氨制冷系統(tǒng)冷凝器選擇

張宇

摘? ? ? 要：常用的冷凝器類型有空氣冷卻式冷凝器、水冷式冷凝器、蒸發(fā)式冷凝器3種。首先介紹了氨制冷系統(tǒng)的原理及組成，然后分別介紹了3種型式的冷凝器的特點(diǎn)及應(yīng)用條件，之后計(jì)算和分析了這3種冷凝器的能耗、占地面積和投資，提出氨制冷系統(tǒng)中水冷式冷凝器和蒸發(fā)式冷凝器的優(yōu)缺點(diǎn)。最后根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研、用戶反饋及工作經(jīng)驗(yàn)分析，得出針對特定裝置及用戶需求的最佳的冷凝器類型選擇的建議。

關(guān)? 鍵? 詞：氨制系統(tǒng);冷凝器;對比分析;方案比選

中圖分類號(hào)：TQ052? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ?文章編號(hào)： 1671-0460（2020）11-2584-04

Selection of Condenser for Ammonia Refrigeration System

ZHANG Yu

（CNPC Northeast Refining & Chemical Engineering Co.， Ltd.， Shenyang Company， Shenyang 110167， China）

Abstract： Common condenser types include air-cooled condenser， water-cooled condenser and evaporative condenser. In this paper， the principle and composition of ammonia refrigeration system were introduced， and then characteristics and application conditions of the three types of condensers were discussed. Through calculation and analysis of energy consumption， floor area and investment， the advantages and disadvantages of water-cooled condenser and evaporative condenser in ammonia refrigeration system were obtained. Finally， according to the field investigation， user feedback and work experience analysis， the best condenser type selection suggestions for specific device and user demand were put forward.

Key words： Ammonia system; Condenser; Comparative analysis; Scheme comparison

氨制冷系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域，如苯乙烯裝置、化肥裝置、酮苯裝置等。冷凝器是氨制冷系統(tǒng)非常重要的工藝設(shè)備，此設(shè)備的選擇是否合理將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行、項(xiàng)目的投資及水電的消耗。目前在石油化工領(lǐng)域廣泛采用的冷凝器有空氣冷卻式冷凝器、水冷式冷凝器和蒸發(fā)式冷凝器。本文分析了3種冷凝器的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍，并以某化工廠苯乙烯裝置中氨制冷系統(tǒng)中冷凝器為例，通過能耗、投資及占地面積對比分析來探討冷凝器的選擇。

1? 氨制冷系統(tǒng)的組成及原理

1.1? 氨制冷系統(tǒng)的組成

氨壓縮制冷系統(tǒng)主要由氨壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器管（蒸發(fā)排管）、氨液分離器、氨油分離器、貯液器、空氣分離器、集油器、節(jié)流閥、經(jīng)濟(jì)器（根據(jù)不同工況選配，提高效率）、稀油站（根據(jù)電機(jī)功率不同選配，電機(jī)功率大于1 120 kW需要設(shè)置，保護(hù)電機(jī)及軸承）等組成[1]，圖1為典型氨制冷壓縮機(jī)PID。

1.2? 氨制冷系統(tǒng)工作原理

氨制冷壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器是氨制冷系統(tǒng)中的最基本的部分，同時(shí)也是核心單元，制冷系統(tǒng)如圖2所示。以上4個(gè)基本設(shè)備通過工藝管道將它們連接起來構(gòu)成一個(gè)密閉的循環(huán)系統(tǒng)，通過氨在系統(tǒng)中不斷地循環(huán)流動(dòng)，與外界冷、熱媒介的熱交換從而發(fā)生物性的變化來完成制冷過程。具體過程如下：液態(tài)氨在蒸發(fā)器中與熱媒發(fā)生熱量交換后氣化，汽化后經(jīng)過制冷壓縮機(jī)壓縮后壓力與溫度均升高，壓縮后的氨氣經(jīng)過與冷凝器中的冷媒熱交換后由高溫高壓的氨氣變?yōu)楦邏旱陌币?。?jīng)調(diào)節(jié)閥節(jié)流后將高壓氨液轉(zhuǎn)換為低溫低壓的氨液，之后經(jīng)過蒸發(fā)器吸熱氣化，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)循環(huán)制冷的過程，以上過程就是氨制冷的一個(gè)循環(huán)過程[2-4]。

2? 冷凝器的類型

冷凝器在制冷系統(tǒng)中主要分為空氣冷卻式冷凝器、水冷式冷凝器和蒸發(fā)式冷凝器。

2.1? 空氣冷卻式冷凝器

空氣冷卻式冷凝器也就是常說的干空冷，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作簡便、不使用冷卻水及批量生產(chǎn)價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，多用于缺水、水質(zhì)差、補(bǔ)水不方便的地區(qū)。但是由于受外界環(huán)境溫度影響較大，穩(wěn)定性不如水冷冷凝器及蒸發(fā)式冷凝器，圖3為某裝置中的空冷式冷凝器。在滿足工藝條件情況下，對于裝置年運(yùn)行時(shí)間較長時(shí)，在綜合運(yùn)行費(fèi)用上要低于水冷系統(tǒng)。

