两次节流循环在丙烯再液化系统中的热力分析

童正明，祝佳栋，周 勃，贺军成，包佳勇

● （上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

两次节流循环在丙烯再液化系统中的热力分析

童正明，祝佳栋，周 勃，贺军成，包佳勇

● （上海理工大学 能源与动力工程学院，上海 200093）

在传统LPG船再液化系统中采用两级压缩一次节流中间不完全冷却循环的基础上提出了两级压缩两次节流中间不完全冷却的再液化循环。结合两种节流方式的压力—热焓(p-h)图进行了理论分析，并且基于丙烯液化石油气船的实例，进行了两种节流方式的热力分析，计算出了再液化系统在一次节流和两次节流时的单位制冷量、制冷系数、压缩机功耗等一系列数据并进行了比较。结果表明，在相同条件下，两次节流循环与一次节流循环相比，单位制冷量提高了1.66%，理论制冷系数提高了2.24%，压缩机消耗的理论功率降低了2.19%。使用两次节流的再液化系统可以减少设备的体积与重量，节约成本与船上有限的空间。

两次节流循环；再液化系统；制冷系数；系统优化

0 引言

近年来，随着LPG液化石油气体船的大型化，船上液货罐的蒸发气体（boil of gas，BOG）再液化问题就越显突出。再液化问题就是制冷技术在LPG液化气船上的特殊应用，其系统流程基本采用两级压缩一次节流中间不完全冷却循环[1]。目前在国内相关制冷技术方面的文献中提出了采用两次节流的方案，指出采用两次节流不仅增加制冷效率、降低压缩机功耗[2]，而且还减少了装置的体积和重量[3]。虽然有相关文献的支持，但两次节流在 LPG液化石油气体船再液化装置方面涉及较少。本文将两级压缩两次节流中间不完全冷却循环运用到LPG液化石油气体船再液化装置中，通过热力计算，以期得出在再液化装置中两次节流循环和一次节流循环相比的效果，以及制冷系数、压缩机功耗等方面的变化规律。

1 两种节流方式的理论分析

本文按容量 10000m3的丙烯运输船的再液化系统的要求进行再液化工艺的热力计算。已知每个罐的最大装载率98%，丙烯运输船再液化系统中的蒸发压力p0=0.5MPa，设定整个循环的制冷量Q0=120kW，环境温度为45℃，丙烯在环境温度下所对应的压力pk=1.843MPa[4]。

图1为两级压缩一次节流中间不完全冷却制冷循环。图2为两级压缩两次节流中间不完全冷却制冷循环。

图1 两级压缩中间不完全冷却一级节流制冷循环的p-h图

图2 两级压缩两次节流中间不完全冷却制冷循环的p-h图

设两个循环中，有相同的冷凝压力pk，相同的中间压力pm，相同的蒸发压力p0。低压级压缩机和高压级压缩机的制冷剂质量流量分别表示为qmD和qmG。参照图1、2，以热力学第一定律为基础，可以得出两级压缩一次节流中间不完全冷却循环制冷系数ε[5]为：

式中，y是高压压缩机同低压压缩机的制冷剂流量之比：

进而一次节流冷却循环制冷系数ε为：

同样，由图2可以得出，两级压缩两次节流中间不完全冷却循环制冷系数ε0[5]为：

从图1、2中可看出，一次节流时由于中间冷凝器中传热温差的存在，造成h4(一次节流)＞h4′(两次节流)。即两次节流的单位制冷量大于一次节流的单位制冷量。从图1、2也可发现，两次节流时，高压级压缩机的流量大于一次节流的高压级流量。因此，根据制冷系数的表达式，无法直接判断两次节流和一次节流中哪个制冷系数大[5]。

2 两种节流方式的热力计算与分析

设定两种节流方式的低压级压缩机吸气过热度均为10℃。一次节流循环中，中间冷却器出口的丙烯液态温度比中间温度高5℃。

2.1 两级压缩两次节流中间不完全冷却

pk=1.843MPa，p0=0.5MPa。当p0=0.5MPa时，查丙烯的物性参数表得h0=572.8564kJ/kg，h1=580.9292kJ/kg，h8=610.5181 kJ/kg，h9=h10=319.1407kJ/kg。

2.1.1 确定中间温度和压力[5]

查丙烯的物性参数表得tm′=17.7788℃。在17.7788℃上下取若干个数值：16、17、18、19、20、21、22、23℃。

式中，qmD为低压级压缩机流量，kg/s；qmG为高压级压缩机流量，kg/s；POD为低压级压缩机理论功率，kW；POG为高压级压缩机理论功率，kW。按制冷系数最大确定最佳中间温度。具体计算结果见表1。

由表1可见，制冷系数在21～22℃最大。取tm=21.5℃，pm=1.0569MPa。各状态点的参数见表2。

表1 不同温度下各状态点的参数值及相应的制冷系数

表2 一次节流时最佳中间温度下各状态点的参数值

2.1.2 热力计算[5]

1）单位制冷量：

2）低压级制冷剂循环量：

3）低压级压缩机体积流量：

4）低压级压缩机理论排量：

(λD为低压级压缩机输气系数，λD=0.753)

5）低压级压缩机理论比功：

6）低压级压缩机理论功率：

7）高压级制冷剂循环量：

8）高压级压缩机理论排量：

式中，λG为高压级压缩机输气系数，λG=0.792。

9）高压级压缩机理论比功：

10）高压级压缩机理论功率：

11）制冷系数：

12）循环的高低压级理论排量比：

2.2 两级压缩一次节流中间不完全冷却

2.2.1 确定中间温度和压力[5]

