氨、丙烯、丙烷压缩制冷能耗分析

陈睿谦 武丽娜 中国五环工程有限公司 武汉 430223

制冷的方法有多种，在制冷技术和低温技术领域应用最广泛的是机械制冷，如压缩制冷、吸收式制冷、蒸汽喷射式制冷等［1］。压缩制冷因具有流程简单、工艺成熟等特点而被普遍应用于石油化工、煤化工领域。在－60℃ ～0℃制冷领域中，工业上普遍采用氨、丙烯、丙烷等中温制冷剂。氨制冷常用于合成氨项目，丙烯制冷常用于煤制烯烃、煤制甲醇项目，丙烷制冷常用于轻烃回收、天然气液化项目［3］。本文对这三种中温制冷剂的制冷方案经济性进行详细分析。

1 制冷剂性质

制冷剂的热力学性质是其在特定情况下被选用的基础，会影响制冷循环及制冷机的工作特性。以氨、丙烯、丙烷三种制冷剂为例，热力学性质对比见表1。

表1 氨、丙烯、丙烷的制冷参数

了解制冷剂的物性及特点对于正确选择制冷剂至关重要，以下几点应予以重视。

(1)标准沸点是决定制冷剂适用场合的主要依据，为了避免在制冷闪蒸时出现负压，防止空气及其中水分漏入制冷系统，制冷闪蒸压力宜大于大气压力。一般控制制冷温度在制冷剂标准沸点之上，可避免产生负压。以－40℃蒸发40℃冷凝的压缩制冷循环为例，丙烯和丙烷具有较小的压比，氨的压比较大。丙烯与丙烷可保证压缩机入口为正压，氨的压缩机入口为负压。

(2)凝固点决定了制冷剂的最低制冷使用温度。丙烯丙烷的可制冷范围比氨大。

(3)临界温度、临界压力决定了制冷剂的工作温度和工作压力上限。过低的蒸发压力、过高的冷凝压力及过高的排气温度都不利于制冷循环。制冷剂温度适宜的选择范围［1］:

工作压力适宜的选择范围:

(4)气体绝热指数越小，在相同压比下出口气体的温度就越低，因而可以采用较大的压比进行设计，以节省压缩机投资。丙烯、丙烷的绝热指数都明显低于氨，在压缩机设计上具有优势。

(5)冷凝压力取决于外界冷却介质的温度，过低的冷凝压力可以降低压比，提高制冷系数，但同时也需要更低的冷凝温度，这对循环冷却介质有了更高的要求。

(6)单位摩尔汽化潜热越大，越有利于提高制冷效率，氨的汽化潜热最大，优于丙烯和丙烷。

(7)较低的粘度可减少管道阻力损失，减小压缩机功耗。氨的气相粘度与液相粘度均大于丙烯、丙烷。

(8)毒性方面，氨为无色、具有强烈刺激性气味的有毒物质，空气中含量达5.3ppm时，人就会有所感觉。氨对水的溶解度极高，溶解后成强碱性，有较强的腐蚀性，被人吸入后可发生肺水肿，严重者乃至死亡。《工业企业设计卫生标准》中明确规定在居住区空气中氨含量不得超过0.2mg/m3，生产车间内不得超过30mg/m3，氨一旦泄漏，人必须疏散。标准HG－20660将氨定为中度毒性介质，丙烷、丙烯未定为有毒介质。

(9)安全性方面，国标GB 50160将氨定为乙类可燃物质，将丙烯、丙烷定为甲类可燃物质。国标GB 7778根据制冷剂的安全性，将其分为三级，1类最安全，3类最危险 (爆炸下限在3.5%以下)。氨因为有毒被划分为2类，丙烯、丙烷因具有较低的爆炸下限被划分为3类。

(10)环境方面，氨的ODP和GWP均为0，不会对臭氧层造成破坏，也不会造成温室效应。丙烯和丙烷的ODP为0，同时也具有低GWP值，不会危害臭氧层。

2 压缩制冷循环

压缩制冷循环是连续从低温吸热，然后将热量连续排放到高温热源的过程。实际的压缩制冷循环由压缩机、冷凝器、节流阀、蒸发器构成。从蒸发器出来的低温制冷剂气体，先经压缩机升压，再经过冷凝器冷凝为高压饱和液体，经节流阀完成节流膨胀后进入蒸发器闪蒸制冷。其热力学制冷循环见图1(a)。理想的制冷循环由以下几个过程构成［4］。①1→2:绝热可逆压缩过程 (等熵过程);②2→3:等压冷却过程;③3→4:等压等温冷凝过程;④4→5:节流膨胀过程 (等焓过程);⑤5→1:等压等温气化过程。图1(b)、(c)是单级压缩制冷循环的T－S图及P－H图。

