一种逆布雷顿制冷循环无级调节技术及工业化总结

陈剑军，闫红伟，银延蛟，吕书山，张亚清

(河南心连心深冷能源股份有限公司 气体低温分离工程技术研究中心，河南 新乡 453000)



·低温与制冷·

一种逆布雷顿制冷循环无级调节技术及工业化总结

陈剑军，闫红伟，银延蛟，吕书山，张亚清

(河南心连心深冷能源股份有限公司 气体低温分离工程技术研究中心，河南 新乡 453000)

介绍了实现无级调节的逆布雷顿制冷技术及其优势，并对建成的首套工业化装置进行了运行总结。

无级调节；逆布雷顿；工业化

0 引 言

深冷制冷流程主要有复叠式液化循环、混合冷剂液化循环和逆布雷顿制冷循环，逆布雷顿制冷循环包含单膨胀和双膨胀制冷循环。冷剂液化制冷循环制冷能耗低、一次性投资大，逆布雷顿制冷循环则具有能耗高，一次性投资节省的特点，混合冷剂制冷循环介于两者之间。

对于小型深冷装置，逆布雷顿制冷循环和混冷剂制冷循环运营费用差别极小，一般选择逆布雷顿制冷循环。

1 逆布雷顿制冷循环简介

高压气体在等熵膨胀后压力降低，由于气体分子间作用力体现为吸引力，膨胀后压力降低，体积增大，分子克服气体间吸引力需要消耗动能，大幅降低了气体的内能(焓值)，气体分子热运动大幅降低，宏观上表现为气体温度大幅下降，膨胀机即利用该原理产生低温环境。

逆布雷顿制冷循环以气体等作为工质，通过压缩、冷却、等熵膨胀和换热完成一个循环，近年来随着高效膨胀机和高效传热热技术的发展，逆布雷顿制冷循环应用日益广泛。该循环工艺流程见图1，低压氮气进入3循环增压机，冷却后进入4增压膨胀机增压端，再次水冷后进入6换热器冷却至一定温度后进入5增压膨胀机膨胀后进入6换热器为装置提供冷量，再返回至压缩机入口完成一次循环。

图1 典型的逆布雷顿制冷循环

2 无级调节的逆布雷顿制冷循环工艺及优势

2.1 无级调节逆布雷顿循环工艺条件和工艺流程

2.1.1 设计依据

1.氨罐驰放气：压力1.8 MPa；温度37 ℃；驰放气组成与气量见表1。

表1 驰放气组成和气量(来自某60万t/a合成氨厂)

控制指标φ(NH3)≤1×10-6

2.合成放空气:压力5.0 MPa；温度37 ℃；驰放气组成与气量见表2。

表2 放空气组成和气量(来自某60万t/a合成氨厂)

控制指标φ(NH3)≤1×10-6

3.产品方案见表3

表3 产品方案

2.1.2 工艺流程描述

1.工艺流程描述

如图2所示，来自合成氨系统的放空气和驰放气经过预处理(脱氨、脱水)后进入板翅式换热器后分别预冷至-116 ℃和-90 ℃，合成放空气进入甲烷提纯塔再沸器冷却至-130 ℃后返回板翅式换热器冷却至-145 ℃，节流至1.6 MPa进入脱氢塔脱除原料气中的大部分氢气，塔底液相节流进入甲烷提纯塔，将甲烷提纯至99.9%以上过冷后进入储罐。

图2 工艺流程简图

2.制冷工艺流程简述

系统由膨胀提供冷量，加压后的氮气通入冷却器被冷却至-100 ℃后分成两股。一股进入膨胀机，高压(2.0 MPa)气体通过膨胀机对外做功，自身焓值降低，压力降低至0.5 MPa，温度下降至-168 ℃，低温氮气通入冷凝器为液化系统提供冷量。另外一股高压氮气进入冷却器，液化后节流进入甲烷提纯塔，作为回流液，也可作为液氮储存冷量用于高电价时段。

