丙烷制冷影响因素敏感性分析

孙燕庆

摘 要：针对丙烷制冷影响因素的敏感性问题，本次研究首先对丙烷制冷工艺进行简单介绍，在此基础上，通过建立模型的方式，对丙烷制冷的影响因素进行模拟，最后进行敏感性分析，为现场生产作业提供理论指导。通过本次研究可以发现，蒸发后的温度、冷凝后的温度以及预冷后的温度都会对压缩机运行过程中能耗产生重要影响，但是，蒸发后温度对于压缩机运行的能耗影响较为敏感，预冷后温度对于压缩机运行的能耗影响最不敏感。

关键词：丙烷制冷;影响因素;敏感性分析;压缩机;脱水效果

0 前言

所谓的丙烷制冷主要指的是将丙烷作为制冷剂，对天然气进行低温处理，通过热交换的基本原理，使得天然气在较低温度下进行脱水处理。目前，尽管丙烷制冷工艺投入到应用之中不超过20年，但是该项技术已经得到了大面积的推广和应用，这主要是因为丙烷制冷工艺的流程相对较为简单，能耗相对较低，可以满足天然气脱水的基本目的[1]。但是在使用丙烷制冷工艺的过程中，多种温度因素会对其产生影响，最终影响压缩机的能耗，如果可以对丙烷制冷的影响因素进行敏感性分析，以此找出敏感性强的温度因素和敏感性弱的影响因素，则必然会给现场生产作业提供指导。

1 丙烷制冷工艺简介

在使用丙烷制冷工艺对天然气进行脱水处理的过程中，首先使用低温丙烷将天然气的温度降低，然后将低温状态下的天然气输送到分离器中，将天然气中的水分脱离出来，然后将使用后的丙烷输送到压缩机组内，对丙烷进行压缩，由于压缩放热，此时丙烷将恢复到低温状态，通过这个相对较为简单的流程，即可实现天然气脱水处理以及丙烷的循环使用。通过对整个工艺进行分析后发现，压缩机是整个工艺过程中能耗设备，丙烷制冷工艺所需要的能耗主要由压缩机所决定，因此，进行丙烷制冷影响因素敏感性分析，就是进行整个过程中压缩机能耗的敏感性分析。目前，针对石油化工领域模拟的软件相对较多，相对而言，HYSYS软件的应用范围相对较广，这主要是因为该软件的模拟精度相对较高，且模拟过程相对较为稳定，因此，本次研究将采用HYSYS软件[2]。通过文献调研可以发现，对丙烷制冷工艺产生影响的因素主要包括四个方面，分别是预冷后的温度、空冷器出口位置处的温度、节流后的压力以及整个工艺过程中天然气的输量，因此，本次研究将主要对这四方面的影响因素进行敏感性分析，本次研究所采用的天然气组分来自于我国某气田企业，天然气的含水率为0.38%，HYSYS模型完全按照现场丙烷制冷工艺建立。

2 丙烷制冷影响因素敏感性分析

通过改变天然气的流量可以发现，随着天然气流量的逐渐增加，丙烷的消耗量以及压缩机的能耗都在逐渐升高，天然气流量对于丙烷消耗量以及压缩机能耗的影响十分明显，当天然气的流量为400000m3/h时，丙烷的用量为50156m3/h，压缩机的能耗为2.712×109m3/h;当天然气的流量为500000m3/h时，丙烷的用量为60781m3/h，压缩机的能耗为3.412×109m3/h;当天然气的流量为600000m3/h时，丙烷的用量为75126m3/h，壓缩机的能耗为3.993×109m3/h;当天然气的流量为700000m3/h时，丙烷的用量为85430m3/h，压缩机的能耗为4.721×109m3/h，综合而言，在使用丙烷制冷工艺的过程中，气田企业需要根据自身的产能对丙烷的用量以及压缩机的数量进行准确的确定[3]。

通过改变预冷后的温度可以发现，当进站温度不同时，预冷后天然气的温度也必然会存在较大的差别，通过模拟可以发现，当预冷后的温度升高时，丙烷的消耗量以及压缩机运行的能耗都会增加，且增加的趋势相对较为明显，当预冷后的温度为-7℃时，丙烷的用量为30156m3/h，压缩机的能耗为1.526×109m3/h;当预冷后的温度为-2℃时，丙烷的用量为46253m3/h，压缩机的能耗为2.382×109m3/h;当预冷后的温度为3℃时，丙烷的用量为61523m3/h，压缩机的能耗为3.326×109m3/h;当预冷后的温度为8℃时，丙烷的用量为72153m3/h，压缩机的能耗为4.426×109m3/h。综合而言，在使用丙烷制冷工艺的过程中，工作人员需要尽可能的提高天然气脱水处理之前的预冷效果，进而使得丙烷制冷工艺中丙烷的用量以及压缩机的能耗都可以得到一定程度的降低。

