三元制冷系統(tǒng)分析

張小鋒，馮霄（中國(guó)石油大學(xué)(北京)新能源研究院，北京 102249）

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張小鋒，馮霄
（中國(guó)石油大學(xué)(北京)新能源研究院，北京 102249）

摘要：乙烯裝置產(chǎn)品分離過(guò)程需要在低溫下進(jìn)行，為此需配置壓縮制冷系統(tǒng)為深冷分離提供冷量。三元壓縮制冷由于能提供溫位連續(xù)的制冷曲線，與工藝物流降溫曲線更好地匹配，相比傳統(tǒng)的復(fù)疊制冷具有熱力學(xué)效率高、制冷能耗低的特點(diǎn)。為了分析三元壓縮制冷的節(jié)能潛力，本文對(duì)某乙烯裝置的三元制冷系統(tǒng)進(jìn)行了?分析。從?總復(fù)合曲線（EGCC）圖的分析可以得出該系統(tǒng)三元冷劑配置是比較合理的，?損失較小。將該制冷系統(tǒng)劃分為換熱器、壓縮機(jī)、節(jié)流閥、閃蒸罐等子系統(tǒng)，并分別計(jì)算了各子系統(tǒng)的?損失。三元制冷系統(tǒng)的?損失總計(jì)為24238.1kW，90%?損失集中在換熱器和壓縮機(jī)兩個(gè)子系統(tǒng)。然后將?損失分為可避免的和不可避免的?損失兩類，其中不可避免的?損失為13539.9kW，可避免的?損失為10698.2kW，最后指出節(jié)能重點(diǎn)應(yīng)該放在降低可避免的?損失。

關(guān)鍵詞：系統(tǒng)工程；?；優(yōu)化設(shè)計(jì)；夾點(diǎn)技術(shù)；乙烯；三元制冷

第一作者：張小鋒（1986—），男，碩士研究生。聯(lián)系人：馮霄，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域?yàn)檫^(guò)程系統(tǒng)工程。E-mail xfeng@mail. xjtu. edu.cn。

乙烯深冷分離過(guò)程需要將裂解氣從常溫冷卻到?165℃左右，以分離出甲烷、氫氣、乙烯、丙烯等產(chǎn)品。在此過(guò)程中需要使用制冷系統(tǒng)提供大量的不同等級(jí)的冷量，乙烯專利商都開(kāi)發(fā)出了自己的制冷工藝技術(shù)并申請(qǐng)了專利。雖然各個(gè)公司開(kāi)發(fā)的制冷工藝流程各不相同，但可以按照制冷介質(zhì)組成及制冷循環(huán)類別歸為3類：復(fù)疊制冷，二元制冷，三元制冷。3種制冷工藝各有優(yōu)缺點(diǎn)，復(fù)疊制冷采用純組分物質(zhì)作為制冷劑，表現(xiàn)為操作調(diào)節(jié)穩(wěn)定，但是熱力學(xué)效率較低；二元冷劑與純組分冷劑相比，理論上具有熱力學(xué)效率高的優(yōu)點(diǎn)，但是二元制冷對(duì)冷量的匹配要求較高，換熱過(guò)程中氣相比例較大，需要較大冷箱換熱面積較大；三元冷劑盡管熱力學(xué)效率較高，但操作調(diào)節(jié)復(fù)雜，系統(tǒng)調(diào)節(jié)波動(dòng)較大，因此工業(yè)乙烯裝置的生產(chǎn)應(yīng)用較晚。2004年我國(guó)齊魯石化公司改造項(xiàng)目中，三元制冷在工業(yè)上首次用于乙烯裝置[1]。

