丙烷制冷系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用及效果分析

方曉慶 莊學(xué)武（大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司）

丙烷制冷單元是天然氣淺冷處理裝置的核心單元，決定了裝置的制冷溫度，而丙烷壓縮機(jī)的電耗一般也占到整套淺冷裝置電耗的15%以上。天然氣分公司現(xiàn)有9套丙烷壓縮制冷系統(tǒng)在運(yùn)，其中4 套用于淺冷裝置，采取技術(shù)措施降低丙烷壓縮機(jī)的能耗，對于降低裝置運(yùn)行成本具有現(xiàn)實意義；但同時必須保證制冷系統(tǒng)所提供冷量的數(shù)量和品位，否則將會影響裝置的制冷溫度。

1 丙烷制冷系統(tǒng)能耗影響因素分析

1.1 丙烷制冷系統(tǒng)簡介

目前，丙烷制冷機(jī)組普遍采用的工藝流程（圖1）是：丙烷蒸發(fā)器中的氣態(tài)丙烷由丙烷壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，在壓縮機(jī)出口油分離器中分離出機(jī)油后，去水冷冷凝器冷凝成液態(tài)丙烷，冷凝后高壓液態(tài)丙烷經(jīng)節(jié)流膨脹后進(jìn)入經(jīng)濟(jì)器。經(jīng)濟(jì)器中的氣態(tài)丙烷返回壓縮機(jī)中段進(jìn)一步進(jìn)行壓縮；液態(tài)丙烷經(jīng)過控制蒸發(fā)器液位的調(diào)節(jié)閥進(jìn)入蒸發(fā)器，氣化變成氣態(tài)丙烷，吸收天然氣的熱量；丙烷在制冷系統(tǒng)內(nèi)部如此反復(fù)循環(huán)，不斷吸收天然氣的熱量，從而達(dá)到制冷的目的。其中，丙烷壓縮機(jī)是丙烷壓縮制冷系統(tǒng)的主要能耗設(shè)備。

如果忽略管線和靜設(shè)備壓降，壓縮制冷循環(huán)在壓焓圖上如圖2所示。1-2線段表示氣態(tài)冷劑在壓縮機(jī)中的壓縮過程，近似地沿等熵線進(jìn)行；2-2′-3′-3線段表示冷劑在冷凝器中的冷凝過程，為等壓過程；3-4線段表示冷劑節(jié)流膨脹過程，為等焓過程；4-1線段表示冷劑在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)過程，為等壓過程[1]（圖2）。

圖1 丙烷壓縮制冷循環(huán)流程示意圖

圖2 壓縮制冷循環(huán)在壓焓圖上的示意

設(shè)系統(tǒng)循環(huán)的冷劑量為qm，整個制冷循環(huán)中所需要的壓縮機(jī)功耗為

制冷系統(tǒng)所提供的制冷量為

由制冷系數(shù)的定義可知

由上述公式（1）~（3）可知，冷劑循環(huán)量壓縮機(jī)入口壓力和壓縮機(jī)出口壓力共同影響了壓縮機(jī)的能耗和制冷量。

1.2 降低制冷壓縮機(jī)能耗的措施分析

從制冷循環(huán)的壓焓圖中可以看出，降低冷劑循環(huán)量、提高壓縮機(jī)入口壓力或降低壓縮機(jī)出口壓力均可以降低壓縮機(jī)的能耗。

當(dāng)其他參數(shù)不變，降低冷劑的循環(huán)量，制冷壓縮機(jī)的能耗成比例下降，但制冷系統(tǒng)所提供的冷量也成比例下降。降低了制冷系統(tǒng)的制冷能力，致使裝置的制冷溫度升高，因此，采用此措施降低制冷壓縮機(jī)能耗不可取。

當(dāng)其他參數(shù)不變，提高壓縮機(jī)入口壓力，制冷壓縮機(jī)的能耗下降，制冷系統(tǒng)所提供的冷量也增加，制冷系數(shù)升高。但提高了壓縮機(jī)入口壓力，即提高了蒸發(fā)器中冷劑蒸發(fā)壓力，相應(yīng)的冷劑蒸發(fā)溫度會升高，無法將天然氣冷卻到所需要的溫度，因此，采用此措施降低制冷壓縮機(jī)的能耗不可取。

當(dāng)其他參數(shù)不變，降低壓縮機(jī)出口壓力，制冷壓縮機(jī)的能耗下降，制冷系統(tǒng)所提供的冷量不變，制冷系數(shù)升高。采用降低壓縮機(jī)出口壓力的措施既可以降低壓縮機(jī)的能耗，又會造成裝置的制冷溫度升高，因此，采用此措施降低制冷壓縮機(jī)的能耗可行。

在丙烷制冷系統(tǒng)中，丙烷壓縮機(jī)的出口壓力近似等于丙烷冷凝器中的丙烷壓力，即丙烷的冷凝壓力。此壓力與丙烷的冷凝溫度為一一對應(yīng)關(guān)系，降低丙烷的冷劑溫度即可降低丙烷的冷凝壓力，進(jìn)而降低壓縮機(jī)出口壓力。

