低溫精餾模擬平臺的分析

張 召 張梅梅 朱偉平 賈啟明 龔領會

(1 航天低溫推進劑技術國家重點實驗室,中國科學院理化技術研究所 北京 100190)

(2 中國科學院大學 北京 100049)

1 引 言

大型低溫制冷系統是能源利用和前沿科技研究等領域的關鍵支撐技術[1-2]。尤其是隨著高能物理研究的不斷發展,如粒子加速器[3-4]、大型粒子對撞機[5]和托克馬克[6-7]等大科學裝置的建設,對大型低溫制冷系統的需求越來越多。通常大型低溫制冷系統只提供單一冷源,滿足對冷量的需求。

然而對于一些特定場合,如低溫精餾等,對大型低溫制冷系統提出了更為復雜的要求[8-9]。在低溫精餾系統當中,大型低溫制冷系統需要提供3 個方面的功能,一為精餾系統的冷凝器提供冷源;二為冷屏提供冷量,使整個精餾系統都處于低溫環境中,減少熱輻射對精餾系統的影響;三為精餾系統的再沸器提供加熱量,起到回收冷量的目的,提高低溫系統的能量效率。目前,對于多流程的大型低溫系統,由于流程的復雜性以及研制和運行的成本問題,國內外相關研究非常少。

大型低溫制冷系統的功耗往往是巨大的,這是因為,一方面大型低溫系統的制冷溫度極低,最小理論輸入功需要很大,另一方面應用場合需要較大的制冷量。因此,對于一套長期穩定運行的大型低溫制冷系統,提高1%的能量效率對于減少能耗也有著非常顯著的好處。(即有用功)分析[10-11]是許多制冷系統進行能量分析的重要工具,在大型低溫制冷系統,包括氦低溫制冷機、液化器和氣體分離系統中,基于分析的相關文獻非常多。對低溫系統進行分析對了解和改善系統性能有著非常重要的作用。Remeljej 對4種液化天然氣(LNG)系統進行了分析[12],比較出最小損的流程,并且提出了增加額外一級壓縮級來提高系統效率的方法。Ham 等利用分析的方法對兩種低溫空分系統進行了評估,得到了三塔式比雙塔式損減少12%,并且近一半的損來自壓縮機的冷卻器[13]。Thomas 等在氦液化器的設計中應用分析的方法[14-15],利用Grassmann 圖清晰地展示出系統的流,并模擬了多個參數對效率的影響。

本研究針對一套現有的低溫精餾模擬平臺,利用Aspen Hysys 建立仿真平臺,并利用分析模型對仿真結果進行分析,為后續多流程大型低溫系統改善性能和優化設計提供依據。

2 低溫精餾模擬平臺的工作原理

圖1 是低溫精餾模擬平臺的工作原理圖,整個系統可分為室溫部分、制冷機冷箱和實驗冷箱3 個部分,其中室溫部分包括壓縮機、兩臺室溫加熱器和室溫閥;制冷機冷箱包括兩臺預冷換熱器和透平膨脹機,為實驗冷箱提供冷量;實驗冷箱包括模擬冷凝器、再沸器、冷屏的負載以及預冷換熱器和兌溫換熱器,用于測試各股流體的性能。

低溫精餾模擬平臺在逆布雷頓循環制冷系統基礎上改造而來,相比逆布雷頓制冷系統,有以下特點:

(1) 從一級換熱器和二級換熱器之間(圖1 中點2 處)引出一股近80 K 的高壓冷流至實驗冷箱,被進一步預冷之后,在點10 處分為兩股,一股為冷屏流(點22—25),經模擬冷屏負載后出實驗冷箱;另一股為再沸器加熱流(點11—14);

圖1 系統的流程原理圖A.壓縮機;B.一級換熱器;C.二級換熱器;D.透平膨脹機;E.模擬冷凝器負載;F.模擬再沸器;G.預冷換熱器;H.模擬冷屏負載;I.兌溫加熱器;J 室溫加熱器1;K.室溫加熱器2。Fig.1 Schematic diagram of cryogenic distillation simulation platform

