單混合制冷劑液化工藝熱力學(xué)探討

楊振國

關(guān)鍵詞：單混合制冷劑;液化工藝;熱力學(xué)

1理論基礎(chǔ)和意義

分析液化流程之前，要介紹液化工藝熱力學(xué)相關(guān)理論知識。

天然氣液化后會急劇濃縮，體積只有氣態(tài)時(shí)的1/600，可便于運(yùn)輸，對天然氣跨國貿(mào)易和偏遠(yuǎn)地區(qū)的少量天然氣回收具有重要意義。在對天然氣進(jìn)行液化時(shí)，只有以大量能量作為支撐，才能提高制冷循環(huán)的效率，如何在此基礎(chǔ)上降低裝置的能耗，是當(dāng)前應(yīng)解決的主要問題。

混合制冷循環(huán)是新興技術(shù)，但是效率超過其他制冷技術(shù)，在天然氣液化方面具有很高的效率，目前存在的問題是我國對這項(xiàng)技術(shù)的研究剛剛起步，在實(shí)際操作和制冷劑優(yōu)化方面存在一些問題有待改進(jìn)[1]。

在天然氣液化流程中，首先要對混合天然氣進(jìn)行干燥液化，因此選擇單體式混合空氣制冷劑、采用鋁制循環(huán)繞管式新型快速低溫低冷換熱器作為風(fēng)機(jī)液化空氣部分的主要基礎(chǔ)換熱設(shè)備，制冷劑能快速循環(huán)，同時(shí)需要依靠一臺電動機(jī)驅(qū)動兩級離心空氣壓縮機(jī)，不能使離心壓縮機(jī)在快速散熱的同時(shí)快速轉(zhuǎn)移，從而使高壓空冷器提供大量吸入水的緩沖、為風(fēng)機(jī)制冷劑吸入混合物等，并在恰當(dāng)?shù)牡蜏貢r(shí)吸入，為風(fēng)機(jī)進(jìn)行冷空氣液體的分離等提供的熱容器。選擇的制冷劑組有與天然氣相符的冷卻和加熱曲線，通過增大鋁制繞管式低溫?fù)Q熱器的表面積，降低液化天然氣（Liquefied Natural Gas，LNG）耗費(fèi)的能量[2]。本工藝的主要目標(biāo)是圍繞焓曲線圖，減小天然氣與制冷劑之間的溫差，使其符合標(biāo)準(zhǔn)，避免出現(xiàn)偏差，因此，需要采用兩個(gè)級別的混合制冷劑。

2液化流程設(shè)備的分析模型

在天然氣液化裝置中有眾多設(shè)備相互配合工作，流程如圖1所示。主要設(shè)備有多相流換熱器、壓縮機(jī)、空氣冷卻器、氣液分離器、混合器和節(jié)流閥。本節(jié)主要圍繞主要設(shè)備，提出相應(yīng)的平衡方程，得出各個(gè)設(shè)備?損失的大小，為后續(xù)研究提供相應(yīng)的理論依據(jù)。

忽略工質(zhì)的動能和位能，穩(wěn)流工質(zhì)的焓?可表示為：

2.1 壓縮機(jī)損失

壓縮機(jī)是一種將低壓氣體提升為高壓氣體的從動的流體機(jī)械，是我國現(xiàn)代工業(yè)制冷系統(tǒng)的重要技術(shù)心臟。

3.2 熱力計(jì)算結(jié)果

?分析計(jì)算是以整個(gè)過程中的熱力學(xué)計(jì)算為基本準(zhǔn)則的，可以依據(jù)表1和表2中的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，壓縮機(jī)功耗為13.72 MW、制劑冷提供的冷量為10.68 MW、天然氣消耗的冷量為9.58 MW;制冷效率為69.80%。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，各個(gè)設(shè)備的?損失集中在主要設(shè)備中。

4 降低?損失的措施

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，?損失主要發(fā)生在制冷劑壓縮機(jī)、空氣冷卻器和換熱器中，其中，能量轉(zhuǎn)換的損失較為嚴(yán)重。降低壓縮機(jī)?損失的方法有很多種，最有效、最科學(xué)的方法是合理設(shè)置壓縮機(jī)吸入溫度和壓縮系數(shù)，結(jié)合實(shí)際情況和?損失分析，或者對壓縮機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的改造，最大限度地發(fā)揮壓縮機(jī)的絕熱功效，改造壓縮機(jī)的目的就是提高壓縮機(jī)的絕熱效率，實(shí)現(xiàn)能量損耗的最小化，保證能量得到最大化利用。強(qiáng)化傳熱措施是降低換熱器?損失較為合適的方法，目的是增大換熱面積，將冷卻器中溫度較高的制冷劑和空氣進(jìn)行換熱。因?yàn)榭諝獾臏囟群茈y提高，所以無法重新利用空氣中的熱量。制冷系統(tǒng)的特點(diǎn)之一是對低溫位的熱源沒有需求，所以空冷過程的?損失不能降低。此外，可以采用烴類混合物作為制冷劑減小傳熱溫差，同時(shí)在整個(gè)流程中采用回?zé)岬姆椒ǎ档椭评鋭?yīng)用過程中過多的負(fù)擔(dān)。為了使天然氣和制冷劑之間達(dá)到良好的換熱效果，該過程中必然存在換熱溫差，但是不會引起不良效應(yīng)，所以該方法可以得到良好的應(yīng)用，同時(shí)能保證換熱器在運(yùn)行過程中的溫差均衡[3]。

分析單混合制冷劑液化工藝熱力學(xué)發(fā)現(xiàn)，天然氣在液化過程中存在多方面的能量消耗問題，通過改造壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)以及調(diào)整換熱器和空氣冷卻器，可以顯著降低整個(gè)過程中的?損失，提高制冷系統(tǒng)的應(yīng)用效果。

5 結(jié)語

通過詳細(xì)的案例分析單一和混合空氣制冷劑的制備工藝流程問題，闡述空氣液化制冷工藝中產(chǎn)生?損失的主要原因。通過分析可知，制冷機(jī)中的壓縮機(jī)、空氣加熱冷卻器和空氣換熱器一直是發(fā)生空氣?損失的主要工作場所，其中，?損失量最大之處是把空氣放在冷卻器中。天然氣和制冷劑之間進(jìn)行換熱是有條件的，即要求兩者達(dá)到一定的溫差，但是，換熱溫差會引起不可逆的損失，因此，需要完善制冷劑的功能、降低設(shè)備運(yùn)行的壓力，使換熱器的換熱溫差達(dá)到可以進(jìn)行換熱的標(biāo)準(zhǔn)。后續(xù)研究需找到更好的降低?損失的方法與措施，實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的突破。