單混合制冷劑液化工藝熱力學探討

楊振國

關鍵詞：單混合制冷劑;液化工藝;熱力學

1理論基礎和意義

分析液化流程之前，要介紹液化工藝熱力學相關理論知識。

天然氣液化后會急劇濃縮，體積只有氣態時的1/600，可便于運輸，對天然氣跨國貿易和偏遠地區的少量天然氣回收具有重要意義。在對天然氣進行液化時，只有以大量能量作為支撐，才能提高制冷循環的效率，如何在此基礎上降低裝置的能耗，是當前應解決的主要問題。

混合制冷循環是新興技術，但是效率超過其他制冷技術，在天然氣液化方面具有很高的效率，目前存在的問題是我國對這項技術的研究剛剛起步，在實際操作和制冷劑優化方面存在一些問題有待改進[1]。

在天然氣液化流程中，首先要對混合天然氣進行干燥液化，因此選擇單體式混合空氣制冷劑、采用鋁制循環繞管式新型快速低溫低冷換熱器作為風機液化空氣部分的主要基礎換熱設備，制冷劑能快速循環，同時需要依靠一臺電動機驅動兩級離心空氣壓縮機，不能使離心壓縮機在快速散熱的同時快速轉移，從而使高壓空冷器提供大量吸入水的緩沖、為風機制冷劑吸入混合物等，并在恰當的低溫時吸入，為風機進行冷空氣液體的分離等提供的熱容器。選擇的制冷劑組有與天然氣相符的冷卻和加熱曲線，通過增大鋁制繞管式低溫換熱器的表面積，降低液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）耗費的能量[2]。本工藝的主要目標是圍繞焓曲線圖，減小天然氣與制冷劑之間的溫差，使其符合標準，避免出現偏差，因此，需要采用兩個級別的混合制冷劑。

2液化流程設備的分析模型

在天然氣液化裝置中有眾多設備相互配合工作，流程如圖1所示。主要設備有多相流換熱器、壓縮機、空氣冷卻器、氣液分離器、混合器和節流閥。本節主要圍繞主要設備，提出相應的平衡方程，得出各個設備?損失的大小，為后續研究提供相應的理論依據。

忽略工質的動能和位能，穩流工質的焓?可表示為：

2.1 壓縮機損失

壓縮機是一種將低壓氣體提升為高壓氣體的從動的流體機械，是我國現代工業制冷系統的重要技術心臟。

3.2 熱力計算結果

?分析計算是以整個過程中的熱力學計算為基本準則的，可以依據表1和表2中的參數進行計算，壓縮機功耗為13.72 MW、制劑冷提供的冷量為10.68 MW、天然氣消耗的冷量為9.58 MW;制冷效率為69.80%。通過計算發現，各個設備的?損失集中在主要設備中。

4 降低?損失的措施

通過上述分析發現，?損失主要發生在制冷劑壓縮機、空氣冷卻器和換熱器中，其中，能量轉換的損失較為嚴重。降低壓縮機?損失的方法有很多種，最有效、最科學的方法是合理設置壓縮機吸入溫度和壓縮系數，結合實際情況和?損失分析，或者對壓縮機的結構進行相應的改造，最大限度地發揮壓縮機的絕熱功效，改造壓縮機的目的就是提高壓縮機的絕熱效率，實現能量損耗的最小化，保證能量得到最大化利用。強化傳熱措施是降低換熱器?損失較為合適的方法，目的是增大換熱面積，將冷卻器中溫度較高的制冷劑和空氣進行換熱。因為空氣的溫度很難提高，所以無法重新利用空氣中的熱量。制冷系統的特點之一是對低溫位的熱源沒有需求，所以空冷過程的?損失不能降低。此外，可以采用烴類混合物作為制冷劑減小傳熱溫差，同時在整個流程中采用回熱的方法，降低制冷劑應用過程中過多的負擔。為了使天然氣和制冷劑之間達到良好的換熱效果，該過程中必然存在換熱溫差，但是不會引起不良效應，所以該方法可以得到良好的應用，同時能保證換熱器在運行過程中的溫差均衡[3]。

分析單混合制冷劑液化工藝熱力學發現，天然氣在液化過程中存在多方面的能量消耗問題，通過改造壓縮機結構以及調整換熱器和空氣冷卻器，可以顯著降低整個過程中的?損失，提高制冷系統的應用效果。

5 結語

通過詳細的案例分析單一和混合空氣制冷劑的制備工藝流程問題，闡述空氣液化制冷工藝中產生?損失的主要原因。通過分析可知，制冷機中的壓縮機、空氣加熱冷卻器和空氣換熱器一直是發生空氣?損失的主要工作場所，其中，?損失量最大之處是把空氣放在冷卻器中。天然氣和制冷劑之間進行換熱是有條件的，即要求兩者達到一定的溫差，但是，換熱溫差會引起不可逆的損失，因此，需要完善制冷劑的功能、降低設備運行的壓力，使換熱器的換熱溫差達到可以進行換熱的標準。后續研究需找到更好的降低?損失的方法與措施，實現技術上的突破。