三元制冷技術(shù)使用甲烷、乙烯、丙烯按一定配比組成的混合物作為制冷工質(zhì)，通常摩爾比為1∶1∶8，使用壓縮機(jī)將冷劑壓縮，通過(guò)逆卡諾循環(huán)為深冷分離過(guò)程提供冷量。相對(duì)于傳統(tǒng)的復(fù)迭制冷技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：①節(jié)省設(shè)備占地面積小、投資低，一套三元制冷壓縮機(jī)取代了傳統(tǒng)的丙烯、乙烯、甲烷三套系統(tǒng)，減少了設(shè)備臺(tái)數(shù)，減少了占地空間，降低設(shè)備投資，特別適用于裝置改造；②熱力學(xué)效率高，裂解氣冷卻過(guò)程的物流冷卻曲線是連續(xù)平滑的，而單組分冷劑供冷曲線則是非連續(xù)、級(jí)躍式的，傳熱不可逆性大，能量利用率不高，而混合冷劑能提供溫度連續(xù)的冷量，與物料的冷凝曲線更好的匹配，減小了平均換熱溫差，提高了能量利用效率[1]。

夾點(diǎn)技術(shù)是一項(xiàng)非常成熟的節(jié)能改造工具，用于換熱網(wǎng)絡(luò)的分析與改造時(shí)非常切實(shí)可行，但是對(duì)于以分析和優(yōu)化包括壓縮機(jī)或者透平機(jī)等的系統(tǒng)時(shí)則顯不足。另一方面，?分析可以從能量利用的質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，幫助找到整個(gè)系統(tǒng)中用能不合理之處以及節(jié)能潛力最大之處，且可以分析各種用能過(guò)程。因此?分析對(duì)制冷系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估是一個(gè)很有力的工具。相比于夾點(diǎn)技術(shù)，?分析雖然可以給出改進(jìn)方向，卻不能給出清楚明確的改造方案。對(duì)于即含有換熱過(guò)程，又含有壓縮機(jī)或者透平機(jī)做功過(guò)程的一類裝置，將夾點(diǎn)技術(shù)與?分析結(jié)合起來(lái)，既能找出熱力學(xué)不合理之處，又能給出改造指導(dǎo)。

LINNHOFF和DHOLE[2]基于夾點(diǎn)技術(shù)引入了?復(fù)合曲線（ECC）、?總復(fù)合曲線（EGCC）等概念，將夾點(diǎn)分析與?分析結(jié)合起來(lái)。許多學(xué)者均使用這種方法對(duì)此類過(guò)程進(jìn)行分析改造。KAUSHIK 等[3]對(duì)一個(gè)火電廠進(jìn)行了能量分析與?分析的對(duì)比，闡明了火電廠節(jié)能改造的方向。HACKL等[4]對(duì)一個(gè)化工區(qū)域進(jìn)行全局的能量與?分析，通過(guò)降低?損失，減少了公用工程，降低了制冷壓縮機(jī)的功耗。MARéCHAL等[5]使用夾點(diǎn)與?分析結(jié)合的方法對(duì)一個(gè)能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的集成進(jìn)行了優(yōu)化。GHORBANI等[6]使用了夾點(diǎn)分析與?分析結(jié)合的方法對(duì)LNG回收裝置的制冷循環(huán)進(jìn)行模擬優(yōu)化。ASPELUND等[7]使用擴(kuò)展的夾點(diǎn)分析設(shè)計(jì)（ExPAnD）與?計(jì)算分析相結(jié)合，通過(guò)使用過(guò)程物流的壓縮與膨脹過(guò)程生產(chǎn)出過(guò)程所需的冷卻公用工程，可以降低低溫系統(tǒng)的能耗。RAEI[8]結(jié)合夾點(diǎn)技術(shù)與?分析對(duì)復(fù)疊制冷系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過(guò)優(yōu)化配置不同的冷劑等級(jí)減少?損失，降低制冷壓縮機(jī)功耗。ATAEI[9]結(jié)合夾點(diǎn)與?分析對(duì)烯烴裝置復(fù)疊制冷進(jìn)行了分析，通過(guò)冷卻公用工程的配置，減少系統(tǒng)?損失，降低了壓縮機(jī)功耗。此外還有其他一些學(xué)者使用這種分析方法對(duì)一些制冷裝置進(jìn)行能量與?的計(jì)算與分析，但文獻(xiàn)主要集中在LNG制冷[10-11]與復(fù)疊制冷[12-13]。對(duì)于乙烯裝置使用三元制冷技術(shù)的直到2004年才實(shí)現(xiàn)工業(yè)首次應(yīng)用，實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中也產(chǎn)生很多設(shè)計(jì)，操作問(wèn)題[14-15]。對(duì)乙烯裝置三元制冷系統(tǒng)的分析與優(yōu)化，更由于缺少實(shí)際數(shù)據(jù)，此類文獻(xiàn)極少。

