天然气液化设备的制冷效率改进

龚飞建

摘 要：在天然气制冷设备中，由于制冷剂冷凝环节达不到工艺要求，导致制冷循环效率下降。对目前使用的风冷冷凝工艺换热量进行了核算，对比发现无法满足原设计的换热需求，改进为水冷冷凝工艺后，制冷系数提升7.7%，液化功耗下降10%。

关键词：天然气液化;制冷效率;风冷

前言：

目前在我厂在鄂尔多斯地区运行多套处理量6×104m3/d的天然气液化站，对来自东胜气田的井口天然气进行净化和液化，主要设备为撬装式制冷机组和低温板翅式冷箱。其中预冷机组和主冷机组采用的都是典型的林德制冷循环工艺[1]。预冷机组制冷剂采用R22，制冷循环由螺杆压缩机组、风冷冷凝器、膨胀阀、蒸发器构成。主冷机组采用混合冷剂做制冷剂，制冷循环由螺杆压缩机、风冷器、冷箱、节流阀构成。此套设备在设计之初，考虑到鄂尔多斯地区平均气温较低，制冷循环冷凝工艺选择了风冷设备。但是在长期运行过程中发现，当地地区虽然平均气温较低，但是5、6、7、8、9月份日间最高温度超过风冷冷凝器设计区间。

当地夏季气温过高、辐射热强烈导致制冷循环冷凝环节不能达到工艺要求，曾观测到压缩机出口的R22温度最高达到105℃（其临界温度为92℃），高压制冷剂在经过风冷器降温、冷凝后无法获得足够的冷量，在节流前不能保持足够的过冷度，整个制冷循环制冷剂循环量增大，蒸发温度过高，最终导致产品产率下降及液化率下降一系列问题。

1. 制冷循环过程分析

林德制冷循环中冷凝环节制冷剂节流前温度的升高[2]，会导致（1）制冷循环的冷凝压力，即压缩机的排气压力偏高，压缩机压缩比变大，功耗上升。（2）制冷系数下降，机组消耗同样电功率，制冷量下降。（3）膨胀阀供液变大，压缩机吸气压力变大，吸气比容变大，制冷介质循环量变大，压缩机负荷变大。（4）压缩机的吸气过热度增加，同时排气温度升高，冷凝器热负荷进一步增大。

2. 换热量核算

为了确认预冷机组冷凝器是否能够提供工艺要求所需要的换热量。我们取一典型状态下的预冷机组参数，计算出风冷冷凝器的换热功率，再与设计参数对比，确认其是否符合需求。统计了5月份压缩机运行参数，见图2

上图记录了五月份预冷机组制冷循环的几个温度参数，横坐标为日期，纵坐标温度（记录缺失的20日及25日当天为停机状态）。可以看出，压缩机的吸气温度、冷凝温度、蒸发温度都与最高气温（蓝色折线）呈明显的正相关。其中R22蒸发温度最高达到-3℃，而蒸发器内的热物流乙二醇防冻液的出口温度设计为-5℃，当R22的蒸发温度在-8℃以上时，很难保证足够的换热温差给防冻液进行降温。取其中5月30日的数据压缩机排气压力为1.9MPa（对应的冷凝温度为51.1℃），吸气压力0.3MPa，实测排气温度为93℃，冷凝温度为33℃，蒸发温度为-7℃。计算换热潜热和显热之和约为1333KW。

设计参数建立的HYSYS模型图3中，冷凝器的换热功率为1045KW。可以看出，在高温环境中，冷凝器的换热负荷大大超出了设计值，同时压缩机的电机电流也有明显上升，最大功率有约8%的增长。这不仅造成了整体能耗的提升，同时由于蒸发器内冷侧物流不能提供足够低的温度，造成乙二醇出口温度过高，也使整个主冷的热负荷增大。

经过重新核算对比可知，目前风冷设备的制冷量无法匹配工艺所需。决定采用水冷冷凝设备代替主冷、预冷机组的风冷设备，以满足制冷循环的冷凝温度的需求，使之达到增产降耗的目的。

3. 改造效果总结

液化站改造期间，将风冷式预冷机组改造为水冷式，风冷式主冷机组改造为水冷式。并增加配套设施：2套闭式冷水塔（额定制功率2000KW），3台循环水泵（额定流量264m3/h）。

为了考察改造效果，我们对制冷循环的制冷系数进行考察。制冷系数是与制冷剂种类及运行工作条件有关的一个系数，是制冷系统的一项重要技术经济指标。制冷性能系数大，表示制冷系统（制冷机）能源利用效率高。

由以上結果可以看出，风冷工艺改为水冷工艺后，制冷循环的制冷系数由4.26增加到4.59。增幅高达7.7%，表征着消耗同样的压缩机功耗，系统制冷量大幅上升。由于制冷剂在膨胀阀前获得了更高的过冷度，膨胀后提供了更高的冷量和更大的换热温差，使热物流获得了更低出口温度。得益于更高的制冷系数，经过计算液化单元能耗由0.37kWh/m3降低到0.34kWh/m3，液化单元的单位处理量能耗降低了约10%，预计累计可产生105万/年的经济效益。

参考文献：

[1]孟宪杰 天然气处理与加工手册[M]北京：石油工业出版社，2016

[2]郭揆常 液化天然气（LNG）工艺与工程[M]北京：国石化出版社，2014