氨、丙烯、丙烷壓縮制冷能耗分析

陳睿謙 武麗娜 中國五環工程有限公司 武漢 430223

制冷的方法有多種，在制冷技術和低溫技術領域應用最廣泛的是機械制冷，如壓縮制冷、吸收式制冷、蒸汽噴射式制冷等［1］。壓縮制冷因具有流程簡單、工藝成熟等特點而被普遍應用于石油化工、煤化工領域。在－60℃ ～0℃制冷領域中，工業上普遍采用氨、丙烯、丙烷等中溫制冷劑。氨制冷常用于合成氨項目，丙烯制冷常用于煤制烯烴、煤制甲醇項目，丙烷制冷常用于輕烴回收、天然氣液化項目［3］。本文對這三種中溫制冷劑的制冷方案經濟性進行詳細分析。

1 制冷劑性質

制冷劑的熱力學性質是其在特定情況下被選用的基礎，會影響制冷循環及制冷機的工作特性。以氨、丙烯、丙烷三種制冷劑為例，熱力學性質對比見表1。

表1 氨、丙烯、丙烷的制冷參數

了解制冷劑的物性及特點對于正確選擇制冷劑至關重要，以下幾點應予以重視。

(1)標準沸點是決定制冷劑適用場合的主要依據，為了避免在制冷閃蒸時出現負壓，防止空氣及其中水分漏入制冷系統，制冷閃蒸壓力宜大于大氣壓力。一般控制制冷溫度在制冷劑標準沸點之上，可避免產生負壓。以－40℃蒸發40℃冷凝的壓縮制冷循環為例，丙烯和丙烷具有較小的壓比，氨的壓比較大。丙烯與丙烷可保證壓縮機入口為正壓，氨的壓縮機入口為負壓。

(2)凝固點決定了制冷劑的最低制冷使用溫度。丙烯丙烷的可制冷范圍比氨大。

(3)臨界溫度、臨界壓力決定了制冷劑的工作溫度和工作壓力上限。過低的蒸發壓力、過高的冷凝壓力及過高的排氣溫度都不利于制冷循環。制冷劑溫度適宜的選擇范圍［1］:

工作壓力適宜的選擇范圍:

(4)氣體絕熱指數越小，在相同壓比下出口氣體的溫度就越低，因而可以采用較大的壓比進行設計，以節省壓縮機投資。丙烯、丙烷的絕熱指數都明顯低于氨，在壓縮機設計上具有優勢。

(5)冷凝壓力取決于外界冷卻介質的溫度，過低的冷凝壓力可以降低壓比，提高制冷系數，但同時也需要更低的冷凝溫度，這對循環冷卻介質有了更高的要求。

(6)單位摩爾汽化潛熱越大，越有利于提高制冷效率，氨的汽化潛熱最大，優于丙烯和丙烷。

(7)較低的粘度可減少管道阻力損失，減小壓縮機功耗。氨的氣相粘度與液相粘度均大于丙烯、丙烷。

(8)毒性方面，氨為無色、具有強烈刺激性氣味的有毒物質，空氣中含量達5.3ppm時，人就會有所感覺。氨對水的溶解度極高，溶解后成強堿性，有較強的腐蝕性，被人吸入后可發生肺水腫，嚴重者乃至死亡。《工業企業設計衛生標準》中明確規定在居住區空氣中氨含量不得超過0.2mg/m3，生產車間內不得超過30mg/m3，氨一旦泄漏，人必須疏散。標準HG－20660將氨定為中度毒性介質，丙烷、丙烯未定為有毒介質。

(9)安全性方面，國標GB 50160將氨定為乙類可燃物質，將丙烯、丙烷定為甲類可燃物質。國標GB 7778根據制冷劑的安全性，將其分為三級，1類最安全，3類最危險 (爆炸下限在3.5%以下)。氨因為有毒被劃分為2類，丙烯、丙烷因具有較低的爆炸下限被劃分為3類。