乙烯裝置自身深冷分離系統(tǒng)已經(jīng)很復(fù)雜，將三元制冷應(yīng)用于乙烯裝置對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格的模擬計(jì)算已經(jīng)很難使流程收斂，若調(diào)整過(guò)程參數(shù)進(jìn)行模擬優(yōu)化就更加困難，本文僅對(duì)某套乙烯裝置深冷分離與三元制冷系統(tǒng)進(jìn)行模擬，使用夾點(diǎn)與?分析結(jié)合的方法，找出過(guò)程的?損失較大及可以改進(jìn)之處。FENG 等[16]指出傳統(tǒng)的?分析雖然能夠提供裝置節(jié)能潛力的信息，但不能夠指出這些節(jié)能潛力是不是在設(shè)備工藝或者經(jīng)濟(jì)性方面具有可行性。因此將?損失分為可以避免的損失和不可避免的損失，并且定義了計(jì)算方法，指出節(jié)能改造應(yīng)減少可避免的?損失。FENG[17]、DURMAYAZ[18]等對(duì)火電廠的不同類型的?損失進(jìn)行了分析。本文在對(duì)乙烯三元制冷?分析的基礎(chǔ)上，對(duì)?損失的進(jìn)行區(qū)別分析，分別計(jì)算出系統(tǒng)的可避免?損和不可避免?損，找出節(jié)能潛力的切實(shí)可行之處。

1 流程簡(jiǎn)介

三元制冷系統(tǒng)給該裝置的分離部分提供所有冷量，工藝過(guò)程如圖1所示。冷劑為甲烷、乙烯和丙烯的混合物，帶有少量氫氣（摩爾分?jǐn)?shù)少于0.2%）。三元冷劑系統(tǒng)是一個(gè)密閉循環(huán)系統(tǒng)。?37℃、0.111MPa的混合冷劑從三元致冷壓縮機(jī)一段吸入，?6℃、0.628MPa的混合冷劑從二段吸入，從二段排出的冷劑經(jīng)過(guò)段間冷卻后與一部分降壓蒸發(fā)汽化后的重冷劑混合進(jìn)入三段吸入罐。三段吸入罐的物料一部分進(jìn)入壓縮機(jī)三段繼續(xù)壓縮，另一部分回收分離過(guò)程工藝物流冷量后進(jìn)入重三元2#冷劑累積罐進(jìn)行氣液分離。2#冷劑累積罐的液相通過(guò)回收乙烷產(chǎn)品冷量進(jìn)一步冷卻，然后與來(lái)自冷箱過(guò)冷來(lái)的冷劑匯合為乙烯精餾塔提供冷量，冷劑降壓蒸發(fā)汽化進(jìn)入一段吸入罐；氣相與另一股過(guò)冷冷劑匯合冷凝低壓脫丙烷塔頂物流，然后進(jìn)入二段吸入罐。壓縮機(jī)三段排出的冷劑首先用循環(huán)冷卻水冷卻，進(jìn)入1#冷劑累積器中進(jìn)行氣液分離，液相一部分為甲烷化反應(yīng)器出料，堿洗塔塔頂裂解氣等提供冷量，汽化后進(jìn)入三段吸入罐；另一部分回收外送乙烯冷量后為裝置提供冷箱部分提供更低溫度的冷量；VB-465頂出來(lái)的氣相冷劑進(jìn)入冷箱被冷卻，由其自身、氫氣和甲烷尾氣來(lái)進(jìn)一步過(guò)冷至?126.6℃為裝置提供溫度最低等級(jí)冷量，汽化后進(jìn)入一段吸入罐。

