精細化學品項目用丙烯制冷系統研制

劉洋

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

精細化工是當今化學工業中最具活力的新興領域之一，是新材料的重要組成部分。精細化工產品種類多、產業關聯度大、用途廣、附加值高，直接服務于高新技術產業的各個領域及國民經濟的諸多行業。大力發展精細化工己成為世界各國調整化學工業結構、擴大經濟效益和提升化學工業產業能級的戰略重點。

1 項目概述

為了加快新能源的開發及推進傳統能源清潔高效利用。該精細化學品項目利用西部豐富的煤炭資源，采用具有我國自主知識產權的中科合成油技術有限公司的高漿態床F—T合成油成套技術，主要生產LPG、汽油、液體石蠟、溶劑、石腦油、柴油以及聚α烯烴（PAO）等產品。

冷凍工序作為凈化系統的輔助系統之一，以丙烯為介質，通過壓縮、用水冷凝、節流降壓、蒸發，達到制冷效果，為低溫甲醇洗、低溫油洗系統中的各深冷器提供系統冷量。

該項目制冷溫度等級需求多，制冷量需求大。其制冷流程技術難點多，設計難度大，其成功研制為我國大型多溫度等級的制冷系統的大力發展提供了保障及指導方向。

2 制冷量需求

該項目共有2個單元需要制冷系統提供冷量，分別為低溫甲醇洗單元及低溫油洗單元。低溫甲醇洗單元制冷溫度需求為-40℃，最大制冷量需求為22000kW；低溫油洗單元制冷溫度需求為-20℃，最大制冷量需求為4100kW。

傳統工藝通常設計兩套獨立的制冷系統，分別為低溫甲醇洗單元及低溫油洗單元提供冷量。采用兩套制冷系統時，各個單元的冷量調節相對簡單，但是其初次投資高，占地面積大，系統維護困難，不利于能源的節約和利用。本項目通過合理優化設計制冷系統及離心壓縮機的結構解決了兩個單元冷量調節不匹配的難題，最終通過一套制冷系統滿足了兩個單元對制冷量的需求。

3 制冷系統的優化設計

蒸汽壓縮式制冷系統是由蒸發器、壓縮機、冷凝器、膨脹閥通過管道將其連成一個封閉的系統。為了提高制冷循環的效率，經常采用帶有經濟器的制冷循環。經濟器分為省功器及過冷器2種。前者優點是省功多，缺點是經過省功器之后的液體制冷劑壓力被降低，且為飽和狀態，在輸送過程中容易閃蒸成氣體，適用于制冷機與蒸發器距離短的制冷系統；后者優點是過冷后的制冷劑液體能保證較高的壓力，不會發生閃蒸現象，缺點是省功比前者略低，適用于制冷機與蒸發器距離遠的制冷系統。對于設置多個經濟器的系統，也可以組合使用，這樣既能到達省功多又能保證不發生閃蒸現象。

3.1 經濟器數量的確定

理論上流程中設置的經濟器數量越多，整個系統的效率越高，但其制冷系統越復雜，一次性投資較大，后期維護也更復雜。并且對于-40℃的冷量需求，當經濟器的數量大于3h，其效率提升并不明顯，本文設置1~3個經濟器的制冷系統進行比較分析。3種制冷系統中對于配置而言，依次多1個節流閥、經濟器及相應的儀表和管路；對于壓縮機軸功率而言，后者比前者依次省功約4%、500kW，可見其數值相當可觀，從機組的長周期運行考慮，以及滿足送出界區的壓力要求，選擇設置1個省功器和2個過冷器的方案。

3.2 壓縮機結構的優化設計

制冷系統的4個關鍵過程中，壓縮過程對于制冷系統的效率起著決定性作用，因此合理設計離心壓縮機也至關重要。該項目需要同時滿足2個溫度等級的制冷量需求，因此要在壓縮機缸體上設置2個加氣口。常規設計時，為滿足工藝對壓比的要求，需要7級葉輪才能實現。為了保證進入壓縮機的氣體流動均勻、損失小，其轉子將會很長，轉子穩定性存在問題，不利于壓縮機的安全穩定運行。同時常規葉輪的多變效率也低，機組軸功率大。

