氨制冷循環系統中過冷器的作用及其應用

劉 順，杜明洋

(中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250101)

氨制冷循環系統中過冷器的作用及其應用

劉 順，杜明洋

(中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250101)

在煤化工項目中，為滿足低溫甲醇洗等裝置的冷量需求，通常需設置氨制冷循環系統。氨制冷循環系統中冷凝器出口的飽和液氨過冷可提高單位質量液氨的制冷量，從而在冷量需求一定的情況下，減少液氨的用量和氨壓縮機的功耗，實現節能。本文以單級氨制冷理論循環為例說明過冷器的作用，并得出過冷對制冷循環總是有利的，過冷度越大，則越節能的結論；通過分析四種實現過冷的方法，得到既可實現較大過冷度，又適用于氨制冷劑的方法為設置經濟器，即第四種方法。某集團新建氨制冷循環系統采用了此方法，Aspen模擬結果顯示，與無過冷的氨制冷循環系統相比，氨壓縮機功耗降低了8.4%，實現了節能。

氨制冷循環；過冷；經濟器；節能

在煤化工項目中，為滿足低溫甲醇洗、空分及氨合成裝置的冷量需求，需設置一套制冷循環系統，考慮到工程用冷量大及氨合成裝置所產氨本身即是一種制冷劑，常選用氨壓縮制冷系統，氣氨經壓縮冷凝為液氨后輸往低溫甲醇洗、空分及氨合成裝置作為制冷劑。但傳統的制冷方案中通常將冷凝后的飽和液氨直接輸送至冷量用戶，造成制冷劑循環量及氨壓縮機功耗的增加，而液氨的過冷操作則可增加部分制冷量，從而減少制冷劑用量及氨壓縮機功耗，本文主要探討氨制冷循環中過冷器的作用及其在具體項目中的應用。

1 氨制冷循環中過冷器的作用

下面以單級氨制冷理論循環[1]為例說明過冷器的作用。氨壓縮制冷循環流程如圖1所示，各點狀態對應圖2：壓-焓圖。由圖可知：過程1-2表示氨在壓縮機中的等熵壓縮過程，2點狀態為過熱氣氨，過程2-3表示過熱氣氨在冷凝器中等壓冷卻及冷凝過程，3點狀態為飽和液氨，過程3-4為絕熱節流膨脹過程，液氨在節流過程中壓力和溫度都降低，但焓值保持不變，4點狀態為低壓兩相狀態。過程4-1表示氨在蒸發器中的定壓蒸發過程，至此完成循環1-2-3-4-1。

圖1 氨壓縮制冷循環流程圖Fig.1 The flow diagram of ammonia compression refrigeration cycle

圖2 氨壓縮制冷循環p-h圖Fig.2 The pressure-enthalpy diagram of ammonia compression refrigeration cycle

在氨蒸發過程中，q0=h1-h4，q0稱為單位制冷量，即單位質量制冷劑可從熱源吸收的熱量。若在冷凝器與節流膨脹閥之間增加一過冷器，則壓-焓圖中3點(飽和液氨)移至3'點(過冷液氨)，過冷度ΔT=T3-T3'。過冷液氨再經絕熱節流至4'點，經等壓蒸發至1點，完成有過冷的循環1-2-3'-4'-1。由于過冷液氨的比焓較飽和液氨有所下降，由壓-焓圖可知有過冷循環的單位制冷量較無過冷循環增加了Δq0。若用戶的冷量需求一定，則有過冷循環所需制冷劑的量較無過冷循環少，繼而可降低氨壓縮機的功耗。且可得出如下結論：過冷對制冷循環總是有利的，過冷度越大，則越節能。