該乙烯裝置采用前脫丙烷前加氫工藝，C4組分不進(jìn)入深冷分離系統(tǒng)，能夠降低分離所需冷量。裂解氣經(jīng)裂解氣壓縮機(jī)一至四段的壓縮后，進(jìn)入高壓脫丙烷塔，塔頂分離出部分C3組分和全部C2組分以下的輕組分，經(jīng)加熱后進(jìn)入C2加氫系統(tǒng)脫除全部的乙炔及大部分的丙炔丙二烯混合物（MAPD），送入前冷脫甲烷系統(tǒng)；高壓脫丙烷塔塔釜物料進(jìn)入低壓脫丙烷塔分離，C3組分在低壓脫丙烷塔塔頂被分離出來(lái)作為高低壓脫丙烷塔的回流，塔釜分離出C4以上重組分送往脫丁烷塔進(jìn)行分離，脫丁烷塔頂分離出碳四產(chǎn)品，塔釡分離出粗裂解汽油。在前冷脫甲烷系統(tǒng)，深冷分離出來(lái)的粗氫和甲烷，脫甲烷塔塔釜的C2組分送往脫乙烷塔。在脫乙烷塔，塔頂分離出C2組分送入乙烯精餾塔，分離出乙烯和乙烷產(chǎn)品，塔釡分離出C3組分進(jìn)入C3加氫系統(tǒng)進(jìn)行加氫脫除MAPD，再進(jìn)入丙烯精餾系統(tǒng)，丙烯精餾系統(tǒng)分離出聚合級(jí)丙烯產(chǎn)品和丙烷產(chǎn)品。乙烯裝置分離工藝流程如圖2所示。

?被定義為一個(gè)系統(tǒng)達(dá)到環(huán)境溫度參考態(tài)時(shí)所能對(duì)外做的最大有用功，一條物流的?包括物理?、動(dòng)能?、勢(shì)能?、化學(xué)?四部分組成。在一個(gè)換熱系統(tǒng)中，動(dòng)能?、勢(shì)能?變化很小可以忽略，又因?yàn)橄到y(tǒng)沒(méi)有化學(xué)反應(yīng)，所以其化學(xué)?也可以忽略，只需考慮物理?。?的可以通過(guò)式(1)計(jì)算。

圖1 三元制冷工藝流程簡(jiǎn)圖

式中，H、S代表物流在溫度T時(shí)的焓值（kW）與熵值（kW/K）；T0為環(huán)境溫度，K；T為物流溫度，K；H0、S0代表物流在環(huán)境狀態(tài)下的焓值（kW）與熵值（kW/K）。對(duì)于一個(gè)過(guò)程從狀態(tài)1變化到狀態(tài)2，其?變化可以用式(2)計(jì)算。

圖2 乙烯裝置分流流程簡(jiǎn)圖

在換熱網(wǎng)絡(luò)中，物流的?可以用式(3)計(jì)算。

式(4)中，ηC為卡諾因子，復(fù)合曲線（CC）和總復(fù)合曲線（GCC）圖基于卡諾因子而被轉(zhuǎn)變成擴(kuò)充復(fù)合曲線（ECC）、擴(kuò)充總復(fù)合曲線（EGCC）圖，從圖上可以非常直觀地得到過(guò)程的?損失。

提取分離過(guò)程工藝物流共29股，作出工藝物流EGCC曲線；再提取冷卻公用工程數(shù)據(jù)，冷卻公用工程包括兩部分，一部分是循環(huán)水，一部分為冷劑，并將循環(huán)水、冷劑EGCC曲線與物流EGCC曲線相互匹配，結(jié)果如圖3。