图1 压缩制冷循环示意图

制冷系数是单位制冷量与理论比功之比，即理论循环的收益和代价之比，是衡量一个制冷系统性能好坏的标准。较高的制冷系数可以在相同的制冷量下降低压缩功和冷凝热，从而减少水电和蒸汽的消耗量。

不同的制冷气化温度和不同的冷凝液化温度会直接影响制冷系数。理想的制冷循环为逆向卡诺循环，将节流膨胀的过程视为绝热可逆膨胀过程，此时具有最大的制冷系数，其大小仅与制冷剂的气化温度和冷凝温度有关。目前大型煤化工项目配套低温甲醇洗酸脱的冷量需求温度多为－40℃，循环回水温度以40℃为限，表2为40℃冷凝温度下不同气化温度对应的氨、丙烯、丙烷制冷系数，对应曲线图见图2。

表2 40℃冷凝温度下单级理想压缩制冷循环氨、丙烯、丙烷制冷系数表

图2 40℃冷凝温度下单级理想压缩制冷循环氨、丙烯、丙烷制冷系数图

由表2、图2可见，对于单级理想压缩制冷循环 (等熵效率为1)，氨具有最高的制冷系数，丙烯与丙烷制冷系数相当，氨制冷最节能。随着气化温度的提高，三种制冷剂的制冷系数都明显提高，即制冷温度越高，制冷效率越高。然而在实际设计中，冷量的温度需求是一定的，不可能改变。基于这一原理，可以将单级压缩改为多级压缩，并引入经济器，在中间压力下闪蒸补气，实现压缩机补气制冷循环，从而间接提高整个系统的制冷系数。

表3为40℃气化温度下不同冷凝温度对应的氨、丙烯、丙烷制冷系数，对应曲线图见图3。

表3 －40℃气化温度下单级理想压缩制冷循环氨、丙烯、丙烷制冷系数表

图3 －40℃气化温度下单级理想压缩制冷循环氨、丙烯、丙烷制冷系数图

由表3、图3可见，在制冷循环气化温度一定的前提下，降低冷凝温度，可以显著提高制冷系数，随着冷凝温度的降低，氨制冷的优势逐渐被丙烯、丙烷取代［3］。在实际制冷系统设计中，通过降低循环水温来提高制冷循环的效率是可行的，例如在全厂低压余热富余的情况下，采用溴化锂制冷降低循环水温度可有效节能。

3 制冷循环的节能措施

实际压缩机制冷循环中的绝热可逆压缩过程是无法实现的，是一个多变过程，根据压缩机的选型和设计，多变效率多在0.7～0.85之间。此外气体进压缩机前的阻力损失，压缩机出口的过饱和冷凝超压，都会导致压缩功增大，从而使制冷循环的效率降低。

3.1 压缩级数和中间压力的确定

在蒸发压力和冷凝压力已经给定的情况下，采用多级压缩更具有经济性。压缩机的级数理论上说越多越好，但实际工况中压缩机的级数不宜太多，过多的压缩机级数会导致气缸增多、压缩机结构更加复杂，投资更高。一般来说氨制冷压缩控制在3～4级比较经济，丙烯、丙烷制冷压缩可控制在2～3级。

对于有中间压力下冷凝负荷的制冷机，多级压缩的中间压力应根据蒸发温度来确定。当无中间压力冷凝负荷的要求时，每一级压比理论上可以任意给定，但实际中考虑到压缩机的出口温度及效率，每一级压比都不宜过大。在压缩机总压比一定的前提下，每级压比理论上可取相等，但实际中还应结合每段的出口温度、多变效率和补气量来进行调整，寻找最佳的压比分配。

3.2 段间冷却器设置

在气体热力学压缩过程中，等温压缩的理论压缩功要小于等熵压缩。所以在压缩机段间增设冷却器会使压缩机更趋向等温压缩。理论上段间冷却器的数量越多越好，冷却温度越低越好，实际工况中受到多级压缩的限制，段间冷却器的数量最多等于压缩机级数。受到压缩机进口不能带液的限制，段间冷却温度不宜低于相应压力下的饱和温度。对于结合闪蒸补气的压缩制冷循环，段间冷却与闪蒸补气的先后顺序应以高压段入口温度最低为原则。一般来说先经过段间冷却，再闪蒸补气会使压缩机压缩功最小，使制冷循环最经济。