2.2? 水冷式冷凝器

目前在石油化工領(lǐng)域廣泛采用的水冷式冷凝器型式主要有管殼式水冷型冷凝器和管板式水冷型冷凝器，其中管殼式冷凝器又分為立式和臥式2種。這2種水冷式冷凝器主要由以下2個(gè)不同點(diǎn)：一是安裝方式的不同，一個(gè)立式安裝，一個(gè)臥式安裝;另外一個(gè)是立式水冷式冷凝器中冷卻水是靠重力沿?fù)Q熱管向下流動(dòng)，只能是單行程，因此要想達(dá)到冷卻效果就需要足夠大的傳熱系數(shù)，需要耗費(fèi)大量的冷卻水，而臥式水冷式冷凝器是靠動(dòng)力源水泵給冷卻水升壓后進(jìn)入到換熱管中，因此可制作成多行程冷凝器，同時(shí)相比于立式水冷式冷凝器冷卻水的流速更大、溫升更高、冷卻效果更好。因此相比立式水冷式冷凝器，臥式水冷式冷凝器就大大降低了冷卻水的耗量，這也是兩者最重要的區(qū)別。由于立式水冷式冷凝器耗水量大，目前在石油化工領(lǐng)域已經(jīng)很少使用了，已經(jīng)逐步被臥式水冷式冷凝器取代。圖4為臥式水冷式管殼式冷凝器。由于冷卻水受外界環(huán)境影響較小，因此水冷式冷凝器的冷卻效果穩(wěn)定，但是相比空冷式冷凝器，由于需配套水泵和冷卻水塔結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，多用于水資源豐富，對于冷卻穩(wěn)定性要求較高的場所，尤其在環(huán)境溫度較高時(shí)相比空冷式優(yōu)勢明顯。若管理得當(dāng)，當(dāng)冷卻水的補(bǔ)水量低于3%時(shí)，綜合運(yùn)行費(fèi)用要低于空冷系統(tǒng)，這對于管理要求較高。

2.3? 蒸發(fā)式冷凝器

蒸發(fā)式冷凝器兼有空冷式冷凝器和水冷式冷凝器的特點(diǎn)，主要由空冷系統(tǒng)和水冷系統(tǒng)兩部分組成，圖5為蒸發(fā)式冷凝器外形圖。

在換熱效果上，蒸發(fā)式冷凝器要強(qiáng)于空冷式冷凝器，由于蒸發(fā)式冷凝器采用空氣和水共同作用來冷卻，在節(jié)水上要強(qiáng)于水冷式冷凝器，同時(shí)由于用冷卻水量的減少，水泵的能耗也相應(yīng)降低，同時(shí)冷卻水塔的尺寸也相應(yīng)降低。目前蒸發(fā)式冷凝器在大型的合成氨系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

3? 方案比選分析

針對某化工廠苯乙烯裝置中制冷量2 500 kW氨制冷系統(tǒng)中的冷凝器，分別從能耗、占地面積、投資3個(gè)方面進(jìn)行比較。由于氨有毒、有刺激性、強(qiáng)腐蝕性的特點(diǎn)， 一旦制冷劑出現(xiàn)泄漏，直接就進(jìn)入空氣中，這是不允許的，因此排除了空冷式冷凝器，下文僅針對水冷式冷凝器和蒸發(fā)式冷凝器進(jìn)行分析。

3.1? 能耗分析比較

3.1.1蒸發(fā)式冷凝器能耗計(jì)算

1）風(fēng)機(jī)功率計(jì)算公式如下：

。? ? ? ? ? ?（1）

式中：Nf—單位冷凝負(fù)荷的風(fēng)機(jī)功率，W·kW-1;

pf—風(fēng)機(jī)風(fēng)壓，Pa;

LD—相應(yīng)于單位冷凝負(fù)荷的風(fēng)機(jī)功率，m3·（s·kW）-1。

2）水泵功率計(jì)算公式如下：

。? ? ? ? ? ?（2）

式中： Ns—單位冷凝負(fù)荷水泵功率，W·kW-1;

9.8—重力加速度;

gs—單位冷凝負(fù)荷的水流量，kg·（s·kW）-1;

HZ—水泵的揚(yáng)程，m。

3.1.2? 水冷式冷凝器的能耗計(jì)算

1）水泵的能耗。下式可用于水冷式冷凝器負(fù)荷計(jì)算：

。? ? ? ? ?（3）

式中：Gk—冷凝負(fù)荷，kW;

Gw—冷卻水流量，kg·s-1;

Cw—水的比熱容 4.19 kJ·（kg·℃）-1;

