丙烷制冷影響因素敏感性分析

孫燕慶

摘 要：針對丙烷制冷影響因素的敏感性問題，本次研究首先對丙烷制冷工藝進行簡單介紹，在此基礎上，通過建立模型的方式，對丙烷制冷的影響因素進行模擬，最后進行敏感性分析，為現場生產作業提供理論指導。通過本次研究可以發現，蒸發后的溫度、冷凝后的溫度以及預冷后的溫度都會對壓縮機運行過程中能耗產生重要影響，但是，蒸發后溫度對于壓縮機運行的能耗影響較為敏感，預冷后溫度對于壓縮機運行的能耗影響最不敏感。

關鍵詞：丙烷制冷;影響因素;敏感性分析;壓縮機;脫水效果

0 前言

所謂的丙烷制冷主要指的是將丙烷作為制冷劑，對天然氣進行低溫處理，通過熱交換的基本原理，使得天然氣在較低溫度下進行脫水處理。目前，盡管丙烷制冷工藝投入到應用之中不超過20年，但是該項技術已經得到了大面積的推廣和應用，這主要是因為丙烷制冷工藝的流程相對較為簡單，能耗相對較低，可以滿足天然氣脫水的基本目的[1]。但是在使用丙烷制冷工藝的過程中，多種溫度因素會對其產生影響，最終影響壓縮機的能耗，如果可以對丙烷制冷的影響因素進行敏感性分析，以此找出敏感性強的溫度因素和敏感性弱的影響因素，則必然會給現場生產作業提供指導。

1 丙烷制冷工藝簡介

在使用丙烷制冷工藝對天然氣進行脫水處理的過程中，首先使用低溫丙烷將天然氣的溫度降低，然后將低溫狀態下的天然氣輸送到分離器中，將天然氣中的水分脫離出來，然后將使用后的丙烷輸送到壓縮機組內，對丙烷進行壓縮，由于壓縮放熱，此時丙烷將恢復到低溫狀態，通過這個相對較為簡單的流程，即可實現天然氣脫水處理以及丙烷的循環使用。通過對整個工藝進行分析后發現，壓縮機是整個工藝過程中能耗設備，丙烷制冷工藝所需要的能耗主要由壓縮機所決定，因此，進行丙烷制冷影響因素敏感性分析，就是進行整個過程中壓縮機能耗的敏感性分析。目前，針對石油化工領域模擬的軟件相對較多，相對而言，HYSYS軟件的應用范圍相對較廣，這主要是因為該軟件的模擬精度相對較高，且模擬過程相對較為穩定，因此，本次研究將采用HYSYS軟件[2]。通過文獻調研可以發現，對丙烷制冷工藝產生影響的因素主要包括四個方面，分別是預冷后的溫度、空冷器出口位置處的溫度、節流后的壓力以及整個工藝過程中天然氣的輸量，因此，本次研究將主要對這四方面的影響因素進行敏感性分析，本次研究所采用的天然氣組分來自于我國某氣田企業，天然氣的含水率為0.38%，HYSYS模型完全按照現場丙烷制冷工藝建立。

2 丙烷制冷影響因素敏感性分析

通過改變天然氣的流量可以發現，隨著天然氣流量的逐漸增加，丙烷的消耗量以及壓縮機的能耗都在逐漸升高，天然氣流量對于丙烷消耗量以及壓縮機能耗的影響十分明顯，當天然氣的流量為400000m3/h時，丙烷的用量為50156m3/h，壓縮機的能耗為2.712×109m3/h;當天然氣的流量為500000m3/h時，丙烷的用量為60781m3/h，壓縮機的能耗為3.412×109m3/h;當天然氣的流量為600000m3/h時，丙烷的用量為75126m3/h，壓縮機的能耗為3.993×109m3/h;當天然氣的流量為700000m3/h時，丙烷的用量為85430m3/h，壓縮機的能耗為4.721×109m3/h，綜合而言，在使用丙烷制冷工藝的過程中，氣田企業需要根據自身的產能對丙烷的用量以及壓縮機的數量進行準確的確定[3]。

通過改變預冷后的溫度可以發現，當進站溫度不同時，預冷后天然氣的溫度也必然會存在較大的差別，通過模擬可以發現，當預冷后的溫度升高時，丙烷的消耗量以及壓縮機運行的能耗都會增加，且增加的趨勢相對較為明顯，當預冷后的溫度為-7℃時，丙烷的用量為30156m3/h，壓縮機的能耗為1.526×109m3/h;當預冷后的溫度為-2℃時，丙烷的用量為46253m3/h，壓縮機的能耗為2.382×109m3/h;當預冷后的溫度為3℃時，丙烷的用量為61523m3/h，壓縮機的能耗為3.326×109m3/h;當預冷后的溫度為8℃時，丙烷的用量為72153m3/h，壓縮機的能耗為4.426×109m3/h。綜合而言，在使用丙烷制冷工藝的過程中，工作人員需要盡可能的提高天然氣脫水處理之前的預冷效果，進而使得丙烷制冷工藝中丙烷的用量以及壓縮機的能耗都可以得到一定程度的降低。

