空氣循環(huán)制冷氮?dú)庖夯瘎?dòng)態(tài)模擬

金立武，于開錄，韓洋洋，岳 強(qiáng)

（中國船舶集團(tuán)有限公司，第七一八研究所，河北 邯鄲056027）

0 引 言

氮?dú)庠谂灤瑧?yīng)用廣泛，但高壓氣瓶數(shù)量較多，占據(jù)較多艙室空間。將氮?dú)膺M(jìn)行液化和儲(chǔ)存，會(huì)節(jié)約艙室資源。在艦船環(huán)境中，采用空氣循環(huán)制冷工藝，將氮?dú)饫淠秊橐旱哂休^高的可靠性和操作性。由于空氣循環(huán)制冷氮?dú)庖夯鞒涛丛谂灤瑧?yīng)用，尚不掌握系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)律與控制方法的問題，在這種情況下，仿真模擬具有一定指導(dǎo)意義。本文采用ASPEN HYSYS軟件，對(duì)氮?dú)庖夯^程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，掌握系統(tǒng)設(shè)計(jì)與不同工況下的運(yùn)行規(guī)律，形成系統(tǒng)控制方案與調(diào)試方法。

1 液化流程簡介

空氣循環(huán)工藝中，空氣循環(huán)和氮?dú)庖夯?dú)立運(yùn)行，互不干擾。循環(huán)壓縮機(jī)啟動(dòng)后，空氣壓力提高到0.7～0.9 MPa，進(jìn)入冷箱。壓縮氣體首先在主換熱器被返流的低溫空氣冷卻到-120～-150℃，隨后進(jìn)入透平膨脹機(jī)的膨脹端，壓力降至約0.03 MPa，溫度降至約-190℃。低溫氣體依次返回液化器和主換熱器，為氮?dú)饫鋮s和液化提供冷量。復(fù)溫后氣體返回到循環(huán)壓縮機(jī)入口，再次進(jìn)行循環(huán)。

氮?dú)庖夯に囍校獨(dú)膺M(jìn)入主換熱器，被返流氣體冷卻到-120～-150℃，隨后在液化器中被-190℃氣體冷卻到約-175℃。氮?dú)庠谠摐囟认峦耆鋮s為液氮，過冷約3℃；液氮隨后節(jié)流減壓到儲(chǔ)存壓力0.4 MPa，進(jìn)入氣液分離器，下面的液氮作為產(chǎn)品最后送入液氮儲(chǔ)罐中，上面蒸發(fā)的氮?dú)鈴?fù)熱后排空。液氮S14與氮?dú)釹0的比值定義為液化率。

空氣循環(huán)氮?dú)庖夯鞒倘鐖D1所示。

圖1 空氣循環(huán)制冷氮?dú)庖夯鞒淌疽鈭DFig.1 The schematic diagram of nitrogen liquefaction by air refrigerating cycle

動(dòng)態(tài)仿真結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 動(dòng)態(tài)仿真流程圖Fig.2 The flowchart of dynamic simulation

通過增加PID控制器（FIC-100、IC-101和PIC-100等）和相應(yīng)的控制面板，修改氮?dú)饬髁俊囟取毫Φ仍O(shè)定值，模擬液氮的流量、溫度、壓力、液化率等隨時(shí)間變化的規(guī)律。

2 動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果

2.1 降溫過程

基于上述模型，通過動(dòng)態(tài)仿真，可以得到氮?dú)庖夯懈鞴晌锪系牧髁亢蜏囟入S時(shí)間的變化過程。

氮?dú)獬鲆夯鞯臏囟茸兓€如圖3所示。

圖3 氮?dú)獬鲆夯鞯臏囟茸兓疐ig.3 The temperature variations of liquid nitrogen at liquefier

由圖3可見，設(shè)備啟動(dòng)后，氮?dú)鉁囟戎饾u降低，并且在110 min后到達(dá)液化溫度約175℃，這個(gè)參數(shù)與氮?dú)庖夯瘶訖C(jī)實(shí)測(cè)降溫時(shí)間接近。

由于艦船上氮?dú)庖夯b置的運(yùn)行受液氮消耗量制約，只能間歇運(yùn)行。在這種情況下，采用空氣循環(huán)制冷的氮?dú)庖夯に嚹軌蛟? h以內(nèi)完成啟動(dòng)，符合艦船使用要求。

