石油高校建環專業開設氣體液化實驗的探討

陳樹軍, 付 越, 劉 楊, 唐建峰, 王武昌

(中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院， 山東 青島 266580)

0 引 言

中國石油大學(華東)是教育部和四大石油石化企業集團、教育部和山東省人民政府共建的高校，是石油、石化高層次人才培養的重要基地，被譽為“石油科技人才的搖籃”，現已成為一所以工科為主、石油石化特色鮮明、多學科協調發展的大學。我校建筑環境與設備工程專業2002年成立，專業設置的特色在于——以“大燃氣”為龍頭，發揮油氣儲運工程專業重點學科的優勢，建設具有鮮明石油特色的建筑環境與設備工程專業[1]。2013年，為了使辦學更好的突出石化特色，我系更名為“建筑環境與能源應用工程專業”，并入單獨成立的燃氣工程系，這更有利于建環專業朝著我校既定的方向發展。培養出專業基礎扎實、工程實踐能力強的石油石化行業高級專業人才是我系培養方案的目標。

天然氣作為清潔、高效、方便的能源，在環境和經濟方面的價值已得到廣泛證實[2]。未來用天然氣代替燃煤和燃油是必然趨勢。在這種形式下，我系作為具有石油特色的建筑環境與能源應用工程專業，教學計劃的制定，在嚴格遵循全國高校本專業指導委員會制定的專業培養目標、教學內容、課程體系及培養計劃的總體框架基礎上，定位為包括天然氣的礦場集輸、長距離輸送及下游城市燃氣輸配及應用的大燃氣發展方向。在實驗教學方面，專業實驗共16大項，22小項，目前基本能滿足基礎本科教學的要求。但隨著天然氣應用技術等方面的不斷發展，我系教學計劃也在不斷修訂和充實。關于天然氣預處理、液化工藝、液化天然氣(LNG)安全儲存及運輸、LNG的利用等方面的課程也越來越重要。但我系的實驗教學項目，還主要為燃氣輸配和燃燒方面實驗，缺少氣體液化系統及其相關實驗項目。這已不能滿足未來的本科教學要求。本文就開設氣體液化實驗的必要性、氣體液化實驗平臺建設方案、實驗可行性和氣體液化實驗擬開設項目等方面進行探討。

1 開設氣體液化實驗的必要性

我校在培養方案的制定上，“城市燃氣輸配”是建筑環境與能源應用工程專業的主干專業必修課，“LNG利用技術”也列為專業限選課，兩門課程均涉及LNG的內容。為了使學生更好地理解和掌握書本知識，從理論走向實踐，需要在實驗教學中增加氣體液化相關的教學環節[3,4]。氣體液化實驗的開設，完善了我系專業實驗項目，有助于學生直觀地了解壓縮機和換熱器等設備的構造和工作原理，在此基礎上真切地掌握天然氣液化工藝過程和制冷工藝過程。重要的是可以運用我系現有的一些實驗設備，讓學生自己設計實驗，發現氣體液化過程的不同規律和現象，既符合我系設計性和綜合性實驗的建設目標，又解決了實驗設備利用率不高，缺乏系統性等缺點。另外，開設氣體液化實驗，還能更好的滿足學校“減少理論教學學時，增加實驗和實踐學時”等培養計劃的改革方向。

2 氣體液化實驗平臺建設方案

2.1 氣體液化實驗液化流程方案的確定

選擇何種類型的液化流程，需根據具體的用途、目的和實驗條件綜合考慮[5]。因為本流程用于本科實驗教學，在實驗室進行，設備要占地小、投資成本少、能耗低、效率高、靈活性好，特別要保證安全[6]。綜合考慮以上方面，設計出一種適合本科實驗教學的小型、高效、經濟的實驗裝置的液化流程是非常必要的。按制冷方式分，氣體液化主要有3種形式：級聯式液化流程、混合制冷劑液化流程(包括單級、多級和丙烷預冷等)、帶膨脹機的液化流程(包括單膨脹機循環和雙膨脹機循環等)[7-9]。通過查閱文獻[10-16]，得到不同液化裝置循環效率和各種液化循環特性的對比如表1和表2所示。

