空氣循環制冷氮氣液化動態模擬

金立武，于開錄，韓洋洋，岳 強

（中國船舶集團有限公司，第七一八研究所，河北 邯鄲056027）

0 引 言

氮氣在艦船應用廣泛，但高壓氣瓶數量較多，占據較多艙室空間。將氮氣進行液化和儲存，會節約艙室資源。在艦船環境中，采用空氣循環制冷工藝，將氮氣冷凝為液氮，具有較高的可靠性和操作性。由于空氣循環制冷氮氣液化流程未在艦船應用，尚不掌握系統運行規律與控制方法的問題，在這種情況下，仿真模擬具有一定指導意義。本文采用ASPEN HYSYS軟件，對氮氣液化過程進行動態模擬，掌握系統設計與不同工況下的運行規律，形成系統控制方案與調試方法。

1 液化流程簡介

空氣循環工藝中，空氣循環和氮氣液化獨立運行，互不干擾。循環壓縮機啟動后，空氣壓力提高到0.7～0.9 MPa，進入冷箱。壓縮氣體首先在主換熱器被返流的低溫空氣冷卻到-120～-150℃，隨后進入透平膨脹機的膨脹端，壓力降至約0.03 MPa，溫度降至約-190℃。低溫氣體依次返回液化器和主換熱器，為氮氣冷卻和液化提供冷量。復溫后氣體返回到循環壓縮機入口，再次進行循環。

氮氣液化工藝中，氮氣進入主換熱器，被返流氣體冷卻到-120～-150℃，隨后在液化器中被-190℃氣體冷卻到約-175℃。氮氣在該溫度下完全冷卻為液氮，過冷約3℃；液氮隨后節流減壓到儲存壓力0.4 MPa，進入氣液分離器，下面的液氮作為產品最后送入液氮儲罐中，上面蒸發的氮氣復熱后排空。液氮S14與氮氣S0的比值定義為液化率。

空氣循環氮氣液化流程如圖1所示。

圖1 空氣循環制冷氮氣液化流程示意圖Fig.1 The schematic diagram of nitrogen liquefaction by air refrigerating cycle

動態仿真結構圖如圖2所示。

圖2 動態仿真流程圖Fig.2 The flowchart of dynamic simulation

通過增加PID控制器（FIC-100、IC-101和PIC-100等）和相應的控制面板，修改氮氣流量、溫度、壓力等設定值，模擬液氮的流量、溫度、壓力、液化率等隨時間變化的規律。

2 動態仿真結果

2.1 降溫過程

基于上述模型，通過動態仿真，可以得到氮氣液化中各股物料的流量和溫度隨時間的變化過程。

氮氣出液化器的溫度變化曲線如圖3所示。

圖3 氮氣出液化器的溫度變化Fig.3 The temperature variations of liquid nitrogen at liquefier

由圖3可見，設備啟動后，氮氣溫度逐漸降低，并且在110 min后到達液化溫度約175℃，這個參數與氮氣液化樣機實測降溫時間接近。

由于艦船上氮氣液化裝置的運行受液氮消耗量制約，只能間歇運行。在這種情況下，采用空氣循環制冷的氮氣液化工藝能夠在2 h以內完成啟動，符合艦船使用要求。

2.2 氮氣變化工況

2.2.1 氮氣流量波動

氮氣液化系統在達到平衡以后，如果氮氣的流量、壓力和溫度發生變化，將對液氮的產量和液化率產生影響。

當氮氣入口流量從額定產量的325 kg/h降低時，由于空氣循環提供的冷量富裕，氮氣液化率開始上升；另一方面，雖然氮氣入口流量減少，但是液氮節流后的液體產量仍然保持穩定。當氮氣入口流量下降到275 kg/h以下后，氮氣液化率達到并穩定在100%；而液氮產量也開展逐漸降低。

氮氣流量波動與液化率和液氮流量關系如圖4所示。

圖4 氮氣流量波動與液化率和液氮流量關系Fig.4 The influence of nitrogen flowrate on the liquid nitrogen production and the liquefaction rate

當氮氣入口流量。從額定產量的325 kg/h增加時，由于空氣循環提供的冷量不足，氮氣液化率和液氮產量逐漸降低。

2.2.2 氮氣溫度波動

氮氣溫度波動與液化率和液氮流量關系如圖5所示。

圖5 氮氣溫度波動與液化率和液氮流量關系Fig.5 The influence of nitrogen temperature on the liquid nitrogen production and the liquefaction rate

由圖5可見，氮氣入口溫度從30℃降低時，液化需要的冷量降低，液氮產量和氮氣液化率同時都上升；氮氣入口溫度增加時，液氮產量和氮氣液化率同時都降低。由于氮氣入口溫度變化帶來的冷量變化較低，因此液氮產量和氮氣液化率的波動幅度較小。

2.2.3 氮氣壓力波動

氮氣壓力波動與液化率和液氮流量關系如圖6所示。

圖6 氮氣壓力波動與液化率和液氮流量關系Fig.6 The influence of nitrogen pressure on the liquid nitrogen production and the liquefaction rate

由圖6可見，氮氣入口壓力從0.9 MPa降低時，氮氣冷凝溫度降低，需要的冷量增加，因此液化率和液氮流量同時都下降；氮氣入口壓力增加時，液化率和液氮流量同時都提升，因此提高壓力有利于氮氣液化。

3 結 語

由以上分析可以看出，空氣循環制冷氮氣液化工藝具有較低的降溫時間，適合艦船場合的間歇運行工況。氮氣的流量、溫度和壓力都會影響液氮產量和氮氣液化率。從仿真結果來看，氮氣流量最大，其次是氮氣壓力，氮氣溫度的影響幾乎可以忽略不計。因此在實際操作過程中，需要時刻注意氮氣流量和壓力的波動，保證氮氣液化的生產穩定。