(10)環境方面，氨的ODP和GWP均為0，不會對臭氧層造成破壞，也不會造成溫室效應。丙烯和丙烷的ODP為0，同時也具有低GWP值，不會危害臭氧層。

2 壓縮制冷循環

壓縮制冷循環是連續從低溫吸熱，然后將熱量連續排放到高溫熱源的過程。實際的壓縮制冷循環由壓縮機、冷凝器、節流閥、蒸發器構成。從蒸發器出來的低溫制冷劑氣體，先經壓縮機升壓，再經過冷凝器冷凝為高壓飽和液體，經節流閥完成節流膨脹后進入蒸發器閃蒸制冷。其熱力學制冷循環見圖1(a)。理想的制冷循環由以下幾個過程構成［4］。①1→2:絕熱可逆壓縮過程 (等熵過程);②2→3:等壓冷卻過程;③3→4:等壓等溫冷凝過程;④4→5:節流膨脹過程 (等焓過程);⑤5→1:等壓等溫氣化過程。圖1(b)、(c)是單級壓縮制冷循環的T－S圖及P－H圖。

圖1 壓縮制冷循環示意圖

制冷系數是單位制冷量與理論比功之比，即理論循環的收益和代價之比，是衡量一個制冷系統性能好壞的標準。較高的制冷系數可以在相同的制冷量下降低壓縮功和冷凝熱，從而減少水電和蒸汽的消耗量。

不同的制冷氣化溫度和不同的冷凝液化溫度會直接影響制冷系數。理想的制冷循環為逆向卡諾循環，將節流膨脹的過程視為絕熱可逆膨脹過程，此時具有最大的制冷系數，其大小僅與制冷劑的氣化溫度和冷凝溫度有關。目前大型煤化工項目配套低溫甲醇洗酸脫的冷量需求溫度多為－40℃，循環回水溫度以40℃為限，表2為40℃冷凝溫度下不同氣化溫度對應的氨、丙烯、丙烷制冷系數，對應曲線圖見圖2。

表2 40℃冷凝溫度下單級理想壓縮制冷循環氨、丙烯、丙烷制冷系數表

圖2 40℃冷凝溫度下單級理想壓縮制冷循環氨、丙烯、丙烷制冷系數圖

由表2、圖2可見，對于單級理想壓縮制冷循環 (等熵效率為1)，氨具有最高的制冷系數，丙烯與丙烷制冷系數相當，氨制冷最節能。隨著氣化溫度的提高，三種制冷劑的制冷系數都明顯提高，即制冷溫度越高，制冷效率越高。然而在實際設計中，冷量的溫度需求是一定的，不可能改變。基于這一原理，可以將單級壓縮改為多級壓縮，并引入經濟器，在中間壓力下閃蒸補氣，實現壓縮機補氣制冷循環，從而間接提高整個系統的制冷系數。

表3為40℃氣化溫度下不同冷凝溫度對應的氨、丙烯、丙烷制冷系數，對應曲線圖見圖3。

表3 －40℃氣化溫度下單級理想壓縮制冷循環氨、丙烯、丙烷制冷系數表

圖3 －40℃氣化溫度下單級理想壓縮制冷循環氨、丙烯、丙烷制冷系數圖

由表3、圖3可見，在制冷循環氣化溫度一定的前提下，降低冷凝溫度，可以顯著提高制冷系數，隨著冷凝溫度的降低，氨制冷的優勢逐漸被丙烯、丙烷取代［3］。在實際制冷系統設計中，通過降低循環水溫來提高制冷循環的效率是可行的，例如在全廠低壓余熱富余的情況下，采用溴化鋰制冷降低循環水溫度可有效節能。

3 制冷循環的節能措施

實際壓縮機制冷循環中的絕熱可逆壓縮過程是無法實現的，是一個多變過程，根據壓縮機的選型和設計，多變效率多在0.7～0.85之間。此外氣體進壓縮機前的阻力損失，壓縮機出口的過飽和冷凝超壓，都會導致壓縮功增大，從而使制冷循環的效率降低。

