混合工質低溫氣體液化系統降溫規律動態模擬研究

張鐠 郭開華 鄧文源 鄧勵強

(中山大學工學院 廣州 510006)

混合工質低溫氣體液化系統降溫規律動態模擬研究

張鐠 郭開華 鄧文源 鄧勵強

(中山大學工學院 廣州 510006)

混合工質低溫氣體液化裝置降溫耗時長，系統循環工質組成對降溫速度的影響大，優化工質的充裝方法與步驟對系統的快速降溫與可靠運行至關重要。基于氣液兩相容積節點原理建立了混合工質低溫氣體液化系統動態模擬方法，并由實際混合工質循環氣體液化系統降溫過程的動態實驗數據進行驗證。重點開展了不同溫度區間的工質充裝對系統降溫規律的影響研究，結果表明當充裝工質的相變溫區接近系統最低溫度時，系統降溫速度最快；基于文中實驗系統對甲烷及氮氣充裝溫區的工質充裝量的優化研究結果表明，甲烷的工質充裝量在12%～16%系統總工質摩爾量、氮氣的工質充裝量在9%～12%系統總工質摩爾量時，更利于實驗系統的快速降溫和安全運行。

混合工質；低溫系統；降溫特性；工質充裝規律；動態模擬

混合工質低溫循環系統憑借其設備省、效率高等優勢，已在天然氣液化、小型低溫制冷設備中得到了廣泛應用[1－3]。在混合工質循環氣體液化系統的設計、調試和運行中，如何可靠高效地實現系統降溫，是生產實際中的重要課題。國內外關于混合工質低溫系統降溫過程動態特性研究的文獻報道相對較少: 2006年，Maytal BZ等[4]進行了以混合工質替代N2或Ar的低溫系統實驗研究，表明在降溫速度等多個性能方面混合工質具有優勢；2008年，Walimbe NS 等[5]實驗報道在不同混合工質充裝下的系統降溫速度；2010年，Lee J等[6]的低溫熱管系統實驗表明，采用混合工質可使得熱管系統降溫比采用N2耗時縮短17.8%；2013年，Lewis R等[7]的研究表明，與混合工質相比使用單純工質可使得系統在特定溫區降溫速度較快。已有的研究報道未能明確解釋和量化描述混合工質低溫系統的降溫規律，系統降溫與工質充裝過程的關系也未引起足夠的重視[8－10]。實際上，在混合工質低溫系統降溫過程中，合理利用混合工質各組成在不同的溫區制冷效能，優化工質充裝步驟與過程，是實現系統快速降溫的關鍵[11－12]。

采用動態系統分析方法可更加準確精細地揭示系統的運行降溫特性，本文基于氣液兩相容積節點原理，建立混合工質低溫循環系統動態模擬方法，對系統中主要設備進行動態建模，并結合實驗數據進行了模型驗證。重點對不同溫區的充裝工質及工質充裝量進行了模擬優化研究，給出系統快速降溫及安全運行需遵循的工質充裝原則，以及不同溫區工質充裝量的充裝建議。

1 動態模型及驗證

1·1 實驗及動態模擬系統

混合工質低溫循環氣體液化系統實驗流程如圖1所示，實驗設備及測試儀器詳情如同文獻[11]。

圖1 實驗系統流程簡圖Fig·1 Process sketch of MR cryogeniCsystem

動態模擬系統的節點網絡拓撲系統如圖2。在建立的動態模擬系統中，所有容積節點均考慮了多元混合物的氣液兩相狀態。壓縮機模型為雙節點(吸氣節點1-a、排氣節點1-c)；帶換熱器的氣液分離器模型包括氣液分離器容積節點(5-a)和換熱器(5-c)節點；多股流換熱器模型的高、低壓工質通道及氣體液化通道分別包括通道節點及出口節點。

圖2 系統節點-網絡拓撲圖Fig·2 Node-net topology of MR cryogeniCsystem

1·2 模型原理

1)氣液兩相容積節點模型

各容積節點的工質囤量(m)、壓力(p)、工質組成(zi，)、溫度(T)的變化，可分別由質量守恒方程、物料守恒方程和能量方程給出，基本方程如下:

對于N元混合工質(本文采用六元工質)，式(1)中組分zi的方程共包括N-1個獨立方程。式(1)中:V為節點容積，m3；h為流入流出節點工質焓，kJ/kg；u為節點工質內能，kJ/kg；c為節點熱容，kJ/℃；CV為節點工質的定壓比熱容，kJ/(kg·℃)；下標in，out分別表示流入、流出節點。

兩相節點模型涉及到的輔助求解方程包括壓力流量方程、傳熱方程和多元混合物相平衡及狀態方程。

壓力流量方程和傳熱方程為:

壓縮因子Zm的單相或氣液兩相形式表示為:

式中:Ki為相平衡常數，其相平衡方程為:

物性參數密度、焓、內能等均可通過相應的狀態方程和理想氣體比熱方程求得[13]。

2)壓縮機模型

壓縮機采用雙節點模型，其節點-網絡拓撲如圖3所示。雙節點模型由吸氣腔節點1、增壓器件以及排氣腔節點2共同構成。

壓縮機排量方程為:

圖3 雙節點壓縮機節點網絡拓撲Fig·3 Node-net topology of two nodes compressor model壓縮機電功率為:

式中:ηs為壓縮機效率。

3)多股流換熱器模型

多股流換熱器節點包括通道節點及出口節點，其節點網絡拓撲系統如圖4。各節點求解方程如方程組(1)，傳熱計算中取換熱器進出口節點對數平均溫差為換熱溫差，多股流換熱器的高、低壓側間的傳熱熱阻Ra，b根據實驗回歸計算擬合，由式(12)和式(13)確定。

圖4 三股流換熱器節點-網絡拓撲Fig·4 Node-network topology of MSHE model

式中:U為平均換熱系數，W/(m2·℃)；A為換熱面積，m2；U0為在流量0(0.04 kg/s)時實驗回歸計算所得的平均換熱系數，W/(m2·℃)。

4)節流閥模型

將節流閥模型考慮為節流器件和一個無容積熱容、有漏熱的節點模型，如圖5所示。

節流過程的流量方程和能量方程如式(14)和式(15):

式中:k為閥門全開時流量系數；Cv%為閥門開度系數；he、hi分別為節流閥進出口節點焓值，kJ/kg；Qleak為節點漏熱量，kJ。

圖5 節流閥模型拓撲Fig·5 Node-network topology of J-T valvemodel

1·3 降溫特性的實驗驗證

實驗系統采用的混合工質壓縮機為全封閉渦旋式壓縮機，型號為Copeland ZB11MC，其額定功率為11.25 kW，排氣容積為42.1 m3/h；低溫多股流換熱器高壓側與低壓側通道換熱面積為38 m2，低壓側與氣體液化通道換熱面積7 m2。核算得到的壓縮機吸排氣腔熱容為12 kJ/℃和36 kJ/℃；低溫多股流換熱器低、高壓混合工質及液化空氣三股流體通道熱容分別為105.3 kJ/℃、84.25 kJ/℃和10450 J/℃，其與外界環境間的漏熱阻為0.17℃/W[11]。

進行了多次系統實驗，某次實驗系統啟動時狀態為1.25 MPa，20℃，系統制冷工質初始充裝情況見表1。降溫過程的動態模擬結果與實驗數據的對比見圖6、圖7。

表1 系統啟動前工質質量及組成Tab·1 mass and composition in systembefore start-up

由圖6可以看出，模擬結果與實驗能較好吻合，過程中的關鍵操作(如圖中(1)～(9)所示)下的動態特性能得到較好反映，部分關鍵操作((4)、(5)和(9))下系統降溫細節如圖7所示，整個降溫過程中的模擬值與實驗值的最大偏差小于10℃，平均偏差小于3℃，仿真計算結果的正確性得到了驗證。