2.2 氮?dú)庾兓r

2.2.1 氮?dú)饬髁坎▌?dòng)

氮?dú)庖夯到y(tǒng)在達(dá)到平衡以后，如果氮?dú)獾牧髁俊毫蜏囟劝l(fā)生變化，將對(duì)液氮的產(chǎn)量和液化率產(chǎn)生影響。

當(dāng)?shù)獨(dú)馊肟诹髁繌念~定產(chǎn)量的325 kg/h降低時(shí)，由于空氣循環(huán)提供的冷量富裕，氮?dú)庖夯书_始上升；另一方面，雖然氮?dú)馊肟诹髁繙p少，但是液氮節(jié)流后的液體產(chǎn)量仍然保持穩(wěn)定。當(dāng)?shù)獨(dú)馊肟诹髁肯陆档?75 kg/h以下后，氮?dú)庖夯蔬_(dá)到并穩(wěn)定在100%；而液氮產(chǎn)量也開展逐漸降低。

氮?dú)饬髁坎▌?dòng)與液化率和液氮流量關(guān)系如圖4所示。

圖4 氮?dú)饬髁坎▌?dòng)與液化率和液氮流量關(guān)系Fig.4 The influence of nitrogen flowrate on the liquid nitrogen production and the liquefaction rate

當(dāng)?shù)獨(dú)馊肟诹髁俊念~定產(chǎn)量的325 kg/h增加時(shí)，由于空氣循環(huán)提供的冷量不足，氮?dú)庖夯屎鸵旱a(chǎn)量逐漸降低。

2.2.2 氮?dú)鉁囟炔▌?dòng)

氮?dú)鉁囟炔▌?dòng)與液化率和液氮流量關(guān)系如圖5所示。

圖5 氮?dú)鉁囟炔▌?dòng)與液化率和液氮流量關(guān)系Fig.5 The influence of nitrogen temperature on the liquid nitrogen production and the liquefaction rate

由圖5可見，氮?dú)馊肟跍囟葟?0℃降低時(shí)，液化需要的冷量降低，液氮產(chǎn)量和氮?dú)庖夯释瑫r(shí)都上升；氮?dú)馊肟跍囟仍黾訒r(shí)，液氮產(chǎn)量和氮?dú)庖夯释瑫r(shí)都降低。由于氮?dú)馊肟跍囟茸兓瘞淼睦淞孔兓^低，因此液氮產(chǎn)量和氮?dú)庖夯实牟▌?dòng)幅度較小。

2.2.3 氮?dú)鈮毫Σ▌?dòng)

氮?dú)鈮毫Σ▌?dòng)與液化率和液氮流量關(guān)系如圖6所示。

圖6 氮?dú)鈮毫Σ▌?dòng)與液化率和液氮流量關(guān)系Fig.6 The influence of nitrogen pressure on the liquid nitrogen production and the liquefaction rate

由圖6可見，氮?dú)馊肟趬毫?.9 MPa降低時(shí)，氮?dú)饫淠郎囟冉档停枰睦淞吭黾樱虼艘夯屎鸵旱髁客瑫r(shí)都下降；氮?dú)馊肟趬毫υ黾訒r(shí)，液化率和液氮流量同時(shí)都提升，因此提高壓力有利于氮?dú)庖夯?/p>

3 結(jié) 語

由以上分析可以看出，空氣循環(huán)制冷氮?dú)庖夯に嚲哂休^低的降溫時(shí)間，適合艦船場(chǎng)合的間歇運(yùn)行工況。氮?dú)獾牧髁俊囟群蛪毫Χ紩?huì)影響液氮產(chǎn)量和氮?dú)庖夯省姆抡娼Y(jié)果來看，氮?dú)饬髁孔畲螅浯问堑獨(dú)鈮毫Γ獨(dú)鉁囟鹊挠绊憥缀蹩梢院雎圆挥?jì)。因此在實(shí)際操作過程中，需要時(shí)刻注意氮?dú)饬髁亢蛪毫Φ牟▌?dòng)，保證氮?dú)庖夯纳a(chǎn)穩(wěn)定。