從圖3中可以看出，冷劑配置相當(dāng)合理，在40℃以上物流配置了循環(huán)水冷卻。口袋內(nèi)物流配置了合理的冷劑對(duì)口袋冷量進(jìn)行回收利用；在水平線部分冷劑配置與工藝物流線溫差合理且基本恒定；?60℃以下部分，冷劑配置曲線依然與工藝物流曲線非常接近。從EGCC圖上可以總結(jié)出，此套乙烯裝置的冷劑配置合理，完全體現(xiàn)出了三元冷劑相比復(fù)疊制冷的優(yōu)勢(shì)，降低了換熱網(wǎng)絡(luò)的平均溫差，減小了?損失。圖中顯示了換熱網(wǎng)絡(luò)的?損失，但完整的制冷系統(tǒng)，應(yīng)包含換熱器、壓縮機(jī)、節(jié)流閥、閃蒸罐4個(gè)重要部分，因此可以通過(guò)使用Aspen模擬計(jì)算分析其他部分的?損失。

圖3 工藝物流與冷劑配置EGCC

FENG等[16]指出傳統(tǒng)的?分析雖然能夠提供裝置節(jié)能潛力的信息，但不能夠指出這些節(jié)能潛力是不是在設(shè)備工藝或者經(jīng)濟(jì)性方面具有可行性。因此將?損失分為可以避免的損失和不可避免的損失，并且定義了計(jì)算方法，指出節(jié)能改造應(yīng)減少可避免的?損失。FENG[17]、DURMAYAZ[18]等對(duì)火電廠的不同類型的?損失進(jìn)行了分析，如下定義了系統(tǒng)過(guò)程中一些設(shè)備的不可避免的?損失，見(jiàn)式(5)～式(8)。

2.2.1 壓縮機(jī)

式中，INE為不可避免?損失，kW；T0代表環(huán)境溫度，K；ΔSmin代表目前技術(shù)性經(jīng)濟(jì)性可行的條件下，壓縮機(jī)最大效率ηCmax時(shí)被壓縮物流產(chǎn)生的熵增，kW/K。本文使用壓縮機(jī)ηCmax為0.9時(shí)[16]計(jì)算出了壓縮機(jī)三段的?損失和不可避免的?損失如表1。

表1 壓縮機(jī)損失

表1 壓縮機(jī)損失

壓縮機(jī) 總?損失/kW 不可避免?損失/kW 可避免?損失/kW一段 　4060.3 　3304.5 　755.8二段 　2200.6 　1752.4 　448.2三段 　4274.3 　3340.5 　933.8

從所得數(shù)據(jù)看出，壓縮機(jī)一段和三段?損失相比于二段比較高，原因在于壓縮比較大，壓縮物流流量大。總?損失10535 kW，但受限于壓縮機(jī)的等熵效率的提高，其可避免的?損失僅為2137.8kW。

2.2.2 換熱器

式中，Q代表?yè)Q熱器熱負(fù)荷，kW；THM代表熱物流的熱力學(xué)平均溫度，K；TCM代表冷物流的熱力學(xué)平均溫度，k；n代表流率，kg/s；P代表壓力，Pa；δP代表壓降，Pa；下角標(biāo)C、H分別代表冷熱物流[19]。換熱器包括雙股對(duì)流換熱器和冷箱兩種，在冷箱中會(huì)有多達(dá)8股以上物流相互換熱，冷流熱流進(jìn)出口溫度基本一致，由于冷劑溫度越低其價(jià)值越高，溫度較低的物流換熱溫差應(yīng)該較小，因此在設(shè)定最小換熱溫差計(jì)算不可避免?損失時(shí)，可以分段設(shè)定，?50℃以上溫度區(qū)間取ΔTmin=10℃；?50～?100℃溫度區(qū)間取ΔTmin=5℃；?100℃以下溫度區(qū)間取ΔTmin=3℃；同時(shí)因?yàn)閾Q熱器壓降基本在10kPa左右，相比于物流壓力非常小，在計(jì)算過(guò)程中為簡(jiǎn)化忽略壓降δP。計(jì)算結(jié)果如表2所示。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，各種類型換熱設(shè)備的?總損失是最高的，達(dá)到11362kW，可避免的?損失約為6730kW。需要指出的是，循環(huán)水冷卻器用于冷卻壓縮機(jī)出口冷劑，雖然僅有兩臺(tái)，但?損失占據(jù)很大比例，由于冷劑出口熱量低無(wú)法被回收利用，故采用循環(huán)水取走，循環(huán)水冷卻器節(jié)能潛力不大。物流換熱器為冷劑與工藝物流對(duì)流傳熱，換熱器14臺(tái)，冷箱共7組，每組冷箱中物流流股數(shù)目3～9股不等，對(duì)于這兩種換熱設(shè)備，可以通過(guò)降低傳熱溫差來(lái)減小?損失。

