丙烷制冷系统节能技术应用及效果分析

方晓庆 庄学武（大庆油田有限责任公司天然气分公司）

丙烷制冷单元是天然气浅冷处理装置的核心单元，决定了装置的制冷温度，而丙烷压缩机的电耗一般也占到整套浅冷装置电耗的15%以上。天然气分公司现有9套丙烷压缩制冷系统在运，其中4 套用于浅冷装置，采取技术措施降低丙烷压缩机的能耗，对于降低装置运行成本具有现实意义；但同时必须保证制冷系统所提供冷量的数量和品位，否则将会影响装置的制冷温度。

1 丙烷制冷系统能耗影响因素分析

1.1 丙烷制冷系统简介

目前，丙烷制冷机组普遍采用的工艺流程（图1）是：丙烷蒸发器中的气态丙烷由丙烷压缩机进行压缩，在压缩机出口油分离器中分离出机油后，去水冷冷凝器冷凝成液态丙烷，冷凝后高压液态丙烷经节流膨胀后进入经济器。经济器中的气态丙烷返回压缩机中段进一步进行压缩；液态丙烷经过控制蒸发器液位的调节阀进入蒸发器，气化变成气态丙烷，吸收天然气的热量；丙烷在制冷系统内部如此反复循环，不断吸收天然气的热量，从而达到制冷的目的。其中，丙烷压缩机是丙烷压缩制冷系统的主要能耗设备。

如果忽略管线和静设备压降，压缩制冷循环在压焓图上如图2所示。1-2线段表示气态冷剂在压缩机中的压缩过程，近似地沿等熵线进行；2-2′-3′-3线段表示冷剂在冷凝器中的冷凝过程，为等压过程；3-4线段表示冷剂节流膨胀过程，为等焓过程；4-1线段表示冷剂在蒸发器中的蒸发过程，为等压过程[1]（图2）。

图1 丙烷压缩制冷循环流程示意图

图2 压缩制冷循环在压焓图上的示意

设系统循环的冷剂量为qm，整个制冷循环中所需要的压缩机功耗为

制冷系统所提供的制冷量为

由制冷系数的定义可知

由上述公式（1）~（3）可知，冷剂循环量压缩机入口压力和压缩机出口压力共同影响了压缩机的能耗和制冷量。

1.2 降低制冷压缩机能耗的措施分析

从制冷循环的压焓图中可以看出，降低冷剂循环量、提高压缩机入口压力或降低压缩机出口压力均可以降低压缩机的能耗。

当其他参数不变，降低冷剂的循环量，制冷压缩机的能耗成比例下降，但制冷系统所提供的冷量也成比例下降。降低了制冷系统的制冷能力，致使装置的制冷温度升高，因此，采用此措施降低制冷压缩机能耗不可取。

当其他参数不变，提高压缩机入口压力，制冷压缩机的能耗下降，制冷系统所提供的冷量也增加，制冷系数升高。但提高了压缩机入口压力，即提高了蒸发器中冷剂蒸发压力，相应的冷剂蒸发温度会升高，无法将天然气冷却到所需要的温度，因此，采用此措施降低制冷压缩机的能耗不可取。

当其他参数不变，降低压缩机出口压力，制冷压缩机的能耗下降，制冷系统所提供的冷量不变，制冷系数升高。采用降低压缩机出口压力的措施既可以降低压缩机的能耗，又会造成装置的制冷温度升高，因此，采用此措施降低制冷压缩机的能耗可行。

在丙烷制冷系统中，丙烷压缩机的出口压力近似等于丙烷冷凝器中的丙烷压力，即丙烷的冷凝压力。此压力与丙烷的冷凝温度为一一对应关系，降低丙烷的冷剂温度即可降低丙烷的冷凝压力，进而降低压缩机出口压力。

模拟计算表明（图3），丙烷压缩机的能耗近似与丙烷的冷凝温度成线性关系，当提供的制冷量相同时，随着丙烷冷凝温度的降低，压缩机所需做的功也相应降低。当冷凝温度由35 ℃降至25 ℃时，每100M cal制冷量丙烷机所需做的有用功由59.80 kW 降至47.66kW ，可降低25.4%。