Δtw—冷凝器進(jìn)出口冷卻水溫差，立式冷凝器取2～3 ℃，

臥式冷凝器取4～6 ℃。

根據(jù)公式（3）可以得出在以水冷作為冷凝介質(zhì)時(shí)的單位冷凝負(fù)荷的計(jì)算公式如下：

。? ? ? ?（4）

2）冷卻塔用風(fēng)機(jī)能耗計(jì)算。冷卻水塔的制造廠商在計(jì)算能耗并選用電機(jī)時(shí)是根據(jù)特定的工況下來選用的，按照工程實(shí)踐電機(jī)功率的選擇要滿足規(guī)定要求的110%來選用，因此可根據(jù)冷卻水量用來與電機(jī)功率的關(guān)系推導(dǎo)得出在單位冷凝負(fù)荷下冷卻水塔用風(fēng)機(jī)具體能耗值，如下式[7]：

。? ? ? ? ? ? ?（5）

式中： —冷卻塔風(fēng)機(jī)功率與水流量比。

根據(jù)上面的公式計(jì)算得到具體能耗值如表1所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，立式水冷冷凝器的水量消耗、水泵功率和風(fēng)機(jī)功率最高，臥式水冷冷凝器次之，蒸發(fā)式冷凝器最佳。因此，從能耗角度來講蒸發(fā)式冷凝器為最佳方案。

3.2? 占地比較

由于蒸發(fā)式冷凝器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外形尺寸較大，因此占地面積最大，臥式水冷冷凝器次之，立式水冷冷凝器占地面積最小。

3.3? 投資比較

通過與廠家詢價(jià)得出不同類型冷凝器的設(shè)備投資如表2所示。由表2可知，蒸發(fā)式冷凝器投資最高，立式水冷冷凝器次之，臥式水冷冷凝器投資最低。除設(shè)備投資外，設(shè)備安裝的基礎(chǔ)和鋼結(jié)構(gòu)投資也占有一部分，由于蒸發(fā)式冷凝器外形尺寸大，重量重，同時(shí)布置在構(gòu)架上，在基礎(chǔ)和鋼結(jié)構(gòu)的投資上交立式水冷冷凝器和臥式水冷冷凝器都要高。

4? 結(jié) 論

本文首先介紹了氨制冷系統(tǒng)的原理和組成，然后針對空氣冷卻式冷凝器、水冷式冷凝器及蒸發(fā)式冷凝器3種冷凝器的適用工況、優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行分析，之后針對氨制冷系統(tǒng)中冷凝器的選擇分別從能耗、占地面積及投資3個(gè)方面定量地給出水冷式和蒸發(fā)式冷凝器所對應(yīng)的數(shù)值。

從能耗角度來說，蒸發(fā)式冷凝器要好于其他兩種冷凝器，同時(shí)需要注意的是用水量一欄中蒸發(fā)式冷凝器的水量只需要一次充注，后期只需要對其消耗進(jìn)行補(bǔ)充就可以了，而其他兩種冷凝器的水量需要連續(xù)供給，因此從能耗的角度講實(shí)際使用中蒸發(fā)式冷凝器的能耗要優(yōu)于表中計(jì)算值，水的消耗可忽略。從投資角度來講，雖然蒸發(fā)式冷凝器的一次性投資較高，但是由于其能耗較低，若按電量單價(jià)? 0.5元·（kWh）-1來計(jì)算，相比立式水冷冷凝器、臥式水冷冷凝器而言，雖然一次性投資分別高了9萬元和16萬元，然而只需分別運(yùn)行4 148 h和110 345 h就可以收回前期一次性多投入的資金。蒸發(fā)式冷凝器同時(shí)也存在自身的問題，主要有以下2點(diǎn)：首先占地面積比較大，因此對于場地受限的項(xiàng)目就很難選擇此種冷卻方式;其次就是由于蒸發(fā)式冷凝器的水箱屬于開式結(jié)構(gòu)，對于北方風(fēng)沙比較大的地區(qū)，檢修的時(shí)間間隔會(huì)大大縮短，同時(shí)檢修的難度較大。因此，北方地區(qū)選用蒸發(fā)式冷凝器時(shí)需要考慮檢修問題[5]。

臥式水冷冷凝器的能耗和投資均優(yōu)于立式水冷冷凝器，而其缺點(diǎn)在于清洗困難，尤其對于一些水質(zhì)較差的地區(qū)結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重，這樣將嚴(yán)重影響冷卻效率，因此在選擇時(shí)要注意水質(zhì)問題[6]。而立式水冷式冷凝器由于能耗較高，現(xiàn)在在工程實(shí)踐中已經(jīng)很少采用了，但是如果是將自然界中的水如江、河、湖、海中的水直接用于冷卻系統(tǒng)，那么立式水冷式冷凝器具有一定的優(yōu)勢[7-9]。

根據(jù)上述分析，在選擇冷凝器型式時(shí)還要根據(jù)具體情況從能耗、占地面積、投資（投資既要考慮一次投資，同時(shí)又要兼顧綜合性經(jīng)濟(jì)效益）進(jìn)行分析，這樣選擇的冷凝器才能最適合，達(dá)到效益最高。

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