(2) 透平膨脹機后的冷流進入實驗冷箱后,首先進入模擬冷凝器,這一股冷流(點5—6)為冷凝器流。從點6 后引出一股低溫低壓的冷流,即再沸器冷源流(點17—21),作為模擬再沸器的冷源;

(3) 冷屏流為模擬冷屏負載提供冷量后出實驗冷箱,再沸器加熱流則用以回收再沸器冷源流的冷量,再匯入冷凝器流。

此低溫實驗平臺設計的好處是,利用制冷系統自身的冷流作為模擬再沸器的冷源,不需要額外的冷源;將冷屏流和再沸器冷源流引出實驗冷箱,并使用室溫加熱器進行復溫,可準確測量流路的質量流量,用以計算再沸器加熱流回收的冷量;利用相應的控制閥分別對各股流進行流量控制,便于系統的調控。

3 低溫精餾模擬平臺的分析模型

3.1 條件假設[15]

(1)假設整個系統處于穩定運行狀態;

(2)壓縮機效率和透平膨脹機效率不隨溫度、壓力、質量流量的變化而變化;

(3)換熱器的換熱系數不隨溫度、壓力、質量流量的變化而變化;

(4)忽略各換熱器和低溫傳輸管線的漏熱。

將整個系統分為室溫部分、制冷機冷箱部分和實驗冷箱部分3 個控制體,將式和分別應用于這3 個控制體組成的系統,則有:

式中:下標com 為壓縮機,water 為水冷卻器,room_H1 為室溫換熱器1,room_H1 為室溫換熱器2,dest_room 為室溫部分產生的損失,1、8、19、23 分別表示流程中對應各點。

式中:下標exp 為透平膨脹機,dest_cb 為制冷機冷箱的損失,LN2和GN2分別為液氮和氮氣,1、5、8、9、16 分別表示流程中對應各點。

式中:下標H1 為模擬冷凝器,H2 為模擬冷屏,H3 為兌溫加熱器,dest_eb 為實驗冷箱的損失。

聯立式可得:

將式應用于各部件,如壓縮機、透平膨脹機、換熱器中,可推導出各部件的效率,其中換熱器的損是因為低溫向高溫換熱導致的。其損為:

式中:下標C、H分別表示冷熱流體,Cin、Cout分別表示流入流出換熱器的冷流體,Hin、Hout分別表示流入流出換熱器的熱流體。

4 仿真結果分析

通過Aspen Hysys 仿真軟件搭建精餾模擬平臺仿真流程,并對兩種工況進行仿真計算,表1 列了兩種工況下,模擬冷凝器、模擬再沸器和模擬冷屏的負載。

表1 兩種工況下的負載Table 1 Loads under two working conditions

圖2 各控制體效率Fig.2 Exergy efficiency of each control body

圖3 主要部件的損占比圖Fig.3 Exergy loss percentage chart of main components

在兩種工況下,除調節閥外,壓縮機、透平膨脹機、一級換熱器和二級換熱器的損占比較大,而處于實驗冷箱的兩個較低溫的換熱器,損占比較小,因此對壓縮機、透平膨脹機和一級二級換熱器進行優化設計,進一步各部件的效率,將有利于整個低溫系統的效率。

圖4 其它損占比圖Fig.4 Other exergy loss percentage chart

實際低溫精餾模擬平臺中,室溫加熱器1 和室溫加熱器2 使低溫氣體復溫至室溫,從而測量流路的流量,從分析的結果看,兩股流路不復溫,在低溫下測量將提高系統整體5.0%—5.6%的效率。

5 結 論

(3)對流程進行優化設計,采用在低溫下測流量的方式,避免復溫產生的損可提高5% 以上的效率。