表1 液化裝置常用液化循環效率比較

表2 各種液化循環特性比較

綜合以上各種液化流程循環效率和循環特性的比較可知，級聯式制冷循環和混合制冷循環(MRC)能耗較低，效率最高。但從復雜程度和適應性等方面，MRC優于級聯式制冷循環。鑒于實驗室對制冷要求不大，以工藝流程簡化、實驗設備數量少、利用的制冷循環技術成熟、總投資和運行費用最低為原則，采用單級MRC是最佳的選擇。原因如下：① 單級MRC設備簡單，投資較低，工藝流程不復雜。② 該流程可最大限度地減少與環境之間的不可逆熱損失。③ 液化率高，可以通過混合工質組分的合理配比，在不同溫區多股流換熱器內，混合工質溫度曲線與被液化氣體的溫度曲線相匹配。④ 減少了傳熱溫差，從而減少能耗，提高了液化效率。

2.2 制冷劑與液化介質的選擇

由于該液化流程用于實驗教學，在實驗室進行，特別要考慮安全問題[6]。因主要側重于學生理解氣體溫度、流量、相變的過程，所以只要采用安全的氣體組分演示出氣體的相變過程就可以滿足教學要求。制冷劑選用烴類存在易燃易爆危險，若采用氮氣、氬氣等惰性氣體，因液化溫度低，實驗耗能多，費用高，耗時長，也容易發生冷凍傷人事故，不利于教學試驗。基于以上考慮，選擇多種氟利昂的混合工質作為制冷劑，就可達到教學目的。在液化對象的選擇上，由于二氧化碳具有無毒、無害、不燃燒的特性，所以在教學實驗中適合作為液化試驗介質。

2.3 氣體液化實驗工藝流程的設計

考慮到實驗室的實際情況，流程采用較高溫區的氟利昂相變制冷工藝，包括壓縮、換熱、液化、節流等封閉循環。具體實驗流程為：混合制冷劑經壓縮機壓縮至1 MPa左右，經過冷卻器降溫至30℃左右，進入包括多通道換熱器組的冷箱中降溫，氣體到達換熱器底部時已基本全部液化。液相混合工質經節流閥節流降溫后進入換熱器冷箱，經過換熱器復溫后出冷箱的流體返回MRC壓縮機入口，形成密閉連續的制冷循環過程。純凈的二氧化碳經過鋼瓶上減壓閥減壓至1.3 MPa左右后進入冷箱，與返流的混合制冷劑換熱，達到液化溫度后流入氣液分離器中，液體進入二氧化碳儲罐中儲存，未液化的二氧化碳閃蒸汽通過氣液分離器氣相出口排出室外。另外，對儲罐內的液體二氧化碳節流能夠實現凝華，凝華的二氧化碳(干冰)遇熱發生升華，這個過程在整個試驗過程中都能實現。具體的液化工藝模擬流程如圖1所示。

如果不需要液化二氧化碳，可用其他高沸點組分的氣體替代。也可以不液化氣體，只觀察混合制冷劑的液化、分離、氣化的全過程，同樣達到實驗教學的目的。

圖1 氣體液化工藝模擬流程圖

3 氣體液化實驗可行性分析

在安全方面，制冷劑選用R134a、R23和R14混合組分，無毒、安全可靠、非易燃易爆；二氧化碳的選擇則排除了使用天然氣易燃易爆的危險，而且減少了投資。在費用方面，一次實驗耗電量為30 kW/h，所需二氧化碳半瓶左右，每次實驗費用約為34元人民幣左右，如果液化后的二氧化碳循環使用的話，費用還可降低。在占地方面，采用撬裝單元結構，設備小、結構緊湊，整套裝置占地面積約40 m2，現有實驗場地完全滿足平臺需求。在實驗耗時方面，液化氣體為CO2，由于沸點低，設備啟動后30 min內可達到液化溫度，所以在1到2 h時間內可完成一次實驗。