3.3 闪蒸器设置

确定了压缩机多级压缩的中间压力后，在对应压力下，设立闪蒸经济器，为压缩机高压段补气，可明显提高制冷循环的经济性。根据压缩机出口气是否参与闪蒸过程可将流程分为完全冷却和不完全冷却流程。当采用完全冷却流程时，压缩机入口理论上吸入为饱和蒸汽，相当于单级制冷的无热循环。当采用不完全冷却流程时，压缩机入口吸入过热蒸汽，相当于单级制冷的回热循环。对于无热循环，由于压缩机出口的高温气体增加了闪蒸汽中液相组分的气化率，增加了下一段补气量，通常也会提高压缩机高压段的多变效率，从制冷循环效率上说，当压缩机出口器温度较高时无热循环更具有经济性。由于利用闪蒸汽化潜热可充分将压缩机出口高温气体冷却，无热循环在闪蒸器前可不设段间冷却以节约压缩机投资。但对无热循环来说，要在闪蒸器中实现充分的热交换，并保证下一段压缩机入口不带液，势必对闪蒸器提出了更高的设计要求。

3.4 入口阻力压损与出口过饱和压缩

理论制冷循环中压缩机的入口与出口压力均为气化温度与冷凝温度对应的饱和压力，此时总压比为最小压比，压缩功也最小。以－40℃气化、40℃冷凝的制冷循环为例，氨的总压比为21.53，丙烯为11.68，丙烷为12.35。

实际制冷循环中，制冷剂气体输送过程中的阻力损失是不可避免的，当入口阻力损失为10kPa时，氨的入口压力由72kPa降至62kPa，压比增至25。丙烯增至12.57，丙烷增至13.57。由于氨的入口压力低，在相同入口压降的前提下，压比增大最明显。实际设计中，选择适宜的压缩机吸入管径以降低流速，减小制冷站与冷量用户的输送距离都可以有效的降低入口阻力降。对于入口为负压的系统，更需减少入口阻力损失。

实际制冷循环中，为确保冷凝器中的制冷剂全部液化，压缩机出口的排气压力一般大于冷凝温度下的饱和压力，超压按过热3～5℃的温度下饱和压力来取值。40℃冷凝下氨、丙烯、丙烷的饱和蒸汽压分别为1550kPa、1659kPa，1371kPa。若排气压力分别给定为 1700kPa、1800kPa、1500kPa，三 者 的 压 比 则 增 至 27.41、13.63、14.85。对于换热设施良好的制冷系统，可适当减小过饱和压缩余量，以降低压缩功耗。

3.5 过冷器设置

从单级制冷循环的温熵图或压焓图中可以看出，用外界冷源将冷凝后的饱和制冷剂过冷后再送至蒸发器气化可以提高制冷系数。实际设计中，过冷器中的冷量往往由系统内部制冷剂闪蒸提供，并非来自外界冷源，所以整个循环的制冷系数并不会提高。过冷的意义是让饱和制冷剂在克服阻力损失的管道输送过程中不会气化，避免两相流，减少冷量的损失。

3.6 惰气冷却器设置

制冷循环中真正起到制冷作用的是制冷剂，系统中混入的氮气、氩气等惰性气体不但降低了蒸发器、冷凝器等换热设备的换热效率，还额外增加了压缩机的轴功。干气密封泄漏至压缩机腔体内的氮气，和初始装填制冷剂中溶入的惰性组分是系统中惰气的主要来源。在吸入压力为负压的制冷系统中，惰性组分更易混入，通过设置惰气冷却器可将惰气中的制冷剂组分冷凝回收，将剩余惰性组分泄放至火炬。惰性冷却器的冷量一般源于系统本身，所以自身并不节能，但是由于系统中的惰性组分减少，制冷循环的经济性会明显上升。

3.7 其它因素

合理的压缩机选型可提高压缩机的多变效率;对输送制冷剂的低温管道进行保冷可以降低输送过程的冷量损耗;优化换热器的结构设计可提高换热效率。这些都是提高制冷循环经济性的措施，在制冷系统的优化设计中要充分考虑。

