huán)流程圖Fig.4 The flow diagram of ammonia compression refrigeration cycle without subcooler

與不設(shè)置過冷器的氨制冷循環(huán)流程(詳見圖4)相比，設(shè)置兩級過冷器后的氨制冷流程經(jīng)Aspen模擬后，計算得氨壓縮機組功耗為2782.6 kW，較不設(shè)置過冷氨壓縮機組功耗(3037.6 kW)減少了8.4%，氨壓縮機組降耗明顯，實現(xiàn)了節(jié)能。

[1] 陳光明，陳國邦.制冷與低溫原理[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[2] 楊 麗，王 文，白云飛.經(jīng)濟器對壓縮制冷循環(huán)影響分析[J].制冷學(xué)報，2010(4): 35-39.

(本文文獻格式：劉 順，杜明洋.氨制冷循環(huán)系統(tǒng)中過冷器的作用及其應(yīng)用[J].山東化工,2017,46(13):77-79.)

The Role and Application of Subcooler in Ammonia Refrigeration Cycle

LiuShun，DuMingyang

(CNOOC Petrochemical Engineering Co.,Ltd.,Jinan 250101,China)

In coal chemical industry,in order to meet the cooling demand of low-temperature methanol wash unit,the ammonia refrigeration cycle system usually needs to be set. Supercooling the saturated liquid ammonia from condenser can improve the unit refrigerating capacity of liquid ammonia,reducing the amount of liquid ammonia and compressor power consumption and achieving energy saving under the situation in which cooling demand is certain. Based on the theory of single stage ammonia refrigeration cycle as an example,effect of subcooler is shown,and the conclusion that supercooling is always favorable to refrigeration cycle,the greater the degree of supercooling,the more energy-efficient is found out; By analyzing four kinds of implementation method of supercooling,setting the economizer,namely the fourth method,can achieve greater degree of supercooling and is suitable for ammonia refrigerant. This method is adopted in a newly-built ammonia refrigeration cycle system. Aspen simulation results show that,compared with the ammonia refrigeration cycle system with no subcooler,the compressor power consumption of this ammonia refrigeration cycle system with subcooler was reduced by 8.4%,achieving the energy saving.

ammonia refrigeration cycle;supercooling;economizer;energy saving

2017-05-03

劉 順(1989—)，男，山東菏澤人，助理工程師，碩士研究生，主要從事煤化工及石油化工設(shè)計。

TQ051.5

B

1008-021X(2017)13-0077-03