所谓的冷凝温度主要指的是空冷器出口位置处的问题，一般情况下，随着季节和环境温度的变化，冷凝温度也会出现一定程度的变化，对于丙烷制冷工艺系统而言，如果其他设计参数都相对较小，则冷凝温度将会对系统的制冷水平产生严重的影响。通过对冷凝温度进行全面的分析后发现，随着冷凝温度的提升丙烷的消耗量以及压缩机的能耗都在持续升高，当冷凝温度为15℃时，丙烷的用量为42682m3/h，压缩机的能耗为2.115×109m3/h;当冷凝温度为20℃时，丙烷的用量为45621m3/h，压缩机的能耗为2.212×109m3/h;当冷凝温度为25℃时，丙烷的用量为47216m3/h，压缩机的能耗为2.324×109m3/h;当冷凝温度为30℃时，丙烷的用量为50842m3/h，压缩机的能耗为2.482×109m3/h。综合而言，降低冷凝温度，有利于提高丙烷制冷系统的制冷能力，但是，冷凝温度也存在一定的极限值，当冷凝温度高于某一数值时，丙烷将会处于气态，此时会对节流制冷产生非常严重的影响。

在丙烷制冷工艺中，丙烷蒸发器也是非常重要的组成部分，制冷剂流过节流阀属于一个绝热的过程，节流阀的主要作用就是降低节流温度，同时对丙烷的流量进行有效的控制，因此，节流压力也会对制冷效果产生重要的影响，一般情况下，节流压力降低，则蒸发温度就会降低。通过分析发现，随着节流后压力的逐渐降低，压缩机所需要的能耗增加，这主要是因为在空冷器出口位置处温度不变的前提下，进入到蒸发器中的丙烷量是一定的，通过控制节流压力，可以对蒸发温度进行有效的控制，节流压力降低，压缩机的进气压力就会降低，压缩机前后压差就会增加，此时压缩机的能耗就会增加。尽管节流压力降低可以使得温度降低，进而满足降低天然气温度的要求，但是这并没有使得整个制冷系统的制冷量得到有效的提高。通过进一步深入研究发现，在压缩机出口位置处温度保持不变的前提下，随着节流压力的逐渐降低，丙烷制冷工艺中所需要的丙烷量也会逐渐增加。如果保持丙烷用量不变，所以节流压力的逐渐增加，所可以获取的温度也会逐渐降低，此时的制冷量不但不会增加，而且还会降低，这主要是因为制冷剂在经过节流以后，由于压力的降低，此时部分丙烷会变成饱和状态的蒸汽，制冷剂的流量就会逐渐降低，所以制冷量也会逐渐降低，由此可见，虽然蒸发温度会对制冷剂的用量产生重要的影响，但这并不是制冷剂用量的唯一影响因素。

在上文分析中指出，天然气的输量、冷凝温度、预冷后的温度以及蒸发后的温度等四大因素都会对丙烷制冷系统产生非常严重的影响，但是这四种因素影响的严重程度并不明确，所以需要对其进行敏感性分析，由于在整个丙烷制冷工艺中，压缩机是主要的耗能设备，因此，在进行敏感性分析的过程中，可以将压缩机的能耗看作是评价指标，然后通过使用敏感系数法的方式，就可以对各个影响因素的敏感系数进行计算。将各个影响因素分别改变-50%、50%、100%，然后对压缩机的耗能情况进行计算后发现，蒸发后的温度因素对压缩机能耗的影响最为严重，预冷后的温度对于压缩机能耗的影响最为轻微。

3 结论

在本次研究中，首先对丙烷制冷工艺进行了简单介绍，然后通过建立模型模拟的方式，对丙烷制冷工艺中的影响因素进行了敏感性分析，通过本次研究可以发现，天然气的输量、冷凝温度、预冷后的温度以及蒸发后的温度等四大因素都会对丙烷制冷系统产生非常严重的影响，其中，蒸发后的温度因素对压缩机能耗的影响最为严重，预冷后的温度对于压缩机能耗的影响最为轻微。

参考文献：

[1]王治红，李智，叶帆，等.塔河一号联合站天然气处理装置参数优化研究[J].石油与天然气化工，2013（06）：561-566.

[2]潘红宇，李玉星，朱建鲁.丙烷预冷混合制冷剂液化工艺原料气敏感性分析[J].化工学报，2015，66（S2）：12-15.

[3]刘猛，张娜，蔡睿贤.氨吸收式串联型制冷和动力复合循环及敏感性分析[J].中国电机工程学报，2006，26（01）：1-7.