模擬計算表明（圖3），丙烷壓縮機(jī)的能耗近似與丙烷的冷凝溫度成線性關(guān)系，當(dāng)提供的制冷量相同時，隨著丙烷冷凝溫度的降低，壓縮機(jī)所需做的功也相應(yīng)降低。當(dāng)冷凝溫度由35 ℃降至25 ℃時，每100M cal制冷量丙烷機(jī)所需做的有用功由59.80 kW 降至47.66kW ，可降低25.4%。

大慶地區(qū)的平均氣溫較低，對現(xiàn)有丙烷冷卻系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，充分利用天然冷量源，降低丙烷的冷凝溫度，將有利于降低丙烷制冷系統(tǒng)的電耗，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

圖3 壓縮機(jī)做功隨丙烷冷凝溫度變化曲線

2 丙烷制冷系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

天然氣分公司有1套淺冷裝置，丙烷制冷系統(tǒng)采用循環(huán)水冷卻，丙烷的冷凝溫度全年在35 ℃左右，無法有效利用大慶地區(qū)天然冷量，進(jìn)一步降低丙烷的冷凝溫度。因此，對現(xiàn)制冷系統(tǒng)進(jìn)行了改造（圖4），新增蒸發(fā)空冷與原水冷器串聯(lián)運(yùn)行，停運(yùn)原水冷器循環(huán)水，原水冷器僅作為容器，采用表面蒸發(fā)式空冷器冷卻丙烷。

圖4 改造流程示意圖

夏季，壓縮后的丙烷氣體只用表面蒸發(fā)空冷器冷卻；春秋季和冬季，壓縮后的丙烷氣體經(jīng)過表面蒸發(fā)式空冷器（不噴淋水），利用空氣冷卻，用風(fēng)機(jī)開啟的臺數(shù)和風(fēng)機(jī)電動機(jī)的變頻設(shè)施控制丙烷的出口溫度。

3 丙烷制冷系統(tǒng)節(jié)能效果分析

3.1 丙烷制冷機(jī)節(jié)能效果預(yù)測

改造前后（2010年和2011年）該淺冷裝置相同運(yùn)行季節(jié)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)見表1。

由表1可知，與去年同期相比，在循環(huán)水冷完全停運(yùn)，表面蒸發(fā)空冷器投用后，取得了較好的冷卻效果，丙烷壓縮機(jī)出口的壓力由1 207.73kPa下降至1 055.67kPa；丙烷的冷凝溫度由37.5 ℃下降到32.36℃，平均下降了5.14 ℃。處理萬立方米氣耗電由377.45 kW h下降至342.83 kW h，下降了9.172%；平均每下降1 ℃，處理萬立方米氣丙烷壓縮機(jī)電耗下降約1.784個百分點。

表1 淺冷裝置丙烷制冷系統(tǒng)丙烷壓縮機(jī)出口壓力變化情況

該淺冷裝置丙烷壓縮機(jī)出口壓力要求控制在680~1500kPa，改造后各季節(jié)丙烷的冷卻溫度及丙烷壓縮機(jī)的電耗與先前對比情況預(yù)測見表2。

表2 投運(yùn)表面蒸發(fā)空冷器前后丙烷壓縮機(jī)運(yùn)行參數(shù)變化情況預(yù)測

由表2可知，與投運(yùn)表面蒸發(fā)空冷器前對比，預(yù)計丙烷壓縮機(jī)年可節(jié)電82.77×104kW h，電消耗量約降低20%。

3.2 表面蒸發(fā)空冷器耗電、耗水預(yù)測

表面蒸發(fā)空冷器所配風(fēng)機(jī)3臺，額定功率為5.5kW ；循環(huán)水泵為2臺，一開一備，單臺功率為7.5 kW 。根據(jù)電動機(jī)效率現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)、大慶地區(qū)氣溫情況和表2中預(yù)測的丙烷冷凝溫度，預(yù)測1年中空冷器風(fēng)機(jī)耗電5.08×104kW h，水泵耗電1.02×104kW h，設(shè)備耗水3312.3t。

根據(jù)標(biāo)定結(jié)果，丙烷冷凝器消耗水145.9t/h，改造后年降低循環(huán)水消耗120.45×104t。

3.3 降低操作費(fèi)用

按照電價0.574 7元/kW h，新鮮水價4.75元/t，循環(huán)水價0.35元/t計算，則年降低操作費(fèi)用84.65×104元

4 結(jié)論及認(rèn)識

1）在冷劑壓縮制冷系統(tǒng)中，降低壓縮機(jī)出口冷劑冷凝溫度既可以降低制冷壓縮機(jī)的能耗，又不會造成制冷溫度升高。

2）采用表面蒸發(fā)空冷替代了原水冷，能夠更好地利用大慶地區(qū)自然冷量，降低丙烷的冷凝溫度，進(jìn)而降低丙烷壓縮機(jī)的能耗。

3）表面蒸發(fā)空冷系統(tǒng)可以替代原循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，具有較好的節(jié)電、節(jié)水效果。應(yīng)用淺冷裝置丙烷制冷系統(tǒng)后，預(yù)計全年可節(jié)電76.67×104kW h，年降低循環(huán)水消耗120.45×104t，年降低操作費(fèi)用84.65萬元。

4）該技術(shù)節(jié)能效果明顯，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

[1]羅光熹,周安.天然氣加工過程原理與技術(shù)[M].哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社,1990:316-319.