氨制冷系統利用天然冷量節能效果分析

周群（大慶油田有限責任公司天然氣分公司）

氨制冷系統利用天然冷量節能效果分析

周群（大慶油田有限責任公司天然氣分公司）

大慶油田天然氣分公司現有6套天然氣處理裝置采用氨壓縮制冷系統，系統中氨壓縮機 為主 要耗 電設備，年耗電量約 900×104kWh。分析了氨 制冷 系統 中氨流量、氨壓縮機 入口壓力、氨壓縮機出口壓力對氨壓縮機能耗的影響，通過利用大慶地區天然冷量，可降低氨壓縮機出口壓力（保持制冷溫度不變），有效降低氨壓縮機能耗。分公司對2套淺冷裝置氨制冷系統進行了氨低溫運行試驗，確定了冬季 氨適宜的冷卻溫度為 5～10 ℃，此時氨壓縮機的電 流下降20%以上，驗證了利用天然冷量降低氨壓縮機能耗的可行性，為降低冷劑制冷系統能耗提供了新思路。

天然氣處理 氨制冷 天然冷量 節能

大慶油田天然氣分公司現有6套天然氣處理裝置采用氨壓縮制冷系統，系統中氨壓縮機為主要耗電設備，年耗電量約 950×104kWh，是分公司除了天然氣壓縮機、丙烷壓縮機、原油泵之外的重點耗電設備。壓縮機的運行狀況直接影響裝置的制冷以及能耗，因此，有必要開展氨壓縮機節能優化技術研究，提高裝置能源利用率，為分公司增產降耗做貢獻。

1 氨壓縮機能耗的影響因素分析

在氨制冷系統中氨壓縮機的作用是將低壓氨蒸氣進行壓縮，保證氨在制冷系統完成循環。天然氣分公司氨壓縮機為螺桿壓縮機，其絕熱功率公式[1]為

式中：

ps——壓縮機進氣壓力，kPa（A）；

Vs——壓 縮 機 在 吸 入狀態下 的 排 氣 量 ，m3/min；

ε——壓縮比；

k——氣體絕熱系數；

pd——壓縮機排氣壓力；

?——進氣狀態下的相對濕度，%；

psa——進 氣 狀 態 下 的飽和蒸 氣 壓 力 ，kPa；

p0——標 準 大 氣 壓 力，取值 101.325kPa；

T0——273K；

Ts——進氣溫度，K；

V —— 壓 縮 機 在 標 準 狀 態 （101.325kPa， 273 K）下的排氣量，m3/min。

從上式中可以看出，對于氨壓縮機來說，氨的流量、壓縮機入口氨的溫度和壓力、氨壓縮機出口的溫度和壓力共同影響了氨壓縮機的能耗。如果忽略管線和靜設備壓降，壓縮機入口的溫度和壓力即為氨蒸發器的溫度和壓力，壓縮機出口的溫度和壓力即為氨冷凝器的溫度和壓力。將系統中的氨視為純氨，在氨蒸發器和氨冷凝器中，氨的蒸發（冷凝）溫度和蒸發（冷凝）壓力是一一對應關系。因此，影響氨壓縮機能耗的因素即為氨的流量、蒸發器中的氨壓力、冷凝器中氨的冷凝溫度。

1.1氨流量對氨壓縮機能耗的影響

由 公 式 （1）可 以看出 ， 壓 縮機的 絕 熱功率 與其吸入狀態下的吸氣量成正比。當壓縮機入出口溫度和壓力一定時，氨壓縮機吸入狀態下的吸氣量決定于系統內循環的氨的循環量。降低氨的循環量可以降低氨壓縮機的能耗。

1.2壓縮機入口氨的壓力對壓縮機能耗的影響

壓縮機入口的氨氣體即為氨蒸發器氨液體氣化的氣體，對于純的氨來說，它的蒸發溫度與壓力是一一對應關系。不同蒸發壓力對應的蒸發溫度見表1。

表1 氨蒸發溫度與蒸發壓力對應關系

查 資 料[2]得 氨 的 絕 熱 指 數 k=1.32。 由 公 式（1）、（2）和 （3）可 以 看 出， 氨 壓 縮 機 的 絕 熱功 率與 ps、 Vs和（ ε0.242－1）三 項 積 成 正 比 ， (k-1）/k =0.242 。對于純的氨液體，相對濕度為 0， V 假設為1m3/min， 按 壓 縮 機 出 口 壓 力 為 1.72MPa （A）不變，取不同的入口壓力所得到的三者乘積見表2。