3.1 壓縮級數和中間壓力的確定

在蒸發壓力和冷凝壓力已經給定的情況下，采用多級壓縮更具有經濟性。壓縮機的級數理論上說越多越好，但實際工況中壓縮機的級數不宜太多，過多的壓縮機級數會導致氣缸增多、壓縮機結構更加復雜，投資更高。一般來說氨制冷壓縮控制在3～4級比較經濟，丙烯、丙烷制冷壓縮可控制在2～3級。

對于有中間壓力下冷凝負荷的制冷機，多級壓縮的中間壓力應根據蒸發溫度來確定。當無中間壓力冷凝負荷的要求時，每一級壓比理論上可以任意給定，但實際中考慮到壓縮機的出口溫度及效率，每一級壓比都不宜過大。在壓縮機總壓比一定的前提下，每級壓比理論上可取相等，但實際中還應結合每段的出口溫度、多變效率和補氣量來進行調整，尋找最佳的壓比分配。

3.2 段間冷卻器設置

在氣體熱力學壓縮過程中，等溫壓縮的理論壓縮功要小于等熵壓縮。所以在壓縮機段間增設冷卻器會使壓縮機更趨向等溫壓縮。理論上段間冷卻器的數量越多越好，冷卻溫度越低越好，實際工況中受到多級壓縮的限制，段間冷卻器的數量最多等于壓縮機級數。受到壓縮機進口不能帶液的限制，段間冷卻溫度不宜低于相應壓力下的飽和溫度。對于結合閃蒸補氣的壓縮制冷循環，段間冷卻與閃蒸補氣的先后順序應以高壓段入口溫度最低為原則。一般來說先經過段間冷卻，再閃蒸補氣會使壓縮機壓縮功最小，使制冷循環最經濟。

3.3 閃蒸器設置

確定了壓縮機多級壓縮的中間壓力后，在對應壓力下，設立閃蒸經濟器，為壓縮機高壓段補氣，可明顯提高制冷循環的經濟性。根據壓縮機出口氣是否參與閃蒸過程可將流程分為完全冷卻和不完全冷卻流程。當采用完全冷卻流程時，壓縮機入口理論上吸入為飽和蒸汽，相當于單級制冷的無熱循環。當采用不完全冷卻流程時，壓縮機入口吸入過熱蒸汽，相當于單級制冷的回熱循環。對于無熱循環，由于壓縮機出口的高溫氣體增加了閃蒸汽中液相組分的氣化率，增加了下一段補氣量，通常也會提高壓縮機高壓段的多變效率，從制冷循環效率上說，當壓縮機出口器溫度較高時無熱循環更具有經濟性。由于利用閃蒸汽化潛熱可充分將壓縮機出口高溫氣體冷卻，無熱循環在閃蒸器前可不設段間冷卻以節約壓縮機投資。但對無熱循環來說，要在閃蒸器中實現充分的熱交換，并保證下一段壓縮機入口不帶液，勢必對閃蒸器提出了更高的設計要求。

3.4 入口阻力壓損與出口過飽和壓縮

理論制冷循環中壓縮機的入口與出口壓力均為氣化溫度與冷凝溫度對應的飽和壓力，此時總壓比為最小壓比，壓縮功也最小。以－40℃氣化、40℃冷凝的制冷循環為例，氨的總壓比為21.53，丙烯為11.68，丙烷為12.35。

實際制冷循環中，制冷劑氣體輸送過程中的阻力損失是不可避免的，當入口阻力損失為10kPa時，氨的入口壓力由72kPa降至62kPa，壓比增至25。丙烯增至12.57，丙烷增至13.57。由于氨的入口壓力低，在相同入口壓降的前提下，壓比增大最明顯。實際設計中，選擇適宜的壓縮機吸入管徑以降低流速，減小制冷站與冷量用戶的輸送距離都可以有效的降低入口阻力降。對于入口為負壓的系統，更需減少入口阻力損失。

