兩次節流循環在丙烯再液化系統中的熱力分析

童正明，祝佳棟，周 勃，賀軍成，包佳勇

● （上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

兩次節流循環在丙烯再液化系統中的熱力分析

童正明，祝佳棟，周 勃，賀軍成，包佳勇

● （上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093）

在傳統LPG船再液化系統中采用兩級壓縮一次節流中間不完全冷卻循環的基礎上提出了兩級壓縮兩次節流中間不完全冷卻的再液化循環。結合兩種節流方式的壓力—熱焓(p-h)圖進行了理論分析，并且基于丙烯液化石油氣船的實例，進行了兩種節流方式的熱力分析，計算出了再液化系統在一次節流和兩次節流時的單位制冷量、制冷系數、壓縮機功耗等一系列數據并進行了比較。結果表明，在相同條件下，兩次節流循環與一次節流循環相比，單位制冷量提高了1.66%，理論制冷系數提高了2.24%，壓縮機消耗的理論功率降低了2.19%。使用兩次節流的再液化系統可以減少設備的體積與重量，節約成本與船上有限的空間。

兩次節流循環；再液化系統；制冷系數；系統優化

0 引言

近年來，隨著LPG液化石油氣體船的大型化，船上液貨罐的蒸發氣體（boil of gas，BOG）再液化問題就越顯突出。再液化問題就是制冷技術在LPG液化氣船上的特殊應用，其系統流程基本采用兩級壓縮一次節流中間不完全冷卻循環[1]。目前在國內相關制冷技術方面的文獻中提出了采用兩次節流的方案，指出采用兩次節流不僅增加制冷效率、降低壓縮機功耗[2]，而且還減少了裝置的體積和重量[3]。雖然有相關文獻的支持，但兩次節流在 LPG液化石油氣體船再液化裝置方面涉及較少。本文將兩級壓縮兩次節流中間不完全冷卻循環運用到LPG液化石油氣體船再液化裝置中，通過熱力計算，以期得出在再液化裝置中兩次節流循環和一次節流循環相比的效果，以及制冷系數、壓縮機功耗等方面的變化規律。

1 兩種節流方式的理論分析

本文按容量 10000m3的丙烯運輸船的再液化系統的要求進行再液化工藝的熱力計算。已知每個罐的最大裝載率98%，丙烯運輸船再液化系統中的蒸發壓力p0=0.5MPa，設定整個循環的制冷量Q0=120kW，環境溫度為45℃，丙烯在環境溫度下所對應的壓力pk=1.843MPa[4]。

圖1為兩級壓縮一次節流中間不完全冷卻制冷循環。圖2為兩級壓縮兩次節流中間不完全冷卻制冷循環。

圖1 兩級壓縮中間不完全冷卻一級節流制冷循環的p-h圖

圖2 兩級壓縮兩次節流中間不完全冷卻制冷循環的p-h圖

設兩個循環中，有相同的冷凝壓力pk，相同的中間壓力pm，相同的蒸發壓力p0。低壓級壓縮機和高壓級壓縮機的制冷劑質量流量分別表示為qmD和qmG。參照圖1、2，以熱力學第一定律為基礎，可以得出兩級壓縮一次節流中間不完全冷卻循環制冷系數ε[5]為：

式中，y是高壓壓縮機同低壓壓縮機的制冷劑流量之比：

進而一次節流冷卻循環制冷系數ε為：

同樣，由圖2可以得出，兩級壓縮兩次節流中間不完全冷卻循環制冷系數ε0[5]為：

從圖1、2中可看出，一次節流時由于中間冷凝器中傳熱溫差的存在，造成h4(一次節流)＞h4′(兩次節流)。即兩次節流的單位制冷量大于一次節流的單位制冷量。從圖1、2也可發現，兩次節流時，高壓級壓縮機的流量大于一次節流的高壓級流量。因此，根據制冷系數的表達式，無法直接判斷兩次節流和一次節流中哪個制冷系數大[5]。