實驗中實現較快降溫的主要原因是溫區工質的合理添加，對文獻[11]所述測試實驗中甲烷及氮氣制冷溫區的工質添加過程的動態模擬結果示于圖8和圖9。模擬計算值與實驗值變化曲線趨勢一致，甲烷添加過程中模擬值與實驗值的最大偏差小于2℃，氮氣添加過程中最大偏差不大于3℃，整體平均偏差均小于1℃。工質添加降溫過程的模擬計算結果得到較好驗證。

圖6 系統降溫過程實驗值及模擬值Fig·6 Experimental and simulation data of system’s temperature decreasing process

圖7 關鍵操作下系統降溫細節圖Fig·7 Temperature decreasing details under key operations

圖8 添加CH4對系統降溫影響的實驗及模擬值Fig·8 The temperature decreasing comparison between experimental and simu lated data after CH4charge-in

圖9 添加N2對系統降溫影響的模擬及實驗值Fig·9 The temperature decreasing comparison between experimental and simulated data after N2charge-in

2 充裝工質選取及充裝量優化研究

基于驗證后的模型，對系統降溫過程的工質質充裝選取及不同溫區的工質充裝量進行了研究。下文中所涉及的工質充裝量定義為:充裝工質摩爾量與系統中工質總摩爾量的百分比。

2·1 不同工質充裝的系統降溫特性模擬研究

圖10示出在節流閥前后溫度為 －115.32℃、－125.20℃，系統高、低壓壓力為1.213 MPa、0.327 MPa，工質中 C1、C2、C3、N2、C4、C5的摩爾組分為16.4%、19.1%、43.3%、15.2%、3.8%、2.2%，工質總量約167.1 mol時，向系統中分別添加10%的甲烷(C1)、氮氣(N2)或乙烷(C2)后的系統降溫特性。由圖可以看出，C1工質的添加對系統降溫最為有利，系統節流閥前后溫度在0.5 h內分別降低了4.2℃和5.1℃；添加N2工質的效果次于C1工質，0.5 h內系統最低溫度分別降低了1.2℃和2.0℃；添加C2工質對系統的降溫幾乎無任何促進效果。究其緣由，C1工質的相變溫區恰好位于－120℃溫區，該工質的添加加劇了混合工質在該溫區的相變吸熱，從而加速了系統降溫；N2工質在該溫區也具有一定的節流制冷效應，但不發生相變，對系統降溫促進作用不明顯；而C2工質在該溫區不具任何制冷效用。

圖10 不同工質添加對系統降溫的影響Fig·10 The system’s temperature decreasing vary with different refrigerant charge-in

在－140℃以下溫區的降溫規律相似，這時混合工質中C1工質逐漸喪失其制冷效應，系統的進一步降溫需依靠相變溫區更低的N2工質的補充充裝來實現。因此針對不同溫區，應選擇相變溫度在相應溫區的制冷工質進行補充充裝，以有效加快系統降溫的速度。

2·2 甲烷制冷溫區工質充裝量參數研究

在－120℃溫區，補充加入甲烷工質有利于系統的快速降溫。為優化甲烷充裝量，進行了甲烷添加量對系統降溫特性的影響研究。

圖11和圖12示出不同C1添加量對系統降溫特性和壓縮機功率的影響。隨甲烷工質充裝量從0%增大到20%，系統降溫速度加快，同時系統壓縮機功率不斷增大，當C1添加量達16%和20%時，壓縮機最大功率分別達10.73 kW和11.32 kW，接近或超過了壓縮機額定功率11.25 kW。因此在甲烷工質充裝溫區，甲烷工質的單次充裝量保持在12%～16%時，可保證系統在正常工作的情況下實現較快降溫。

2·3 氮氣制冷溫區工質充裝量參數研究

在－140℃以下溫區，在系統中C1、C2、C3、N2、C4、C5摩爾組分為34.1%、15.9%、32.7%、12.2%、3.1%、2%，系統工質量約204.2 mol時，進一步補充氮氣可加快系統降溫。

圖11 甲烷充裝量對系統降溫特性的影響Fig·11 The system’s temperature decreasing vary with themount of CH4charge-in