表2 換熱器損失

表2 換熱器損失

換熱器 　總?損失/kW不可避免?損失/kW 可避免?損失/kW循環(huán)水冷卻器　3325 　1506.4 　1818.6物流換熱器 　3811.7 　1388.1 　2423.6冷箱 　4225.7 　1737.8 　2487.9

2.2.3 節(jié)流閥

式中，ΔSmin代表目前技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性可行的條件下物流過(guò)節(jié)流閥產(chǎn)生的最小熵增，kW/K。節(jié)流是高度不可逆過(guò)程，理論上可采用膨脹過(guò)程替代。膨脹過(guò)程中，冷劑溫度降低更低，并且可以回收有用功；膨脹機(jī)膨脹產(chǎn)生的熵增介于理想等熵膨脹和等焓節(jié)流之間，有文獻(xiàn)[20-21]指出，螺桿膨脹機(jī)的效率可以達(dá)到84%，因此取膨脹機(jī)等熵效率為80%計(jì)算不可避免?損失，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，節(jié)流閥總的?損失比較少，約為1684kW，其中可避免的?損失為1143kW，個(gè)別節(jié)流閥損失比較小（如V1、V7等可避免?損小于100kW的節(jié)流閥）改用膨脹機(jī)經(jīng)濟(jì)性較差。

2.2.4 閃蒸罐

表3 節(jié)流閥損失

表3 節(jié)流閥損失

節(jié)流閥　總?損失/kW　不可避免?損失/kW 可避免?損失/kW V1 　9.3 　2.8 　6.5 V2 　200.5 　48.5 　152.0 V3 　195.9 　47.4 　148.5 V4 　217.0 　54.4 　162.6 V5 　202.6 　65.1 　137.5 V6 　66.0 　248.4 　377.6 V7 　31.2 　5.6 　25.6 V8 　131.8 　45.6 　86.2 V9 　64.1 　21.7 　42.4 V10 　5.8 　1.4 　4.4

式中，ΔSmin代表目前技術(shù)性經(jīng)濟(jì)性可行的條件下，物流過(guò)閃蒸罐產(chǎn)生的最小熵增，kW/K。在該裝置中，閃蒸罐為絕熱閃蒸，進(jìn)出口壓力非常接近，閃蒸過(guò)程只起到了氣液分離作用，?損失極少，且在工業(yè)過(guò)程中沒(méi)有替代設(shè)備可以既回收閃蒸過(guò)程有用功又可以提供氣液分離空間的取代設(shè)備，因此認(rèn)為閃蒸過(guò)程中?損失均是不可避免的損失，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