2 兩種節流方式的熱力計算與分析

設定兩種節流方式的低壓級壓縮機吸氣過熱度均為10℃。一次節流循環中，中間冷卻器出口的丙烯液態溫度比中間溫度高5℃。

2.1 兩級壓縮兩次節流中間不完全冷卻

pk=1.843MPa，p0=0.5MPa。當p0=0.5MPa時，查丙烯的物性參數表得h0=572.8564kJ/kg，h1=580.9292kJ/kg，h8=610.5181 kJ/kg，h9=h10=319.1407kJ/kg。

2.1.1 確定中間溫度和壓力[5]

查丙烯的物性參數表得tm′=17.7788℃。在17.7788℃上下取若干個數值：16、17、18、19、20、21、22、23℃。

式中，qmD為低壓級壓縮機流量，kg/s；qmG為高壓級壓縮機流量，kg/s；POD為低壓級壓縮機理論功率，kW；POG為高壓級壓縮機理論功率，kW。按制冷系數最大確定最佳中間溫度。具體計算結果見表1。

由表1可見，制冷系數在21～22℃最大。取tm=21.5℃，pm=1.0569MPa。各狀態點的參數見表2。

表1 不同溫度下各狀態點的參數值及相應的制冷系數

表2 一次節流時最佳中間溫度下各狀態點的參數值

2.1.2 熱力計算[5]

1）單位制冷量：

2）低壓級制冷劑循環量：

3）低壓級壓縮機體積流量：

4）低壓級壓縮機理論排量：

(λD為低壓級壓縮機輸氣系數，λD=0.753)

5）低壓級壓縮機理論比功：

6）低壓級壓縮機理論功率：

7）高壓級制冷劑循環量：

8）高壓級壓縮機理論排量：

式中，λG為高壓級壓縮機輸氣系數，λG=0.792。

9）高壓級壓縮機理論比功：

10）高壓級壓縮機理論功率：

11）制冷系數：

12）循環的高低壓級理論排量比：

2.2 兩級壓縮一次節流中間不完全冷卻

2.2.1 確定中間溫度和壓力[5]

同樣在17.7788℃上下取若干個數值15、16、17、18℃、19、20、21、22℃。按制冷系數最大的確定最佳中間溫度tm=18.5℃，即所對應的最佳中間壓力Pm=0.9783MPa。此時各狀態點的參數見表3。

表3 兩次節流時最佳中間溫度下各狀態點的參數值

2.2.2 熱力計算[5]

1）單位制冷量：

2）低壓級制冷劑循環量：

3）低壓級壓縮機體積流量：

4）低壓級壓縮機理論排量：

式中，λD為低壓級壓縮機輸氣系數，λD=0.753。

5）低壓級壓縮機理論比功：

6）低壓級壓縮機理論功率：

7）高壓級制冷劑循環量：

8）高壓級壓縮機理論排量：

式中，λG為高壓級壓縮機輸氣系數，λG=0.792。

9）高壓級壓縮機理論比功：

10）高壓級壓縮機理論功率：

11）制冷系數：

12）循環的高低壓級理論排量比：

2.3 熱力計算結果分析

通過對兩種節流方式的熱力計算可知，兩次節流與一次節流相比，其單位制冷量提高了1.66%，理論制冷系數提高了2.24%，壓縮機的功率降低了2.19%，低壓級的理論排量與高壓級的理論排量分別降低了1.62%、7.59%，證明采用兩級壓縮兩次節流中間不完全冷卻循環比兩級壓縮一次節流中間不完全冷卻循環更加節能。結果見表4。

表4 兩種節流方式的熱力計算結果對比

采用兩級壓縮一次節流中間不完全冷卻循環時需要增加丙烯的過冷度，一般增加工質的過冷度是通過加大冷凝器換熱面積來實現的，不僅增加成本，而且也增加了設備的體積和重量[6-7]。而采用兩級壓縮兩次節流中間不完全冷卻循環時無需增加丙烯的過冷度，而且從表4的對比中可以看出采用兩次節流時高、低壓級壓縮機的排量都有所減少。因此，采用兩次節流可以降低該再液化設備的體積與重量，節約船上有限的空間。

