氨制冷系统利用天然冷量节能效果分析

周群（大庆油田有限责任公司天然气分公司）

氨制冷系统利用天然冷量节能效果分析

周群（大庆油田有限责任公司天然气分公司）

大庆油田天然气分公司现有6套天然气处理装置采用氨压缩制冷系统，系统中氨压缩机 为主 要耗 电设备，年耗电量约 900×104kWh。分析了氨 制冷 系统 中氨流量、氨压缩机 入口压力、氨压缩机出口压力对氨压缩机能耗的影响，通过利用大庆地区天然冷量，可降低氨压缩机出口压力（保持制冷温度不变），有效降低氨压缩机能耗。分公司对2套浅冷装置氨制冷系统进行了氨低温运行试验，确定了冬季 氨适宜的冷却温度为 5～10 ℃，此时氨压缩机的电 流下降20%以上，验证了利用天然冷量降低氨压缩机能耗的可行性，为降低冷剂制冷系统能耗提供了新思路。

天然气处理 氨制冷 天然冷量 节能

大庆油田天然气分公司现有6套天然气处理装置采用氨压缩制冷系统，系统中氨压缩机为主要耗电设备，年耗电量约 950×104kWh，是分公司除了天然气压缩机、丙烷压缩机、原油泵之外的重点耗电设备。压缩机的运行状况直接影响装置的制冷以及能耗，因此，有必要开展氨压缩机节能优化技术研究，提高装置能源利用率，为分公司增产降耗做贡献。

1 氨压缩机能耗的影响因素分析

在氨制冷系统中氨压缩机的作用是将低压氨蒸气进行压缩，保证氨在制冷系统完成循环。天然气分公司氨压缩机为螺杆压缩机，其绝热功率公式[1]为

式中：

ps——压缩机进气压力，kPa（A）；

Vs——压 缩 机 在 吸 入状态下 的 排 气 量 ，m3/min；

ε——压缩比；

k——气体绝热系数；

pd——压缩机排气压力；

ϕ——进气状态下的相对湿度，%；

psa——进 气 状 态 下 的饱和蒸 气 压 力 ，kPa；

p0——标 准 大 气 压 力，取值 101.325kPa；

T0——273K；

Ts——进气温度，K；

V —— 压 缩 机 在 标 准 状 态 （101.325kPa， 273 K）下的排气量，m3/min。

从上式中可以看出，对于氨压缩机来说，氨的流量、压缩机入口氨的温度和压力、氨压缩机出口的温度和压力共同影响了氨压缩机的能耗。如果忽略管线和静设备压降，压缩机入口的温度和压力即为氨蒸发器的温度和压力，压缩机出口的温度和压力即为氨冷凝器的温度和压力。将系统中的氨视为纯氨，在氨蒸发器和氨冷凝器中，氨的蒸发（冷凝）温度和蒸发（冷凝）压力是一一对应关系。因此，影响氨压缩机能耗的因素即为氨的流量、蒸发器中的氨压力、冷凝器中氨的冷凝温度。

1.1氨流量对氨压缩机能耗的影响

由 公 式 （1）可 以看出 ， 压 缩机的 绝 热功率 与其吸入状态下的吸气量成正比。当压缩机入出口温度和压力一定时，氨压缩机吸入状态下的吸气量决定于系统内循环的氨的循环量。降低氨的循环量可以降低氨压缩机的能耗。

1.2压缩机入口氨的压力对压缩机能耗的影响

压缩机入口的氨气体即为氨蒸发器氨液体气化的气体，对于纯的氨来说，它的蒸发温度与压力是一一对应关系。不同蒸发压力对应的蒸发温度见表1。

表1 氨蒸发温度与蒸发压力对应关系

查 资 料[2]得 氨 的 绝 热 指 数 k=1.32。 由 公 式（1）、（2）和 （3）可 以 看 出， 氨 压 缩 机 的 绝 热功 率与 ps、 Vs和（ ε0.242－1）三 项 积 成 正 比 ， (k-1）/k =0.242 。对于纯的氨液体，相对湿度为 0， V 假设为1m3/min， 按 压 缩 机 出 口 压 力 为 1.72MPa （A）不变，取不同的入口压力所得到的三者乘积见表2。