4 氣體液化實驗臺擬開設的實驗項目設計

通過購置整體撬裝式混合工質制冷機組、制冷劑、液化冷箱(撬裝保溫冷箱、多層換熱器組、低溫閥門等)、氣液分離器和PLC儀控系統，建造氣體液化實驗裝置。利用我系實驗室現有的實驗設備，指導學生設計實驗，使學生在實驗過程和實驗結果中，了解氣體液化的各種規律和現象。具體可以實現如下實驗：

(1) 在一定的混合制冷劑配比和液化氣體壓力下，改變系統運行壓力(吸氣壓力和排氣壓力)，了解其對系統單位液化功的影響。

(2) 在一定的混合制冷劑配比、液化氣體壓力和系統運行壓力下，改變換熱器混合位置，了解其對系統單位液化功的影響。

(3) 在一定的液化氣體壓力下，在該套實驗裝置的液化冷箱前設置取樣口，與實驗室現有的氣相色譜儀相連接，研究混合制冷劑配比與氣體液化效率之間的關系。

(4) 在一定的混合制冷劑配比和系統運行壓力下，改變液化介質，將其由CO2改為制冷劑混合氣體，與實驗室現有的計算機自動配氣系統相連接，研究不同配比的液化介質與混合制冷劑之間的液化關系，同時還掌握了如何配氣。

(5) 通過對二氧化碳液體儲罐的液相管節流，可實現液體二氧化碳的凝華，凝華的二氧化碳(干冰)遇熱發生升華，使學生在實驗中了解更多的相變知識。

5 結 語

高校專業實驗室是進行實驗教學、培養高層次人才、進行科學研究和社會服務的重要基地。氣體液化實驗臺的引進，使石油院校建環專業實驗的項目更加完善。從以前驗證性和演示性實驗，變為引導學生獨立設計液化實驗，加深了學生對氣體液化知識的理解，培養了學生的創新意識和動手能力，同時也使學生對該專業的主干專業課“城市燃氣輸配”和專業限選課“LNG利用技術”中的氣體液化相關知識理解的更加透徹。通過利用現有的實驗設備氣相色譜儀和計算機自動配氣系統，為液化裝置的運行與優化提供了良好的技術支持，也使本科教學實驗向綜合性和設計性更邁進了一步。

[1] 唐建峰, 劉 楊, 朱 靜. 論石油院校建筑環境與設備工程專業實踐教學體系建設[J]. 中國石油大學學報(社會科學版), 2011, (增刊):168-170.

Jianfeng Tang, Yang Liu, Jing Zhu. Practical teaching system for building environment and facility engineering specialty of petroleum university [J]. Journal of China University of Petroleum (Edition of Social Sciences), 2011(Sup.): 168-170.

[2] 王志剛. 實施綠色低碳戰略 加快天然氣發展[J]. 當代石油化工, 2012(7):1-7.

Zhigang Wang. Implementing green and low-carbon strategy, accelerating natural gas development [J]. Petroleum & Petrochemical Today, 2012(7):1-7.

[3] 李兆慈，閆鳳元. 油氣儲運工程專業《LNG技術》實驗教學研究[J]. 教育教學論壇，2012(4):191-192.

Zhaoci Li, Fengyuan Yan. Study of experimental teaching system about LNG technology for oil and gas storage and transportation engineering [J]. Education Teaching Forum, 2012(4):191-192.

[4] 秦鋼年，黃大明，盧福寧, 等. 構建適應創新型人才培養的實驗教學體系[J]. 實驗室研究與探索，2012,31(1):101-104.

Gangnian Qin, Daming Huang, Funing Lu,etal. Construction of an experimental teaching system for cultivating adaptable and creative talents [J]. Research and Exploration in Laboratory, 2012,31(1):101-104.

[5] 顧安忠，石玉美，汪榮順. 天然氣液化流程及裝置[J]. 深冷技術，2003(1)：1-5.

Anzhong Gu, Yumei Shi, Rongshun Wang. Natural gas liquefaction processes and systems [J]. Cryogenic Technology, 2003(1): 1-5.