所謂的冷凝溫度主要指的是空冷器出口位置處的問題，一般情況下，隨著季節和環境溫度的變化，冷凝溫度也會出現一定程度的變化，對于丙烷制冷工藝系統而言，如果其他設計參數都相對較小，則冷凝溫度將會對系統的制冷水平產生嚴重的影響。通過對冷凝溫度進行全面的分析后發現，隨著冷凝溫度的提升丙烷的消耗量以及壓縮機的能耗都在持續升高，當冷凝溫度為15℃時，丙烷的用量為42682m3/h，壓縮機的能耗為2.115×109m3/h;當冷凝溫度為20℃時，丙烷的用量為45621m3/h，壓縮機的能耗為2.212×109m3/h;當冷凝溫度為25℃時，丙烷的用量為47216m3/h，壓縮機的能耗為2.324×109m3/h;當冷凝溫度為30℃時，丙烷的用量為50842m3/h，壓縮機的能耗為2.482×109m3/h。綜合而言，降低冷凝溫度，有利于提高丙烷制冷系統的制冷能力，但是，冷凝溫度也存在一定的極限值，當冷凝溫度高于某一數值時，丙烷將會處于氣態，此時會對節流制冷產生非常嚴重的影響。

在丙烷制冷工藝中，丙烷蒸發器也是非常重要的組成部分，制冷劑流過節流閥屬于一個絕熱的過程，節流閥的主要作用就是降低節流溫度，同時對丙烷的流量進行有效的控制，因此，節流壓力也會對制冷效果產生重要的影響，一般情況下，節流壓力降低，則蒸發溫度就會降低。通過分析發現，隨著節流后壓力的逐漸降低，壓縮機所需要的能耗增加，這主要是因為在空冷器出口位置處溫度不變的前提下，進入到蒸發器中的丙烷量是一定的，通過控制節流壓力，可以對蒸發溫度進行有效的控制，節流壓力降低，壓縮機的進氣壓力就會降低，壓縮機前后壓差就會增加，此時壓縮機的能耗就會增加。盡管節流壓力降低可以使得溫度降低，進而滿足降低天然氣溫度的要求，但是這并沒有使得整個制冷系統的制冷量得到有效的提高。通過進一步深入研究發現，在壓縮機出口位置處溫度保持不變的前提下，隨著節流壓力的逐漸降低，丙烷制冷工藝中所需要的丙烷量也會逐漸增加。如果保持丙烷用量不變，所以節流壓力的逐漸增加，所可以獲取的溫度也會逐漸降低，此時的制冷量不但不會增加，而且還會降低，這主要是因為制冷劑在經過節流以后，由于壓力的降低，此時部分丙烷會變成飽和狀態的蒸汽，制冷劑的流量就會逐漸降低，所以制冷量也會逐漸降低，由此可見，雖然蒸發溫度會對制冷劑的用量產生重要的影響，但這并不是制冷劑用量的唯一影響因素。

在上文分析中指出，天然氣的輸量、冷凝溫度、預冷后的溫度以及蒸發后的溫度等四大因素都會對丙烷制冷系統產生非常嚴重的影響，但是這四種因素影響的嚴重程度并不明確，所以需要對其進行敏感性分析，由于在整個丙烷制冷工藝中，壓縮機是主要的耗能設備，因此，在進行敏感性分析的過程中，可以將壓縮機的能耗看作是評價指標，然后通過使用敏感系數法的方式，就可以對各個影響因素的敏感系數進行計算。將各個影響因素分別改變-50%、50%、100%，然后對壓縮機的耗能情況進行計算后發現，蒸發后的溫度因素對壓縮機能耗的影響最為嚴重，預冷后的溫度對于壓縮機能耗的影響最為輕微。

3 結論

在本次研究中，首先對丙烷制冷工藝進行了簡單介紹，然后通過建立模型模擬的方式，對丙烷制冷工藝中的影響因素進行了敏感性分析，通過本次研究可以發現，天然氣的輸量、冷凝溫度、預冷后的溫度以及蒸發后的溫度等四大因素都會對丙烷制冷系統產生非常嚴重的影響，其中，蒸發后的溫度因素對壓縮機能耗的影響最為嚴重，預冷后的溫度對于壓縮機能耗的影響最為輕微。

參考文獻：

[1]王治紅，李智，葉帆，等.塔河一號聯合站天然氣處理裝置參數優化研究[J].石油與天然氣化工，2013（06）：561-566.

[2]潘紅宇，李玉星，朱建魯.丙烷預冷混合制冷劑液化工藝原料氣敏感性分析[J].化工學報，2015，66（S2）：12-15.

[3]劉猛，張娜，蔡睿賢.氨吸收式串聯型制冷和動力復合循環及敏感性分析[J].中國電機工程學報，2006，26（01）：1-7.