大庆地区的平均气温较低，对现有丙烷冷却系统进行技术改造，充分利用天然冷量源，降低丙烷的冷凝温度，将有利于降低丙烷制冷系统的电耗，达到节能降耗的目的。

图3 压缩机做功随丙烷冷凝温度变化曲线

2 丙烷制冷系统节能技术应用

天然气分公司有1套浅冷装置，丙烷制冷系统采用循环水冷却，丙烷的冷凝温度全年在35 ℃左右，无法有效利用大庆地区天然冷量，进一步降低丙烷的冷凝温度。因此，对现制冷系统进行了改造（图4），新增蒸发空冷与原水冷器串联运行，停运原水冷器循环水，原水冷器仅作为容器，采用表面蒸发式空冷器冷却丙烷。

图4 改造流程示意图

夏季，压缩后的丙烷气体只用表面蒸发空冷器冷却；春秋季和冬季，压缩后的丙烷气体经过表面蒸发式空冷器（不喷淋水），利用空气冷却，用风机开启的台数和风机电动机的变频设施控制丙烷的出口温度。

3 丙烷制冷系统节能效果分析

3.1 丙烷制冷机节能效果预测

改造前后（2010年和2011年）该浅冷装置相同运行季节的生产数据见表1。

由表1可知，与去年同期相比，在循环水冷完全停运，表面蒸发空冷器投用后，取得了较好的冷却效果，丙烷压缩机出口的压力由1 207.73kPa下降至1 055.67kPa；丙烷的冷凝温度由37.5 ℃下降到32.36℃，平均下降了5.14 ℃。处理万立方米气耗电由377.45 kW h下降至342.83 kW h，下降了9.172%；平均每下降1 ℃，处理万立方米气丙烷压缩机电耗下降约1.784个百分点。

表1 浅冷装置丙烷制冷系统丙烷压缩机出口压力变化情况

该浅冷装置丙烷压缩机出口压力要求控制在680~1500kPa，改造后各季节丙烷的冷却温度及丙烷压缩机的电耗与先前对比情况预测见表2。

表2 投运表面蒸发空冷器前后丙烷压缩机运行参数变化情况预测

由表2可知，与投运表面蒸发空冷器前对比，预计丙烷压缩机年可节电82.77×104kW h，电消耗量约降低20%。

3.2 表面蒸发空冷器耗电、耗水预测

表面蒸发空冷器所配风机3台，额定功率为5.5kW ；循环水泵为2台，一开一备，单台功率为7.5 kW 。根据电动机效率现场测试数据、大庆地区气温情况和表2中预测的丙烷冷凝温度，预测1年中空冷器风机耗电5.08×104kW h，水泵耗电1.02×104kW h，设备耗水3312.3t。

根据标定结果，丙烷冷凝器消耗水145.9t/h，改造后年降低循环水消耗120.45×104t。

3.3 降低操作费用

按照电价0.574 7元/kW h，新鲜水价4.75元/t，循环水价0.35元/t计算，则年降低操作费用84.65×104元

4 结论及认识

1）在冷剂压缩制冷系统中，降低压缩机出口冷剂冷凝温度既可以降低制冷压缩机的能耗，又不会造成制冷温度升高。

2）采用表面蒸发空冷替代了原水冷，能够更好地利用大庆地区自然冷量，降低丙烷的冷凝温度，进而降低丙烷压缩机的能耗。

3）表面蒸发空冷系统可以替代原循环水冷却系统，具有较好的节电、节水效果。应用浅冷装置丙烷制冷系统后，预计全年可节电76.67×104kW h，年降低循环水消耗120.45×104t，年降低操作费用84.65万元。

4）该技术节能效果明显，具有很好的推广应用前景。

[1]罗光熹,周安.天然气加工过程原理与技术[M].哈尔滨:黑龙江科学技术出版社,1990:316-319.