[6] 韓方珍，曹 詠，馮蜀茗，等. 中外高校實驗室安全管理現狀分析啟示與對策[J]. 實驗室研究與探索，2012,31(8):452-455.

Fangzhen Han, Yong Cao, Shuming Feng,etal. Analysis and strategies of laboratory safety management in universities at home and abroad [J]. Research and Exploration in Laboratory, 2012,31(8):452-455.

[7] 王保慶. 小型天然氣液化流程模擬及優化技術研究[D]. 上海：上海交通大學，2007.

[8] 林文勝，顧安忠，朱 剛. 天然氣液化裝置的流程選擇[J]. 真空與低溫，2001,7(2):105-109.

Wensheng Lin, Anzhong Gu, Gang Zhu. Selection for the process for liquefaction plants of natural gas [J]. Vacuum & Cryogenics, 2001,7(2):105-109.

[9] 魯 凱，鹿來運，張 鐠，等. 預冷式混合工質循環天然氣液化系統實驗及組分影響分析[J]. 低溫工程，2010,176(4):37-41.

Kai Lu, Laiyun Lu, Pu Zhang,etal. Experiment and composition analysis of pre-cooling mixed-refrigerant-cycle gas liquefaction system [J]. Cryogenics, 2010,176(4):37-41.

[10] 曹文勝，魯雪生，顧安忠，等. 小型撬裝式LNG裝置的流程模擬[J]. 化工學報，2006，57(6):1290-1295.

Wensheng Cao, Xuesheng Lu, Anzhong Gu,etal. Simulation of small-scale natural gas liquefaction flows in skid-mounted package [J]. Journal of Chemical Industry and Engineering (China), 2006，57(6):1290-1295.

[11] 曹文勝，魯雪生，石玉美，等. 小型天然氣液化流程[J]. 天然氣工業，2005,25(5):108-110.

Wensheng Cao, Xuesheng Lu, Yumei Shi,etal. Flow sheet of gas liquefaction with small scale [J]. Natural Gas Industry, 2005,25(5):108-110.

[12] 張愛民，陳光明，王 勤. 小型天然氣液化裝置的實驗研究[J]. 浙江工業大學(工學版)，2008,42(11):1973-1976.

Aimin Zhang, Guangming Chen, Qin Wang. Experimental study on a small-scale liquefied natural gas apparatus [J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2008,42(11):1973-1976.

[13] 賀天彪，巨永林. 小型撬裝式天然氣液化流程模擬與分析[J]. 低溫與超導，2013,41(5)：5-9.

Tianbiao He, Yonglin Ju. Simulation and analysis of liquefaction process for small-scale liquefied natural gas plants in skid-mounted packages [J]. Cryogenics and Superconductivity, 2013,41(5)：5-9.

[14] 張 鐠，鹿來運，郭開華，等. 小型混合工質循環氣體液化系統實驗及優化[J]. 制冷學報,2011,32(3): 48-52.

Pu Zhang, Laiyun Lu, Kaihua Guo,etal. Experiment and optimization of a small-scale mixed-refrigerant-cycle gas liquefaction system [J]. Journal of Refrigeration, 2011,32(3):48-52.

[15] 張維江，石玉美，汪榮順. 幾種國外新型的小型天然氣液化流程分析[J]. 低溫與超導，2008,36(5):60-63.

Weijiang Zhang, Yumei Shi, Rongshun Wang. Flow analysis on several kinds of foreign new small-scale natural gas liquefaction [J]. Cryogenics and Superconductivity, 2008,36(5):60-63.

[16] 劉燕妮，孫 標，楊國敏，等. 混合工質循環氣體液化系統組分測定方法研究[J]. 石油與天然氣化工，2011, 40(3):294-297.

Yanni Liu, Biao Sun, Guomin Yang,etal. Study on test method for composition in mixed refrigerant cycle gas liquefaction system [J]. Chemical Engineering of Oil and Gas, 2011, 40(3):294-297.