為了解決上述問題，該項目新開發“兩大兩高”（大流量系數、大能頭、馬赫數高及效率高）葉輪，將原7級葉輪能實現的壓比用5級葉輪來完成，大大縮短了轉子長度，為機組的穩定運行提供了可靠的保障；新開發的葉輪最大的多變效率高達86.3%，大大降低了壓縮機的軸功率，技術性能指標達到了國際先進水平。該方案壓縮機直徑小一檔，并且由于轉速提升，汽輪機選型也降低一檔，蒸汽消耗量也變小了，整個機組的成本降低，系統的運行成本降低。

為了降低氣體在定子部件中的流動損失，保證壓縮機的效率，使用CFD分析軟件分別對吸氣室及加氣室進行了優化設計，通過增加導流葉片，修改風筒形式等辦法，使流場均勻性有了明顯改善，壓縮機性能有較大提高。

3.3 制冷系統的關鍵設備及閥門配置

丙烯制冷系統流程簡圖見圖1。壓縮機入口設置臥式分離器，2個加氣口分別設置2個立式絲網除沫分離器，使丙烯通過氣液分離器，保證壓縮機不帶液運行。加氣分離器低點設置排液控制閥，通過加氣分離器上的液位變送器傳送信號對閥門進行控制，從而控制加氣分離器中的液位。二次加氣分離器中液體排到一次加氣分離器中，一次加氣分離器中液體排到入口分離器中，入口分離器中的液體經丙烯泵（一用一備）加壓后排到丙烯中間緩沖器中。

圖1 丙烯制冷系統流程簡圖

經分離器分離后的丙烯氣體進入到壓縮機中，經過逐級壓縮最后達到流程所需出口壓力，進入到2個并聯的冷凝器中。其中被冷凝成液體的丙烯液送到2個并聯的丙烯中間緩沖器中，未被冷凝的不凝氣排放到不凝氣分離器中。在不凝氣分離器中，來自丙烯中間緩沖器的液態丙烯閃蒸吸熱將不凝氣中混有的丙烯冷卻成液體后回流至中間緩沖器中，閃蒸后的氣體丙烯引入入口分離器中，不凝氣則聚集在不凝氣分離器頂部，不凝氣排放閥監測其壓力，實現不凝氣的自動排放。中間緩沖器用來存儲液態丙烯，配置2個丙烯泵，以實現在需要時將中間緩沖器中的丙烯液送出界區。

來自丙烯中間緩沖器的丙烯液經過2個并聯的節流閥后，氣液混合的介質進入到省功器中進行分離，丙烯氣引入到二次加氣分離器。丙烯液一路再次經過節流閥后進入到一級過冷器殼程，氣液混合介質膨脹后全部變成氣體，蒸發吸熱，實現將管程丙烯液過冷，氣體引入到一次加氣分離器；一路直接進入到一級過冷器的管程。被冷卻后的丙烯液分為3路，其中1路送去低溫油洗單元為其提供冷量，2路進入到二級過冷器后，實現對丙烯液的再次過冷，氣體引入到入口分離器，液體送去低溫甲醇洗單元為其提供冷量。

機組共設置3路防喘振，分別是從壓縮機出口，冷凝器之前引入到入口分離器、一次加氣分離器、二次加氣分離器。由于壓縮機出口為高溫氣體，因此從丙烯中間緩沖器分別引3路液態丙烯，并配置節流閥分別給3路防喘振氣體降溫。同時為防止機組發生停機喘振，在壓縮機入口及一次加氣口分別設置了止回閥。

4 結語

精細化工、煤化工及石油化工等化學工業的工藝流程中一般都需要冷凍工序，不同的工藝段對制冷溫度的需求也不同，通常甲醇洗單元需求的冷量溫度為-40℃，合成氨單元需求的冷量溫度為-25℃，空分單元需求的冷量溫度為4℃。該項目成功將2種不同溫度等級制冷量需求集成設計成1套制冷系統，不僅大大降低了初次投資成本及運行維護成本，極大地提高了制冷系統的性能系數，更為今后滿足3個甚至更多溫度等級的集成制冷系統提供新思路。