表2 氨蒸发压力对压缩机绝热功率的影响

由表2可以看出，随着氨蒸发压力的升高，氨压缩机的绝热功率变小。通过提高氨蒸发器中氨的压力可以降低氨压缩机的能耗。

1.3压缩机出口氨的温度对压缩机能耗的影响

压缩机出口对应的压力即为氨在该温度下冷凝所对应的饱和蒸气压。不同温度下对应的氨饱和蒸气压力见表3。

表3 氨冷凝温度与饱和蒸气压力对应关系

假设氨压缩机的吸入压力与吸入流量不变，分别 为 120kPa 和 1m3/min。 由 公 式 （1）和 （2）可 以看 出 ， 氨 压 缩 机 的 绝 热 效 率 与（ ε0.242－ 1）成 正 比 。计 算 氨 的 不 同 冷 凝 温 度 下 的（ ε0.242－ 1）值 见 表4。

表4 氨的冷凝温度对压缩机绝热功率的影响

由表4可以看出，随着氨的冷凝温度的降低，氨压缩机的绝热功率将变小。降低氨的冷凝温度可以降低氨压缩机的能耗。

2 降低氨压缩机能耗的措施

从上面的分析可以看出，降低氨的循环量、提高氨压缩机入口压力和降低氨的冷凝温度均可以有效降低氨压缩机的能耗。

2.1提高氨压缩机入口压力的可行性分析

由于氨蒸发器中，氨的蒸发压力与蒸发温度一一对应。提高压缩机的入口压力，即要提高氨蒸发器中氨的蒸发压力，即提高氨的蒸发温度。

氨蒸发器又称最终冷却器，它的作用是将天然气冷却到所需要的温度，以达到一定的轻烃收率。从这个意义上来说，蒸发温度越低越好；同时，考虑到安全因素，整个系统一般要求在正压下操作，即氨的蒸发压力应高于大气压。实际操作时应选取略高于大气压下操作，考虑到压力波动，蒸发压力一般为120kPa（A）左右。因此，采用提高压缩机入口压力来降低压缩机能耗的措施不可行。

2.2降低氨循环量的可行性分析

当氨的蒸发压力不变时，其汽化潜热为定值。要将一定处理的天然气冷却到所需要的温度，所需要的冷量也相对固定，因此，需要的液氨量也相对固定。如果降低氨的循环量，则无法提供相应的冷量，因此，采用降低氨的循环量来降低氨压缩机能耗的措施不可行。

2.3降低氨冷凝温度的可行性分析

在氨制冷系统中，氨压缩机的出口压力对应着氨冷却器中氨的冷凝温度，氨的冷凝温度越低，氨压缩机的出口压力越低。若氨蒸发器中氨的蒸发压力不变，则氨压缩机的压比即随着压缩机出口压力的变化而变化，即氨的冷凝温度对氨压缩机的功耗有一定的影响。以杏九浅冷装置氨制冷系统为例，模拟结果见图1。

图1 氨压缩机功耗随冷凝温度的变化曲线

由 图1 可 以 看 出 ， 提 供 100Mcal（418.2MJ）的冷量时，所需要的压缩的功耗随氨的冷凝温度的下降而下降。氨冷 凝 温 度 为 35 ℃ ， 每 100Mcal制 冷量氨压缩机所需有用功为 41.46kW；氨冷凝温度为10 ℃时，每 100Mcal制冷量氨压缩机所需有用功为22.85kW ， 下 降 了 44.89%。