表2 氨蒸發壓力對壓縮機絕熱功率的影響

由表2可以看出，隨著氨蒸發壓力的升高，氨壓縮機的絕熱功率變小。通過提高氨蒸發器中氨的壓力可以降低氨壓縮機的能耗。

1.3壓縮機出口氨的溫度對壓縮機能耗的影響

壓縮機出口對應的壓力即為氨在該溫度下冷凝所對應的飽和蒸氣壓。不同溫度下對應的氨飽和蒸氣壓力見表3。

表3 氨冷凝溫度與飽和蒸氣壓力對應關系

假設氨壓縮機的吸入壓力與吸入流量不變，分別 為 120kPa 和 1m3/min。 由 公 式 （1）和 （2）可 以看 出 ， 氨 壓 縮 機 的 絕 熱 效 率 與（ ε0.242－ 1）成 正 比 。計 算 氨 的 不 同 冷 凝 溫 度 下 的（ ε0.242－ 1）值 見 表4。

表4 氨的冷凝溫度對壓縮機絕熱功率的影響

由表4可以看出，隨著氨的冷凝溫度的降低，氨壓縮機的絕熱功率將變小。降低氨的冷凝溫度可以降低氨壓縮機的能耗。

2 降低氨壓縮機能耗的措施

從上面的分析可以看出，降低氨的循環量、提高氨壓縮機入口壓力和降低氨的冷凝溫度均可以有效降低氨壓縮機的能耗。

2.1提高氨壓縮機入口壓力的可行性分析

由于氨蒸發器中，氨的蒸發壓力與蒸發溫度一一對應。提高壓縮機的入口壓力，即要提高氨蒸發器中氨的蒸發壓力，即提高氨的蒸發溫度。

氨蒸發器又稱最終冷卻器，它的作用是將天然氣冷卻到所需要的溫度，以達到一定的輕烴收率。從這個意義上來說，蒸發溫度越低越好；同時，考慮到安全因素，整個系統一般要求在正壓下操作，即氨的蒸發壓力應高于大氣壓。實際操作時應選取略高于大氣壓下操作，考慮到壓力波動，蒸發壓力一般為120kPa（A）左右。因此，采用提高壓縮機入口壓力來降低壓縮機能耗的措施不可行。

2.2降低氨循環量的可行性分析

當氨的蒸發壓力不變時，其汽化潛熱為定值。要將一定處理的天然氣冷卻到所需要的溫度，所需要的冷量也相對固定，因此，需要的液氨量也相對固定。如果降低氨的循環量，則無法提供相應的冷量，因此，采用降低氨的循環量來降低氨壓縮機能耗的措施不可行。

2.3降低氨冷凝溫度的可行性分析

在氨制冷系統中，氨壓縮機的出口壓力對應著氨冷卻器中氨的冷凝溫度，氨的冷凝溫度越低，氨壓縮機的出口壓力越低。若氨蒸發器中氨的蒸發壓力不變，則氨壓縮機的壓比即隨著壓縮機出口壓力的變化而變化，即氨的冷凝溫度對氨壓縮機的功耗有一定的影響。以杏九淺冷裝置氨制冷系統為例，模擬結果見圖1。

圖1 氨壓縮機功耗隨冷凝溫度的變化曲線

由 圖1 可 以 看 出 ， 提 供 100Mcal（418.2MJ）的冷量時，所需要的壓縮的功耗隨氨的冷凝溫度的下降而下降。氨冷 凝 溫 度 為 35 ℃ ， 每 100Mcal制 冷量氨壓縮機所需有用功為 41.46kW；氨冷凝溫度為10 ℃時，每 100Mcal制冷量氨壓縮機所需有用功為22.85kW ， 下 降 了 44.89%。