表4 閃蒸罐?損失分布

2.3 節(jié)能可行性分析

圖4 三元制冷裝置?損失分類

通過(guò)計(jì)算得出結(jié)果如圖4所示，三元制冷系統(tǒng)的?損失總計(jì)為24238.1kW，其中不可避免的?損失為13539.9kW，節(jié)能潛力為10698.2kW。主要損失集中在壓縮機(jī)和換熱器兩部分，合計(jì)占總體?損失的90%，且主要的節(jié)能潛力集中在這兩部分，壓縮機(jī)受限于壓縮效率節(jié)能潛力為2137.8kW，約占?jí)嚎s機(jī)總?損失的20%。本文案例中，壓縮機(jī)效率為0.7，目前工業(yè)中壓縮機(jī)的效率可達(dá)0.85左右，目前很多企業(yè)在設(shè)備選型過(guò)程中通常按照120%負(fù)荷進(jìn)行選型，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中運(yùn)行負(fù)荷長(zhǎng)期在80%左右，因此很多乙烯裝置的壓縮機(jī)效率甚至低于0.7，優(yōu)選壓縮機(jī)，使其在高效區(qū)運(yùn)行，可以提高壓縮效率，降低?損失，工業(yè)上是切實(shí)可行的。換熱器受限于換熱溫差節(jié)能潛力6730.1kW，本文案例中，換熱器平均溫差均在10℃左右，若按梯度減小換熱溫差是最小換熱溫差在3～5℃，可以達(dá)到相應(yīng)的節(jié)能目標(biāo)。由于減小傳熱溫差會(huì)增加換熱面積，使設(shè)備造價(jià)增加，不同溫位范圍，需設(shè)置合理的換熱溫差。冷箱設(shè)計(jì)制造已經(jīng)達(dá)到最小換熱溫差3℃，個(gè)別冷箱設(shè)計(jì)最小溫差會(huì)達(dá)到1.5℃，由此可見(jiàn)降低平均換熱溫差以減少?損失是切實(shí)可行的。閃蒸罐和節(jié)流閥節(jié)能潛力均較小。液體膨脹機(jī)制冷已經(jīng)被應(yīng)用于空分、天然氣液化等裝置，乙烯裝置中也有使用尾氣膨脹機(jī)制冷的工業(yè)案例[22]，節(jié)能效果比較明顯。

3 結(jié) 論

本文分析了對(duì)乙烯裝置的三元制冷系統(tǒng)進(jìn)行?分析，從EGCC圖上分析得出了乙烯裝置冷劑配置是非常合理的，?損失較小。通過(guò)計(jì)算得出裝置?損失主要集中在壓縮機(jī)和換熱器兩部分，約占整體損失的90%。并使用可避免?損失和不可避免?損失的概念，將?損失分為兩類，分別計(jì)算了每一類設(shè)備的兩種?損失，更準(zhǔn)確地找出了節(jié)能改造的潛力之處，指出對(duì)壓縮機(jī)可以通過(guò)提高設(shè)備的等熵壓縮效率，換熱器可以通過(guò)合理的物流匹配降低傳熱溫差，節(jié)流閥可以使用膨脹機(jī)取代等方式降低整個(gè)三元制冷系統(tǒng)的?損失，降低能耗。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王吉平. 三元制冷技術(shù)在乙烯裝置上的首次應(yīng)用[J]. 化工進(jìn)展，2006，25（9）：1105-1109.

[2] LINNHOFF B，DHOLE V R. Shaftwork targets for low-temperature process design[J]. Chemical Engineering Science，1992，47（8）：2081-2091.

[3] KAUSHIK S C，REDDY V S，TYAGI S K. Energy and exergy analyses of thermal power plants：a review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2011，15（4）：1857-1872.

[4] HACKL R，HARVEY S. Applying exergy and total site analysis for targeting refrigeration shaft power in industrial clusters[J]. Energy，2013，55（10）：5-14.

[5] MARéCHAL F，F(xiàn)AVRAT D. Combined exergy and pinch analysis for the optimal integration of energy conversion technologies[J]. Proceedings of the ECOS，2005，1：177-184.

[6] GHORBANI B，SALEHI G，GHAEMMALEKI H，et al． Simulation and optimization of refrigeration cycle in NGL recovery plants with exergy-pinch analysis[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering，2012，7：35-43.

[7] ASPELUND A，BERSTAD D O，GUNDERSEN T. An extended pinch analysis and design procedure utilizing pressure based exergy for subambient cooling[J]. Applied Thermal Engineering，2007，27 （16）：2633-2649.

[8] RAEI B. Optimization in energy usage for refrigeration systems using combined pinch and exergy analysis[J]. Chemical Engineering Transactions，2011，25：135-140.

[9] ATAEI A. Application of combined pinch and exergy analysis in retrofit of an olefin plant for energy conservation[J]. Scientific Research and Essays，2011，6（12）：2437-2446.

[10] MEHRPOOYA M，JARRAHIAN A，PISHVAIE M R. Simulation and exergy‐method analysis of an industrial refrigeration cycle used in NGL recovery units[J]. International Journal of Energy Research，2006，30（15）：1336-1351.