大庆地区的平均气温较低 （表5），对于采用空冷的制冷系统，若能充分利用自然冷源，降低氨的冷凝温度，将有利于降低氨制冷系统的电耗，达到节能降耗的目的。

表5 大庆地区各月平均温度（℃）

从上面的分析可以看出，对于分公司杏三、杏九和杏V-1三套浅冷装置，由于制冷系统采用空冷冷却，冬季可以利用天然冷量，降低氨冷凝温度，从而降低氨压缩机的能耗。

3 氨冷凝器低温运行试验

3 氨冷凝器低温运行试验

表6 试验前后装置运行数据对比

由表6可以看出，与试验前相比，氨的冷凝温度 由 平 均 26.3 ℃ 降 低 到 7.1 ℃ ， 压 缩 机 的 压 比 由6.68 降 到 4.14； 氨 压 缩 机 的 电 流 从 24.1A 降 低 到18.8A， 电 流 下 降了 22%， 具 有 较好的节 电 效 果 。

4 结论及认识

1）氨制冷 系 统中 氨 的循环 量 、氨压 缩 机入 出口压力和温度等因素对氨压缩机能耗均有影响。分析表明，降低氨压缩机出口压力，即降低氨的冷凝温度能够有效降低氨压缩机能耗，同时保持制冷温度不变。

2）氨制冷 系统低 温 运行试 验 表明 ， 冬季氨 的适 宜 冷 凝温度 为 5～10 ℃， 在 此温度 下 ， 氨制冷 系统可以平稳运行，氨压缩机的电流下降22%，可以有效地降低氨压缩机的能耗。

3）当 氨 冷 凝 温 度 低 于 25 ℃ 时 ， 应 适 当 减 少 氨冷却器的液氨进入量，以控制适宜的润滑油温度，使油气压力差平稳，保证制冷系统的平稳运行。

[1]《油田油气集输设计技术手册》编写组.油田油气集输设计技术手册[M].北京:石油工业出版社,1994:477-478.

[2]袁利伟.危化品安全管理与伤害事故后果分析系统的设计[D].昆明:昆明理工大学,2004.

利用自然冷源降低氨的冷凝温度能够有效降低氨压缩机的能耗;但当氨的冷凝温度降低时，由于压缩机做功变少，氨压缩机出口气体温度会相应降低，即润滑油温度会相应降低。氨的冷凝压力和润滑油温度的降低均会影响制冷系统的平稳运行。因此，有必要在装置上进行现场试验，摸索出适宜的冷凝温度范围，在保证制冷系统平稳运行的前提下，有效降低氨压缩机的能耗。

3.1试验过程

1）增 加 氨空冷 器 的运行 台数， 降 低氨的 冷 凝温度；

2）观 察 并调节 氨 蒸发器 的压力 和 液位， 保 证装置制冷温度不变；

3）观 察 润滑油 系 统的运 行情况 ， 并通过 润 滑油冷却器调节润滑油的温度，保证润滑油系统的平稳运行。

试验装置选择了杏V-1和杏九浅冷装置。

经过多次试验，摸索出氨适宜的冷凝温度为5～10℃，若温度再低，不仅氨蒸发器的蒸发压力和液位不易控制，还会使润滑油温度过低。

在 氨冷凝温 度 维 持 在 5～10 ℃运 行 时 ， 润 滑 油的温度保持在 55～65 ℃为宜，若温度过低，会使润滑油黏度变大，泵出口压力变低，致使油气压差波动；若温度过高，润滑油黏度变小，泵出口压力变高，泵出口的安全阀频繁启跳。

3.2节能效果分析

试验前和试验后装置的运行参数对比见表6。

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.012.002

2013-10-13）

周群，高级工程师，1987年毕业于佳木斯工学院，从事油 气 初 加 工 管 理 工 作 ， E-mail： tzhouq@petrochina.com.cn， 地 址 ：黑龙江省大庆市天然气分公司机关，163416。