同样在17.7788℃上下取若干个数值15、16、17、18℃、19、20、21、22℃。按制冷系数最大的确定最佳中间温度tm=18.5℃，即所对应的最佳中间压力Pm=0.9783MPa。此时各状态点的参数见表3。

表3 两次节流时最佳中间温度下各状态点的参数值

2.2.2 热力计算[5]

1）单位制冷量：

2）低压级制冷剂循环量：

3）低压级压缩机体积流量：

4）低压级压缩机理论排量：

式中，λD为低压级压缩机输气系数，λD=0.753。

5）低压级压缩机理论比功：

6）低压级压缩机理论功率：

7）高压级制冷剂循环量：

8）高压级压缩机理论排量：

式中，λG为高压级压缩机输气系数，λG=0.792。

9）高压级压缩机理论比功：

10）高压级压缩机理论功率：

11）制冷系数：

12）循环的高低压级理论排量比：

2.3 热力计算结果分析

通过对两种节流方式的热力计算可知，两次节流与一次节流相比，其单位制冷量提高了1.66%，理论制冷系数提高了2.24%，压缩机的功率降低了2.19%，低压级的理论排量与高压级的理论排量分别降低了1.62%、7.59%，证明采用两级压缩两次节流中间不完全冷却循环比两级压缩一次节流中间不完全冷却循环更加节能。结果见表4。

表4 两种节流方式的热力计算结果对比

采用两级压缩一次节流中间不完全冷却循环时需要增加丙烯的过冷度，一般增加工质的过冷度是通过加大冷凝器换热面积来实现的，不仅增加成本，而且也增加了设备的体积和重量[6-7]。而采用两级压缩两次节流中间不完全冷却循环时无需增加丙烯的过冷度，而且从表4的对比中可以看出采用两次节流时高、低压级压缩机的排量都有所减少。因此，采用两次节流可以降低该再液化设备的体积与重量，节约船上有限的空间。

采用两级压缩一次节流中间不完全冷却循环时需要增加丙烯的过冷度，一般增加工质的过冷度是通过加大冷凝器换热面积来实现的，不仅增加成本，而且也增加了设备的体积和重量[6-7]。而采用两级压缩两次节流中间不完全冷却循环时无需增加丙烯的过冷度，而且从表4的对比中可以看出，采用两次节流时高、低压级压缩机的排量都有所减少。因此，采用两次节流可以降低该再液化设备的体积与重量，节约船上有限的空间。

应该指出的是，采用两级节流时，中间冷却器应靠近蒸发器。因为从中间冷却器中出来的液体是饱和液体，流动中有阻力损失，会产生闪发气体，减小进入膨胀阀的液体量，会存在供液不足的现象[8-9]。

3 结论

1）相同条件下，丙烯液化石油气船再液化系统中两次节流循环与一次节流循环相比，单位制冷量提高了1.66%，理论制冷系数提高了2.24%。

2）相同条件下，采用两次节流循环与一次节流循环相比，压缩机消耗的功率降低了2.19%，高低压级压缩机的理论排量都有所降低。

3）丙烯液化石油气船再液化系统中采用两级压缩两次节流中间不完全冷却循环时可以减少设备的体积与重量，节约成本与船上有限的空间。

[1] 朱刚, 鲁雪生. 半冷半压式液化石油气船再液化装置研究[J]. 低温工程, 1999, 11 (4): 310-314.

[2] 张建一, 陈海洋. 两次节流循环在氨制冷系统的效率分析[J]. 制冷技术, 2012, 40(7): 59-62.

[3] 聂金良, 吴加生. 两次节流再冷却装置在空调上的运行研究[J]. 电器, 2012(增刊): 323-328.

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[5] 郑贤德. 制冷原理与装置[M]. 北京: 机械工业出版社, 2007.

[6] 黎志昌, 方江敏, 马四朋. LPG船用BOG再液化装置工艺流程模拟与优化[J]. 低温工程, 2014(4):62-68.

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Thermodynamic Analysis on Two Throttle Cycles in Propylene Re-liquefaction System

TONG Zheng-ming, ZHU Jia-dong, ZHOU Bo, HE Jun-cheng, BAO Jia-yong

(School of Energy and Power Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

On the basis of two stages compression with one throttle incomplete intermediate cooling system in the traditional LPG ship reliquefaction system, the two stages compression with two throttles incomplete intermediate cooling reliquefaction system are proposed. Combining the pressure-enthalpy (p-h) map of the two kinds of throttles, the theoretical analysis is carried out. And based on a case of liquefied petroleum gas ship of propylene, the thermal analysis of two kinds of throttles is carried out. The refrigeration capacity, refrigeration coefficient, compressor power consumption and so on are calculated. The results show that under the same conditions, the two throttles cycle compared with a throttle cycle, the refrigerating capacity of unit is increased by 1.66%, theoretical refrigeration coefficient increases by 2.24%, and the theoretical power of compressor consumption decreases 2.19%.The reliquefaction system of two throttles can reduce the volume and weight of the equipment, and save the cost and the limited space of ships.

two throttles cycles; re-liquefaction system; refrigeration coefficient; system optimization

TK123

A

童正明（1955-），男，教授，主要研究方向为制冷与低温技术、换热器性能测试、过程装备系统集成。