4 制冷方案能耗对比

影响制冷循环的因素有许多，一味追求过高的制冷系数虽然降低了整个系统的能耗，但也使系统复杂化，增加了压缩机等关键设备的投资。下面以氨、丙烯、丙烷为例，对－40℃气化、40℃冷凝的压缩制冷流程进行了多种方案的流程模拟对比和能耗对比，实际工程设计中可结合设备投资和能耗等因素，综合分析，选择最优流程。

基于 Aspen Plus模拟分析，以 －40℃、10000kW冷负荷为制冷需求，物性方法选择为RK－SOAVE，压缩机各段的多变效率取0.78，机械效率近似为1，循环给水、回水温度分别为30℃、40℃，压缩机采用9.8MPa高压过热蒸汽透平驱动，透平采用水冷。年运行天数为330d，高压蒸汽和冷却水分别按150元/t、0.5元/t折算。

4.1 氨压缩制冷

氨压缩制冷由于总压比大，气体绝热系数大，多变压缩气体升温明显，所以必须采用段间冷却或闪蒸补气的方法来降低压缩机出口温度。对于氨压缩制冷不完全冷却流程而言，由于一段压比大，出口温度高，一段出口段间水冷器不能省略。图4列出了可行的氨制冷流程示意图，氨压缩机的入口压力、二段入口压力、三段入口压力、排出压力分别按62kPa、500kPa、1000kPa、1700kPa选取。氨压液制冷方案能耗对比见表4。

图4 氨压缩制冷方案对比图

表4 氨压缩制冷方案能耗对比表

4.2 丙烯、丙烷压缩制冷

丙烯压缩制冷总压比小，气体绝热系数小，多变压缩气体温升不大，采用一级压缩出口温度一般也在100℃以下。由于多级压缩时低压段出口温度一般低于40℃，丙烯压缩制冷不宜采用段间冷却，而采用闪蒸补气的方法来提高制冷循环的经济性。图5列出了可行的制冷流程示意图，压缩机的入口压力、二段入口压力、三段入口压力、排出压力按131kPa、300kPa、750kPa、1800kPa来选取。

图5 丙烯、丙烷压缩制冷方案对比图

丙烷的热力学性质与丙烯接近，其压缩制冷循环流程图同丙烯。压缩机的入口压力、二段入口压力、三段入口压力、排出压力按101kPa、250kPa、600kPa、1500kPa来选取。丙烯、丙烷压缩制冷方案能耗对比分别见表5和表6。

4.3 比较分析

氨制冷方案中，c方案与f方案的制冷系数最高，两者的能耗费用也最低。增加段间冷却器、闪蒸器的数量可明显提高氨制冷系统的制冷系数。通过对比可以发现，氨制冷中闪蒸完全冷却循环(无热循环)的制冷系数要高于闪蒸不完全冷却循环 (回热循环)，但随着段间冷却器和闪蒸器数量的增加，这种优势不再明显。c方案的制冷系数为1.75，f方案为1.74，两者相差无几。

表5 丙烯压缩制冷方案能耗对比表

表6 丙烷压缩制冷方案能耗对比表

丙烯制冷与丙烷制冷的七种流程模拟结果相似，c方案与f方案的制冷系数最高。闪蒸完全冷却循环 (无热循环)与闪蒸不完全冷却循环 (回热循环)相比无优势。在上述方案中，丙烯的最高制冷系数为1.70，丙烷的最高制冷系数为1.72，氨的最高制冷系数为1.75，可见通过流程的优化，单级理想压缩制冷中制冷系数小的丙烯、丙烷可以逐渐接近甚至超过氨。

以10000kW的制冷量为基准，比较制冷系数和年能耗费用的关系，可以发现制冷系数每提高0.1，年能耗费用可减少约220万。复杂的制冷系统、较高的制冷系数可大量节约能耗费用。但实际中简化的制冷系统可以减少初期固定投资，有利于项目初期节约成本。以丙烯、丙烷压缩机为例，压缩机省去了段间冷却器的设置，其设备投资相比氨压缩机减少约20%。此外制冷剂的市场来源、采购成本、市场价格、贮运设施等也会间接影响制冷系统的投资，都需要在制冷方案确立时重点考虑。

5 结语

对于制冷系统而言，没有最好的制冷剂，只有最优化的设计和最经济的方案。传统的制冷压缩工艺虽已成熟，但系统优化与节能减排仍有探索的空间。通过对氨、丙烯、丙烷三种制冷剂压缩制冷流程的综合比较，给出了多种流程下的制冷系数和能耗估算，为衡量和评价整个制冷系统的经济性提供参考依据。

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