實際制冷循環中，為確保冷凝器中的制冷劑全部液化，壓縮機出口的排氣壓力一般大于冷凝溫度下的飽和壓力，超壓按過熱3～5℃的溫度下飽和壓力來取值。40℃冷凝下氨、丙烯、丙烷的飽和蒸汽壓分別為1550kPa、1659kPa，1371kPa。若排氣壓力分別給定為 1700kPa、1800kPa、1500kPa，三 者 的 壓 比 則 增 至 27.41、13.63、14.85。對于換熱設施良好的制冷系統，可適當減小過飽和壓縮余量，以降低壓縮功耗。

3.5 過冷器設置

從單級制冷循環的溫熵圖或壓焓圖中可以看出，用外界冷源將冷凝后的飽和制冷劑過冷后再送至蒸發器氣化可以提高制冷系數。實際設計中，過冷器中的冷量往往由系統內部制冷劑閃蒸提供，并非來自外界冷源，所以整個循環的制冷系數并不會提高。過冷的意義是讓飽和制冷劑在克服阻力損失的管道輸送過程中不會氣化，避免兩相流，減少冷量的損失。

3.6 惰氣冷卻器設置

制冷循環中真正起到制冷作用的是制冷劑，系統中混入的氮氣、氬氣等惰性氣體不但降低了蒸發器、冷凝器等換熱設備的換熱效率，還額外增加了壓縮機的軸功。干氣密封泄漏至壓縮機腔體內的氮氣，和初始裝填制冷劑中溶入的惰性組分是系統中惰氣的主要來源。在吸入壓力為負壓的制冷系統中，惰性組分更易混入，通過設置惰氣冷卻器可將惰氣中的制冷劑組分冷凝回收，將剩余惰性組分泄放至火炬。惰性冷卻器的冷量一般源于系統本身，所以自身并不節能，但是由于系統中的惰性組分減少，制冷循環的經濟性會明顯上升。

3.7 其它因素

合理的壓縮機選型可提高壓縮機的多變效率;對輸送制冷劑的低溫管道進行保冷可以降低輸送過程的冷量損耗;優化換熱器的結構設計可提高換熱效率。這些都是提高制冷循環經濟性的措施，在制冷系統的優化設計中要充分考慮。

4 制冷方案能耗對比

影響制冷循環的因素有許多，一味追求過高的制冷系數雖然降低了整個系統的能耗，但也使系統復雜化，增加了壓縮機等關鍵設備的投資。下面以氨、丙烯、丙烷為例，對－40℃氣化、40℃冷凝的壓縮制冷流程進行了多種方案的流程模擬對比和能耗對比，實際工程設計中可結合設備投資和能耗等因素，綜合分析，選擇最優流程。

基于 Aspen Plus模擬分析，以 －40℃、10000kW冷負荷為制冷需求，物性方法選擇為RK－SOAVE，壓縮機各段的多變效率取0.78，機械效率近似為1，循環給水、回水溫度分別為30℃、40℃，壓縮機采用9.8MPa高壓過熱蒸汽透平驅動，透平采用水冷。年運行天數為330d，高壓蒸汽和冷卻水分別按150元/t、0.5元/t折算。

4.1 氨壓縮制冷

氨壓縮制冷由于總壓比大，氣體絕熱系數大，多變壓縮氣體升溫明顯，所以必須采用段間冷卻或閃蒸補氣的方法來降低壓縮機出口溫度。對于氨壓縮制冷不完全冷卻流程而言，由于一段壓比大，出口溫度高，一段出口段間水冷器不能省略。圖4列出了可行的氨制冷流程示意圖，氨壓縮機的入口壓力、二段入口壓力、三段入口壓力、排出壓力分別按62kPa、500kPa、1000kPa、1700kPa選取。氨壓液制冷方案能耗對比見表4。

