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正理庄高89CO2采集处理工程氨制冷工艺优化研究

摘要：

关键词：制冷

能源的有限性和过度的消耗所带来的负面问题是一对尖锐的矛盾。制冷技术毫不例外的成为这一矛盾的一份子，带来了严峻的能源和环境问题[1]。无论是从事理论研究和开发还是从事工业生产的相关人员，均应把高效、节能、减排作为研究目标[2,3]。随着制冷技术在油田的推广应用[4,5]，作为工程设计人员，有必要对制冷技术进行了解和掌握。基于此，我们以正理庄高89CO2采集处理工程中的氨制冷装置为例进行了模拟研究，并提出了相应的优化措施，以期对工业设计和实际生产有一定的参考。

1、正理庄氨制冷装置流程现状

正理庄油田高89块CO2采集处理工程中氨制冷装置主要由压缩机（带电机）、冷凝器、蒸发器、经济器、节流阀等单体设备组成，设计日处理原料气CO2量为7.6×104m3/d（波动范围70%～110%），满足近期120t/dCO2液化规模要求。工作过程中，氨制冷装置需要分别给液化器、过冷器和塔顶冷凝器提供冷量。其中CO2在液化器内和过冷器内均需冷却到-20℃

厂家提供的氨制冷机组设计工艺参数如表1所示。

表1厂家提供的氨制冷机组设计工艺参数

名称

操作参数

单位

数量

压缩机

进口

压力

kPa

117.5

温度

℃

-30

流量

kg/h

1613

出口

压力

kPa

1550

温度

℃

78.6

流量

kg/h

1922

经济器

出口

压力

kPa

1520

温度

℃

-8

流量

kg/h

1613

冷凝器

出口

温度

℃

40

2.氨蒸汽压缩制冷工艺原理

氨蒸汽压缩制冷属于液体相变制冷，即利用制冷剂氨液体在汽化时产生的吸热效应，达到制冷目的[6]。制冷工艺流程如图1所示。蒸汽压缩式制冷的工作原理是制冷剂在压缩机、冷凝器、经济器、节流阀和蒸发器等热力设备中经历压缩、放热冷凝、过冷、节流和吸热蒸发等热力过程，完成制冷循环。来自冷凝器(的制冷剂液体分成两路:一路流经节流阀，压力降至中间压力pE，由换热器管程流入经济器；另一路直接进入经济器壳程。流经节流阀的液体流量通过经济器回气过热度调节节流阀的开启度进行控制，并且流过节流阀后成为低温两相制冷剂，在换热管内与管外的高温液体制冷剂进行热交换，成为过热蒸汽，直接进入压缩机补气口。而壳程制冷剂形成的过冷液体流经系统供液阀，供液至蒸发器。过冷液体吸收蒸发器内冷却介质的热量而气化，从而降低冷却介质的温度达到制冷的目的；气化后的气态制冷剂和经济器来的高压制冷剂被压缩机压缩成高温高压蒸汽，经冷凝器冷凝放出汽化潜热成为饱和液。

图1氨蒸汽压缩制冷工艺原理图

3.氨制冷工艺模拟与优化

图2氨制冷模拟工艺流程图

运用HYSYS模拟流程对所研究的氨制冷装置进行流程模拟，模拟流程图如图2所示。根据厂家提供的参数模拟得出冷凝温度为-39℃，蒸发温度为-30℃，经济器温度为-8℃，制冷量为565kW时，氨压缩机的轴功率为290.7kW，氨液循环量为1896kg

3.1蒸发温度的优化

蒸发温度是制冷流程中重要的运行参数。蒸发温度是根据制冷工艺的要求，通过技术分析综合考虑后确定的。蒸发温度体现了制冷系统的制冷能力和被冷却物质对制冷深度的要求。分别在在冷凝温度39℃、无经济器以及经济器温度-8℃条件下改变蒸发温度，模拟其对系统影响结果如图3（a）、（b）。由图可知，在这两种条件下，随着蒸发温度的升高，氨循环量以及压缩机功率均是降低，故在满足制冷工艺（冷却介质与被冷却介质至少保持5℃的温差）的前提下应尽量选择较高的蒸发温度，由于塔顶冷凝器内需被冷却到-23℃

图3蒸发温度对氨循环量和压缩机功率的影响：（a）无经济器；（b）经济器温度：-8

3.2冷凝温度的优化

冷凝温度是制冷循环中关键的参数。对于制冷系统，其它设计参数变化浮动范围很小，冷凝温度的变化直接关系到制冷装置的制冷效果、安全性和能耗水平。分别在蒸发温度-30℃、无经济器和经济器温度-10℃条件下改变冷凝温度，模拟其对系统影响结果如图4（a）、（b）所示。由图可知在两种条件下，氨循环量和压缩机功率均随冷凝温度的降低而降低。因此在条件允许的情况下应尽可能选择低的冷凝温度。而选定冷凝温度的先决条件是冷却形式和自然环境条件。对于采用自然水或空气为冷却介质的冷却机组，由于季节的变化，自然水和空气的温度变化较大，冷凝温度变化幅度也较大。在夏季冷却循环水进口温度30℃。考虑到传热温差、节能因素和设计习惯，一般取冷凝温度为39℃。而在春秋两季，冷却水的自然平均温度15℃，可取冷凝温度为25

图4冷凝温度对氨循环量和压缩机功率的影响：（a）无经济器；（b）经济器温度：-8

3.3经济器温度的优化

经济器主要应用于螺杆式压缩机的制冷循环中，一台单级螺杆制冷压缩机可以发挥两台压缩机进行两级压缩制冷的性能特点。