[11] KANO?LU M. Exergy analysis of multistage cascade refrigeration cycle used for natural gas liquefication[J]. International Journal of Energy Research，2002，26（8）：763-774.

[12] MAFI M，NAEYNIAN S M，AMIDPOUR M. Exergy analysis of multistage cascade low temperature refrigeration systems used in olefin plants[J]. International Journal of Refrigeration，2009，32（2）：279-294.

[13] FABREGA F，ROSSI J，ANGELO J. Exergetic analysis of the refrigeration system in ethylene and propylene production process[J]. Energy，2010，35（3）：1224-1231.

[14] 江永材. 茂名乙烯三元制冷系統(tǒng)存在問(wèn)題分析[J]. 乙烯工業(yè)，2012 （4）：32-35.

[15] 趙百仁，李廣華. 三元制冷系統(tǒng)輕冷劑流道堵塞問(wèn)題的分析與對(duì)策[J]. 石油化工，2014（8）：948-953.

[16] FENG X，ZHU X，ZHENG J. A practical exergy method for system analysis of steam power plants[C]//Energy Conversion Engineering Conference，1996 .

[17] FENG X，ZHU X. Combining pinch and exergy analysis for process modifications[J]. Applied Thermal Engineering，1997，17（3）：249-261.

[18] DURMAYAZ A，YAVUZ H. Exergy analysis of a pressurized-water reactor nuclear-power plant[J]. Applied Energy，2001，69（1）：39-57.

[19] SZARGUT J，MORRIS D R，STEWARD F R. Exergy analysis of thermal，chemical，and metallurgical processes[M]. Berlin：Springer-Verlag Berlin and Heidelberg GmbH & Co. K，1987.

[20] 孫陽(yáng)，孟凡華. 探討液體膨脹機(jī)在內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備中的應(yīng)用[J]. 科技資訊，2013（27）：92-95.

[21] 張華濤. 液體膨脹機(jī)在內(nèi)壓縮流程空分設(shè)備中的應(yīng)用[J]. 深冷技術(shù)，2012（6）：24-27.

[22] 鄒余敏，王淇汶，孫晶磊，等. 乙烯裝置中尾氣膨脹制冷及對(duì)深冷分離的影響[J]. 石油化工，2000，29（9）：686-688.

研究開(kāi)發(fā)

Exergy analysis of a ternary refrigeration system

ZHANG Xiaofeng，F(xiàn)ENG Xiao
（Institute of New Energy，China University of Petroleum-Beijing，Beijing 102249，China）

Abstract：The separation process of an ethylene plant should be operated at low temperature. Therefore，a compression refrigeration system is needed to provide refrigerant. A ternary refrigeration system can provide a continuous cooling curve matching very well with the process stream cooling curve，and has higher thermodynamic efficiency，lower energy consumption than a cascaded refrigerant system. In order to analyze the energy saving potential of a ternary refrigeration system，in this paper，the ternary refrigerant system in a certain ethylene plant was analyzed by exergy analysis. From the exergy grand composite curve（EGCC），it could be found that the refrigerant configuration of the ternary refrigeration system was reasonable and the total exergy loss was small. The system is classified into four sub-systems：heat exchanger，compressor，throttle valve and flash drum sub-systems. The results of exergy losses show that the total exergy loss of the ternary refrigeration system is 24238.1kW，about 90% of which concentrates on the heat exchanger and compressor sub-systems. Furthermore，the exergy losses are divided into avoidable and inevitable exergy losses，in which the total inevitable exergy loss is 13539.9kW，and the total avoidable exergy loss is 10698.2kW. The work for energy conservation should focus on reducing the avoidable exergy loss.

Key words：systems engineering；exergy；optimal design；pinch；ethylene；ternary refrigerating system

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2012CB720500）。

收稿日期：2015-08-31；修稿日期：2015-09-11。

DOI：10.16085/j.issn.1000-6613.2016.02.014

中圖分類號(hào)：TQ 021.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1000–6613（2016）02–0432–07