圖4 氨壓縮制冷方案對比圖

表4 氨壓縮制冷方案能耗對比表

4.2 丙烯、丙烷壓縮制冷

丙烯壓縮制冷總壓比小，氣體絕熱系數小，多變壓縮氣體溫升不大，采用一級壓縮出口溫度一般也在100℃以下。由于多級壓縮時低壓段出口溫度一般低于40℃，丙烯壓縮制冷不宜采用段間冷卻，而采用閃蒸補氣的方法來提高制冷循環的經濟性。圖5列出了可行的制冷流程示意圖，壓縮機的入口壓力、二段入口壓力、三段入口壓力、排出壓力按131kPa、300kPa、750kPa、1800kPa來選取。

圖5 丙烯、丙烷壓縮制冷方案對比圖

丙烷的熱力學性質與丙烯接近，其壓縮制冷循環流程圖同丙烯。壓縮機的入口壓力、二段入口壓力、三段入口壓力、排出壓力按101kPa、250kPa、600kPa、1500kPa來選取。丙烯、丙烷壓縮制冷方案能耗對比分別見表5和表6。

4.3 比較分析

氨制冷方案中，c方案與f方案的制冷系數最高，兩者的能耗費用也最低。增加段間冷卻器、閃蒸器的數量可明顯提高氨制冷系統的制冷系數。通過對比可以發現，氨制冷中閃蒸完全冷卻循環(無熱循環)的制冷系數要高于閃蒸不完全冷卻循環 (回熱循環)，但隨著段間冷卻器和閃蒸器數量的增加，這種優勢不再明顯。c方案的制冷系數為1.75，f方案為1.74，兩者相差無幾。

表5 丙烯壓縮制冷方案能耗對比表

表6 丙烷壓縮制冷方案能耗對比表

丙烯制冷與丙烷制冷的七種流程模擬結果相似，c方案與f方案的制冷系數最高。閃蒸完全冷卻循環 (無熱循環)與閃蒸不完全冷卻循環 (回熱循環)相比無優勢。在上述方案中，丙烯的最高制冷系數為1.70，丙烷的最高制冷系數為1.72，氨的最高制冷系數為1.75，可見通過流程的優化，單級理想壓縮制冷中制冷系數小的丙烯、丙烷可以逐漸接近甚至超過氨。

以10000kW的制冷量為基準，比較制冷系數和年能耗費用的關系，可以發現制冷系數每提高0.1，年能耗費用可減少約220萬。復雜的制冷系統、較高的制冷系數可大量節約能耗費用。但實際中簡化的制冷系統可以減少初期固定投資，有利于項目初期節約成本。以丙烯、丙烷壓縮機為例，壓縮機省去了段間冷卻器的設置，其設備投資相比氨壓縮機減少約20%。此外制冷劑的市場來源、采購成本、市場價格、貯運設施等也會間接影響制冷系統的投資，都需要在制冷方案確立時重點考慮。

5 結語

對于制冷系統而言，沒有最好的制冷劑，只有最優化的設計和最經濟的方案。傳統的制冷壓縮工藝雖已成熟，但系統優化與節能減排仍有探索的空間。通過對氨、丙烯、丙烷三種制冷劑壓縮制冷流程的綜合比較，給出了多種流程下的制冷系數和能耗估算，為衡量和評價整個制冷系統的經濟性提供參考依據。

1 張祉祐等.制冷原理與設備［M］.北京:機械工業出版社，1987.

2 楊一凡.氨制冷技術的應用現狀和發展趨勢 ［J］.制冷學報，2007(08):12－19.

3 肖敦峰，李 舒等.制冷裝置節能降耗影響因素及設計方案優化［J］.化肥設計，2011:49(3).

4 陳鐘秀等.化工熱力學 ［M］.北京:化學工業出版社，2001.