大慶地區的平均氣溫較低 （表5），對于采用空冷的制冷系統，若能充分利用自然冷源，降低氨的冷凝溫度，將有利于降低氨制冷系統的電耗，達到節能降耗的目的。

表5 大慶地區各月平均溫度（℃）

從上面的分析可以看出，對于分公司杏三、杏九和杏V-1三套淺冷裝置，由于制冷系統采用空冷冷卻，冬季可以利用天然冷量，降低氨冷凝溫度，從而降低氨壓縮機的能耗。

3 氨冷凝器低溫運行試驗

3 氨冷凝器低溫運行試驗

表6 試驗前后裝置運行數據對比

由表6可以看出，與試驗前相比，氨的冷凝溫度 由 平 均 26.3 ℃ 降 低 到 7.1 ℃ ， 壓 縮 機 的 壓 比 由6.68 降 到 4.14； 氨 壓 縮 機 的 電 流 從 24.1A 降 低 到18.8A， 電 流 下 降了 22%， 具 有 較好的節 電 效 果 。

4 結論及認識

1）氨制冷 系 統中 氨 的循環 量 、氨壓 縮 機入 出口壓力和溫度等因素對氨壓縮機能耗均有影響。分析表明，降低氨壓縮機出口壓力，即降低氨的冷凝溫度能夠有效降低氨壓縮機能耗，同時保持制冷溫度不變。

2）氨制冷 系統低 溫 運行試 驗 表明 ， 冬季氨 的適 宜 冷 凝溫度 為 5～10 ℃， 在 此溫度 下 ， 氨制冷 系統可以平穩運行，氨壓縮機的電流下降22%，可以有效地降低氨壓縮機的能耗。

3）當 氨 冷 凝 溫 度 低 于 25 ℃ 時 ， 應 適 當 減 少 氨冷卻器的液氨進入量，以控制適宜的潤滑油溫度，使油氣壓力差平穩，保證制冷系統的平穩運行。

[1]《油田油氣集輸設計技術手冊》編寫組.油田油氣集輸設計技術手冊[M].北京:石油工業出版社,1994:477-478.

[2]袁利偉.危化品安全管理與傷害事故后果分析系統的設計[D].昆明:昆明理工大學,2004.

利用自然冷源降低氨的冷凝溫度能夠有效降低氨壓縮機的能耗;但當氨的冷凝溫度降低時，由于壓縮機做功變少，氨壓縮機出口氣體溫度會相應降低，即潤滑油溫度會相應降低。氨的冷凝壓力和潤滑油溫度的降低均會影響制冷系統的平穩運行。因此，有必要在裝置上進行現場試驗，摸索出適宜的冷凝溫度范圍，在保證制冷系統平穩運行的前提下，有效降低氨壓縮機的能耗。

3.1試驗過程

1）增 加 氨空冷 器 的運行 臺數， 降 低氨的 冷 凝溫度；

2）觀 察 并調節 氨 蒸發器 的壓力 和 液位， 保 證裝置制冷溫度不變；

3）觀 察 潤滑油 系 統的運 行情況 ， 并通過 潤 滑油冷卻器調節潤滑油的溫度，保證潤滑油系統的平穩運行。

試驗裝置選擇了杏V-1和杏九淺冷裝置。

經過多次試驗，摸索出氨適宜的冷凝溫度為5～10℃，若溫度再低，不僅氨蒸發器的蒸發壓力和液位不易控制，還會使潤滑油溫度過低。

在 氨冷凝溫 度 維 持 在 5～10 ℃運 行 時 ， 潤 滑 油的溫度保持在 55～65 ℃為宜，若溫度過低，會使潤滑油黏度變大，泵出口壓力變低，致使油氣壓差波動；若溫度過高，潤滑油黏度變小，泵出口壓力變高，泵出口的安全閥頻繁啟跳。

3.2節能效果分析

試驗前和試驗后裝置的運行參數對比見表6。

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.012.002

2013-10-13）

周群，高級工程師，1987年畢業于佳木斯工學院，從事油 氣 初 加 工 管 理 工 作 ， E-mail： tzhouq@petrochina.com.cn， 地 址 ：黑龍江省大慶市天然氣分公司機關，163416。