采用兩級壓縮一次節流中間不完全冷卻循環時需要增加丙烯的過冷度，一般增加工質的過冷度是通過加大冷凝器換熱面積來實現的，不僅增加成本，而且也增加了設備的體積和重量[6-7]。而采用兩級壓縮兩次節流中間不完全冷卻循環時無需增加丙烯的過冷度，而且從表4的對比中可以看出，采用兩次節流時高、低壓級壓縮機的排量都有所減少。因此，采用兩次節流可以降低該再液化設備的體積與重量，節約船上有限的空間。

應該指出的是，采用兩級節流時，中間冷卻器應靠近蒸發器。因為從中間冷卻器中出來的液體是飽和液體，流動中有阻力損失，會產生閃發氣體，減小進入膨脹閥的液體量，會存在供液不足的現象[8-9]。

3 結論

1）相同條件下，丙烯液化石油氣船再液化系統中兩次節流循環與一次節流循環相比，單位制冷量提高了1.66%，理論制冷系數提高了2.24%。

2）相同條件下，采用兩次節流循環與一次節流循環相比，壓縮機消耗的功率降低了2.19%，高低壓級壓縮機的理論排量都有所降低。

3）丙烯液化石油氣船再液化系統中采用兩級壓縮兩次節流中間不完全冷卻循環時可以減少設備的體積與重量，節約成本與船上有限的空間。

[1] 朱剛, 魯雪生. 半冷半壓式液化石油氣船再液化裝置研究[J]. 低溫工程, 1999, 11 (4): 310-314.

[2] 張建一, 陳海洋. 兩次節流循環在氨制冷系統的效率分析[J]. 制冷技術, 2012, 40(7): 59-62.

[3] 聶金良, 吳加生. 兩次節流再冷卻裝置在空調上的運行研究[J]. 電器, 2012(增刊): 323-328.

[4] 黎志昌. LNG船BOG再液化工藝流程模擬與優化的研究[D]. 廣州: 華南理工大學, 2011.

[5] 鄭賢德. 制冷原理與裝置[M]. 北京: 機械工業出版社, 2007.

[6] 黎志昌, 方江敏, 馬四朋. LPG船用BOG再液化裝置工藝流程模擬與優化[J]. 低溫工程, 2014(4):62-68.

[7] 代乾, 李品友. 低溫液化氣船再液化原理及再液化裝置概述[J]. 深冷技術, 2005(1): 6-9.

[8] 盛健, 李蕊, 申曉宇, 等. 兩級壓縮制冷循環熱力分析[J]. 制冷與空調, 2008(5): 100-103.

[9] 王秀松, 張玉敏. 氨雙級壓縮二次節流制冷系統的節能分析[J]. 冷藏技術, 1988(1): 19-25.

Thermodynamic Analysis on Two Throttle Cycles in Propylene Re-liquefaction System

TONG Zheng-ming, ZHU Jia-dong, ZHOU Bo, HE Jun-cheng, BAO Jia-yong

(School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

On the basis of two stages compression with one throttle incomplete intermediate cooling system in the traditional LPG ship reliquefaction system, the two stages compression with two throttles incomplete intermediate cooling reliquefaction system are proposed. Combining the pressure-enthalpy (p-h) map of the two kinds of throttles, the theoretical analysis is carried out. And based on a case of liquefied petroleum gas ship of propylene, the thermal analysis of two kinds of throttles is carried out. The refrigeration capacity, refrigeration coefficient, compressor power consumption and so on are calculated. The results show that under the same conditions, the two throttles cycle compared with a throttle cycle, the refrigerating capacity of unit is increased by 1.66%, theoretical refrigeration coefficient increases by 2.24%, and the theoretical power of compressor consumption decreases 2.19%.The reliquefaction system of two throttles can reduce the volume and weight of the equipment, and save the cost and the limited space of ships.

two throttles cycles; re-liquefaction system; refrigeration coefficient; system optimization

TK123

A

童正明（1955-），男，教授，主要研究方向為制冷與低溫技術、換熱器性能測試、過程裝備系統集成。