2 獲得過冷度的方法

獲得過冷度的方法包括以下幾種：(1)利用冷凝器直接過冷，即制冷劑氣體在冷凝器中經歷冷卻-冷凝-過冷三個換熱階段，但受至于冷凝器總傳熱溫差的制約，通常只能獲得1-5℃的過冷度。(2)新增一臺過冷器獲得過冷，利用冷卻介質對流出冷凝器的飽和制冷劑進行過冷，如冷凝器用常溫水冷卻，過冷器則用溫度更低的深井水冷卻。此種方法受制于冷凝器和過冷器所用冷卻介質的溫度差，也不會獲得很大的過冷度。(3)采用回熱循環[1]，即在冷凝器和節流膨脹閥之間增設一換熱器，使來自蒸發器的低溫制冷劑氣體與冷凝器出口的高壓液體進行換熱，由于來自蒸發器的制冷劑氣體溫度很低，因而可使高壓液體獲得較大的過冷度，這種氣-液熱交換器也叫做回熱器。來自蒸發器的制冷劑氣體經換熱升溫(過熱)后再返回壓縮機入口。但此回熱循環對制冷循環的性能系數產生正面或負面影響取決于制冷劑本身的性質，研究表明[1]，采用回熱循環有利的制冷劑有丙烷、CO2等，而氨采用回熱不利，同時由于氨的絕熱指數大，吸氣過熱會使壓縮機排氣溫度過高，影響壓縮機的安全性和可靠性。通常，氨的吸氣過熱度被控制在5℃以內。(4)采用經濟器[2]，即流出冷凝器的飽和制冷劑液體中的一小部分經節流后進入過冷器(又稱經濟器)的盤管外面蒸發，使另一部分飽和液體流經經濟器盤管后達到過冷狀態。節流蒸發后的低溫低壓制冷劑氣體返回壓縮機入口。這種方法也可使制冷劑液體獲得較大的過冷度并且適用于氨制冷循環。

3 氨過冷器的實際應用

某集團新建氨壓縮裝置中采用上述方法中的第四種方法設置了經濟器使液氨過冷以達到降低氨壓縮機組功耗的目的。

本裝置中氣氨經氨壓縮機組壓縮冷卻冷凝及過冷后分別輸往空分、氨合成及低溫甲醇洗裝置內的氨蒸發器節流蒸發提供冷量，氨壓縮機組為四段壓縮，氨冷凝器之后設置兩級過冷器，一級過冷器將飽和液氨(40℃)過冷至7℃，輸往空分工段(蒸發溫度4℃)和氨合成工段(蒸發溫度-13.1℃)，二級過冷器將7℃過冷液氨繼續過冷至-10℃，輸往低溫甲醇洗工段(蒸發溫度-38℃)。其中一級過冷器殼程節流減壓后的氣氨與來自空分工段的飽和氣氨一同作為氨壓縮機III段補氣，二級過冷器殼程節流減壓后的氣氨與來自氨合成工段的飽和氣氨一同作為氨壓縮機組II段補氣，從而構成閉路循環，具體流程詳見圖3。

圖3 設置過冷器氨壓縮制冷循環流程圖

Fig.3 The flow diagram of ammonia compression refrigeration cycle with subcooler

圖4 未設置過冷器氨壓縮制冷循環流程圖Fig.4 The flow diagram of ammonia compression refrigeration cycle without subcooler

與不設置過冷器的氨制冷循環流程(詳見圖4)相比，設置兩級過冷器后的氨制冷流程經Aspen模擬后，計算得氨壓縮機組功耗為2782.6 kW，較不設置過冷氨壓縮機組功耗(3037.6 kW)減少了8.4%，氨壓縮機組降耗明顯，實現了節能。

[1] 陳光明，陳國邦.制冷與低溫原理[M]. 北京：機械工業出版社，2010.

[2] 楊 麗，王 文，白云飛.經濟器對壓縮制冷循環影響分析[J].制冷學報，2010(4): 35-39.

(本文文獻格式：劉 順，杜明洋.氨制冷循環系統中過冷器的作用及其應用[J].山東化工,2017,46(13):77-79.)

The Role and Application of Subcooler in Ammonia Refrigeration Cycle

LiuShun，DuMingyang

(CNOOC Petrochemical Engineering Co.,Ltd.,Jinan 250101,China)

In coal chemical industry,in order to meet the cooling demand of low-temperature methanol wash unit,the ammonia refrigeration cycle system usually needs to be set. Supercooling the saturated liquid ammonia from condenser can improve the unit refrigerating capacity of liquid ammonia,reducing the amount of liquid ammonia and compressor power consumption and achieving energy saving under the situation in which cooling demand is certain. Based on the theory of single stage ammonia refrigeration cycle as an example,effect of subcooler is shown,and the conclusion that supercooling is always favorable to refrigeration cycle,the greater the degree of supercooling,the more energy-efficient is found out; By analyzing four kinds of implementation method of supercooling,setting the economizer,namely the fourth method,can achieve greater degree of supercooling and is suitable for ammonia refrigerant. This method is adopted in a newly-built ammonia refrigeration cycle system. Aspen simulation results show that,compared with the ammonia refrigeration cycle system with no subcooler,the compressor power consumption of this ammonia refrigeration cycle system with subcooler was reduced by 8.4%,achieving the energy saving.

ammonia refrigeration cycle;supercooling;economizer;energy saving

2017-05-03

劉 順(1989—)，男，山東菏澤人，助理工程師，碩士研究生，主要從事煤化工及石油化工設計。

TQ051.5

B

1008-021X(2017)13-0077-03