天然氣液化設(shè)備的制冷效率改進(jìn)

龔飛建

摘 要：在天然氣制冷設(shè)備中，由于制冷劑冷凝環(huán)節(jié)達(dá)不到工藝要求，導(dǎo)致制冷循環(huán)效率下降。對目前使用的風(fēng)冷冷凝工藝換熱量進(jìn)行了核算，對比發(fā)現(xiàn)無法滿足原設(shè)計的換熱需求，改進(jìn)為水冷冷凝工藝后，制冷系數(shù)提升7.7%，液化功耗下降10%。

關(guān)鍵詞：天然氣液化;制冷效率;風(fēng)冷

前言：

目前在我廠在鄂爾多斯地區(qū)運(yùn)行多套處理量6×104m3/d的天然氣液化站，對來自東勝氣田的井口天然氣進(jìn)行凈化和液化，主要設(shè)備為撬裝式制冷機(jī)組和低溫板翅式冷箱。其中預(yù)冷機(jī)組和主冷機(jī)組采用的都是典型的林德制冷循環(huán)工藝[1]。預(yù)冷機(jī)組制冷劑采用R22，制冷循環(huán)由螺桿壓縮機(jī)組、風(fēng)冷冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器構(gòu)成。主冷機(jī)組采用混合冷劑做制冷劑，制冷循環(huán)由螺桿壓縮機(jī)、風(fēng)冷器、冷箱、節(jié)流閥構(gòu)成。此套設(shè)備在設(shè)計之初，考慮到鄂爾多斯地區(qū)平均氣溫較低，制冷循環(huán)冷凝工藝選擇了風(fēng)冷設(shè)備。但是在長期運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)氐貐^(qū)雖然平均氣溫較低，但是5、6、7、8、9月份日間最高溫度超過風(fēng)冷冷凝器設(shè)計區(qū)間。

當(dāng)?shù)叵募練鉁剡^高、輻射熱強(qiáng)烈導(dǎo)致制冷循環(huán)冷凝環(huán)節(jié)不能達(dá)到工藝要求，曾觀測到壓縮機(jī)出口的R22溫度最高達(dá)到105℃（其臨界溫度為92℃），高壓制冷劑在經(jīng)過風(fēng)冷器降溫、冷凝后無法獲得足夠的冷量，在節(jié)流前不能保持足夠的過冷度，整個制冷循環(huán)制冷劑循環(huán)量增大，蒸發(fā)溫度過高，最終導(dǎo)致產(chǎn)品產(chǎn)率下降及液化率下降一系列問題。

1. 制冷循環(huán)過程分析

林德制冷循環(huán)中冷凝環(huán)節(jié)制冷劑節(jié)流前溫度的升高[2]，會導(dǎo)致（1）制冷循環(huán)的冷凝壓力，即壓縮機(jī)的排氣壓力偏高，壓縮機(jī)壓縮比變大，功耗上升。（2）制冷系數(shù)下降，機(jī)組消耗同樣電功率，制冷量下降。（3）膨脹閥供液變大，壓縮機(jī)吸氣壓力變大，吸氣比容變大，制冷介質(zhì)循環(huán)量變大，壓縮機(jī)負(fù)荷變大。（4）壓縮機(jī)的吸氣過熱度增加，同時排氣溫度升高，冷凝器熱負(fù)荷進(jìn)一步增大。

2. 換熱量核算

為了確認(rèn)預(yù)冷機(jī)組冷凝器是否能夠提供工藝要求所需要的換熱量。我們?nèi)∫坏湫蜖顟B(tài)下的預(yù)冷機(jī)組參數(shù)，計算出風(fēng)冷冷凝器的換熱功率，再與設(shè)計參數(shù)對比，確認(rèn)其是否符合需求。統(tǒng)計了5月份壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)，見圖2

上圖記錄了五月份預(yù)冷機(jī)組制冷循環(huán)的幾個溫度參數(shù)，橫坐標(biāo)為日期，縱坐標(biāo)溫度（記錄缺失的20日及25日當(dāng)天為停機(jī)狀態(tài)）?？梢钥闯觯瑝嚎s機(jī)的吸氣溫度、冷凝溫度、蒸發(fā)溫度都與最高氣溫（藍(lán)色折線）呈明顯的正相關(guān)。其中R22蒸發(fā)溫度最高達(dá)到-3℃，而蒸發(fā)器內(nèi)的熱物流乙二醇防凍液的出口溫度設(shè)計為-5℃，當(dāng)R22的蒸發(fā)溫度在-8℃以上時，很難保證足夠的換熱溫差給防凍液進(jìn)行降溫。取其中5月30日的數(shù)據(jù)壓縮機(jī)排氣壓力為1.9MPa（對應(yīng)的冷凝溫度為51.1℃），吸氣壓力0.3MPa，實測排氣溫度為93℃，冷凝溫度為33℃，蒸發(fā)溫度為-7℃。計算換熱潛熱和顯熱之和約為1333KW。

設(shè)計參數(shù)建立的HYSYS模型圖3中，冷凝器的換熱功率為1045KW。可以看出，在高溫環(huán)境中，冷凝器的換熱負(fù)荷大大超出了設(shè)計值，同時壓縮機(jī)的電機(jī)電流也有明顯上升，最大功率有約8%的增長。這不僅造成了整體能耗的提升，同時由于蒸發(fā)器內(nèi)冷側(cè)物流不能提供足夠低的溫度，造成乙二醇出口溫度過高，也使整個主冷的熱負(fù)荷增大。

經(jīng)過重新核算對比可知，目前風(fēng)冷設(shè)備的制冷量無法匹配工藝所需。決定采用水冷冷凝設(shè)備代替主冷、預(yù)冷機(jī)組的風(fēng)冷設(shè)備，以滿足制冷循環(huán)的冷凝溫度的需求，使之達(dá)到增產(chǎn)降耗的目的。

3. 改造效果總結(jié)

液化站改造期間，將風(fēng)冷式預(yù)冷機(jī)組改造為水冷式，風(fēng)冷式主冷機(jī)組改造為水冷式。并增加配套設(shè)施：2套閉式冷水塔（額定制功率2000KW），3臺循環(huán)水泵（額定流量264m3/h）。

為了考察改造效果，我們對制冷循環(huán)的制冷系數(shù)進(jìn)行考察。制冷系數(shù)是與制冷劑種類及運(yùn)行工作條件有關(guān)的一個系數(shù)，是制冷系統(tǒng)的一項重要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。制冷性能系數(shù)大，表示制冷系統(tǒng)（制冷機(jī)）能源利用效率高。

由以上結(jié)果可以看出，風(fēng)冷工藝改為水冷工藝后，制冷循環(huán)的制冷系數(shù)由4.26增加到4.59。增幅高達(dá)7.7%，表征著消耗同樣的壓縮機(jī)功耗，系統(tǒng)制冷量大幅上升。由于制冷劑在膨脹閥前獲得了更高的過冷度，膨脹后提供了更高的冷量和更大的換熱溫差，使熱物流獲得了更低出口溫度。得益于更高的制冷系數(shù)，經(jīng)過計算液化單元能耗由0.37kWh/m3降低到0.34kWh/m3，液化單元的單位處理量能耗降低了約10%，預(yù)計累計可產(chǎn)生105萬/年的經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]孟憲杰 天然氣處理與加工手冊[M]北京：石油工業(yè)出版社，2016

[2]郭揆常 液化天然氣（LNG）工藝與工程[M]北京：國石化出版社，2014