圖12 甲烷充裝量對壓縮機功率變化的影響Fig·12 The compressor work change vary with themount of CH4charge-in

圖13和圖14給出不同N2添加量對系統降溫特性和壓縮機功率的影響。隨氮氣充裝量從0%增大到15%，系統降溫速度加快，同時壓縮機功率不斷增大，當N2工質添加量為12%、15%時，模擬計算得到的壓縮機功率分別達10.62 kW、11.38 kW，此時可能造成壓縮機工作超負荷而異常停機，不利于系統安全運行。因此在N2制冷溫區，應保持N2工質單次充裝量在9%～12%，以確保系統快速降溫及安全運行。

3 結論

基于氣液兩相容積節點模型，建立了可操作交互式混合工質循環氣體液化系統的動態特性模擬計算平臺，平臺計算結果得到了實驗系統降溫數據的驗證。對系統降溫過程中的工質充裝選擇及工質充裝量進行了參量研究，表明合理充裝工質可有效的加快系統降溫，同時保證系統的安全運行。具體而言，在－120℃左右溫區時選擇補充適量C1，在－140℃以下溫區選擇補充適量 N2，可有效加快系統降溫的速度。

建立的氣液兩相容積節點模型和動態模擬方法可以較準確的分析混合工質低溫循環氣體液化系統的降溫規律。建立的模擬計算平臺具有可操作性，可為實際工程裝置降溫過程的調試優化提供科學可靠的預測手段和操作建議。

圖13 氮氣充裝量對系統降溫特性的影響Fig·13 The system’s temperature decreasing vary with themount of N2charge-in

圖14 氮氣充裝量對壓縮機功率變化的影響Fig·14 The compressor work change vary with themount of N2charge-in

本文受中山大學-BP液化天然氣中心項目(99103-9390001)和廣東省教育廳液化天然氣與低溫技術重點實驗室項目(39000-3211101)資助。(The projectwas supported by SYSU-BPCenter for LNG Education，Training and Research(No. 99103-9390001)and Key Laboratory of LNG CryogeniCTechnology Department of Education of Guangdong Province(No.39000-3211101).)

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About the author

Zhang Pu，male，Ph.D.，candidate，School of Engineering，Sun Yat-Sen University，＋86 20-39332981，E-mail:zhangpuhaha＠163.com.Research fields:experimental and dynamiCcharacteristics study on mixed-refrigerant small-scale gas liquefaction system.

Dynami CSimulation on Temperature Decreasing Charac teristics of mixed-refrigerant Cryogeni CLiquefaction System

Zhang Pu Guo Kaihua Deng Wenyuan Deng Liqiang

(School of Engineering，Sun Yat-Sen University，Guangzhou，510006，China)

The cooling process ofmixed-refrigerant(MR)cryogeniCsystemis time-consuming，the composition ofMR has significant influence on the temperature decreasing rate，and the optimization of the MR charging process is crucial in order to obtain quick temperature decreasing rate and reliable running condition.Based on the fundamental principle of two phase volume node，this article established dynamiCsimulation method for MR cryogeniCsystem.The simulation results are validated by the experimental data successfully.Themain work focuses on the temperature decreasing characteristics of the systemwith different refrigerant charging process.The results reveal that when the phase change temperature of the charging refrigerant is around the systemtemperature，the temperature decreasing rate is the quickest.In their own charging temperature field，when the charging CH4is12%～16%，and N2is9%～12%of totalMR in systemon mole basis，the temperature decreasing rate and working condition of the studied systemin this article can be promoted effectively during these two cooling process.

mixed refrigerant；cryogeniCsystem；temperature decreasing characteristics；refrigerant charging rule；dynamiCsimulation

TB61＋2；TB657.8

A

0253－4339(2015)02－0071－07

10.3969/j.issn.0253－4339.2015.02.071

張鐠，男，博士研究生，中山大學工學院，(020)39332981，E-mail:zhangpuhaha＠163.com.研究方向:小型混合工質低溫氣體液化系統及其動態特性研究。

2014年6月24日