复热至8 ℃的氮气进入氮气活塞压缩机，压缩至1.6 MPa经过水冷器冷却至常温后进入透平增压机加压到2.0 MPa，水冷后进入冷凝器重复上述循环。

装置选用容积式压缩机，需要提高制冷负荷时，外加氮气提高压缩机进气压力，容积式压缩机出口压力相应提高，膨胀机膨胀气量增大，体积流量不变，制冷量提高。

2.1.3 无级制冷工况各项运行参数

装置可根据要求实现50%～120%任意制冷负荷调节，本文分别以为50%，100%和120%负荷下的运行条件阐述。

1.50%负荷条件下运行工况见表4。

表4 50%制冷负荷下动设备设计运行参数

2.100%负荷条件下运行工况见表5。

表5 100%制冷负荷下动设备运行参数

3.120%负荷条件下运行工况见表6。

表6 120%制冷负荷下动设备运行参数

2.2 优势分析

2.2.1 高效的膨胀效率

现有的压缩—膨胀系统无法提高制冷负荷，只能将压缩机排气回流进入进气管道以降低负荷，该方法不能降低系统能耗，同时由于气体体积流量的变化会对膨胀机的流体产生影响从而影响制冷效率，甚至会导致膨胀机喘振，损坏膨胀机。

本装置首次在膨胀制冷过程中根据气体PVT关系，在相同膨胀比条件下不同质量气体在不同压力条件下体积流量相等的特征，通过压力调节膨胀气量实现系统制冷量的调节，确保膨胀机维持在高效、安全工况，实现了最高膨胀效率下制冷负荷的无级调节。

2.2.2 经济效益显著

装置不仅满足了合成氨尾气气量波动的特点，同时可实现在峰谷电价下的多工况运行，低电价时期提高制冷负荷生产液氮，高电价时段减小负荷，回注液氮，降低装置负荷。现有装置年节省运行费达200万元。

2.2.3 设备一次性投资小

项目利用活塞式压缩机和透平膨胀机之间的耦合完成逆布雷顿循环，活塞式压缩机相对于离心式压缩机可节省一次性投资200万元以上。

2.2.4 检修期间可通过回注液氮实现不间断运行

项目利用活塞式压缩机和透平膨胀机之间的耦合完成逆布雷顿循环，在动设备(含压缩机和膨胀机)设备检修、维护期间可以通过回注液氮实现不间断生产。根据现有维修频率，年增加销售收入150万元。

3 项目运行总结

项目于2015年7月30正常投产，试运行过程中由于人员操作失误出现过一次系统冻堵而停车，热吹后恢复正常，运行结果显示设备与工艺匹配良好，项目根据峰谷电价实行高低负荷运行，各项指标均达到设计要求，目前运行平稳。

3.1 设计指标和实际运行指标对比

3.1.1 100%负荷工况设计条件对比(见表7)

表7 偏差对比表

实际气源条件和设计条件基本一致，实际气源中甲烷含量较设计气源高33%，高浓度气源有利于产量和品质的提高。

3.1.2 逆布雷顿循环运行指标对比及偏差分析

50%负荷即是在高电价时段将液氮注入系统从而降低装置的膨胀负荷，液氮于低电价时段120%负荷条件下从原料气中提取产生。

1.50%负荷条件下运行工况见表8。

表8 50%制冷负荷下动设备实际运行参数

对比表8和表4，低负荷条件下装置能够稳定运行，各项运行指标达到设计要求，但是实际运行过程中由于氮气压缩机进气压力过低，导致压缩机活塞往复运动中不能较好的悬浮在缸体内部，下部活塞环和缸体摩擦较大，该工况对活塞环的磨损较大。

2.100%负荷条件下运行工况见表9。

表9 100%制冷负荷下动设备实际运行参数

对比表5和表9，各项运行指标均和设计指标相符，膨胀机流量较设计流量高500 Nm3/h，主要是因为实际气量及甲烷浓度均略高于设计值，气量和动设备匹配度良好。

2.120%负荷条件下运行工况见表10。

表10 120%制冷负荷下动设备实际运行参数

对比表6和表10，120%负荷条件下单位制冷量较100%和50%工况均出现明显下降，主要是介质受热力学性质影响，高压条件下气体膨胀效率下降。

同时可以发现，受管道设备阻力影响，压缩机出口和增压端进口的压差，膨胀端出口和压缩机进口之间压差均明显上升。

4 结 论

1.利用活塞压缩机和透平膨胀机耦合能够实现逆布雷顿制冷循环的无级调节，能通过调节压缩机进气压力实现制冷负荷的无级调节。

2.该装置无级调节过程均能保证膨胀机的高效工作，并具有一次性投资小，运行费用低，能实现不间断运行的优势。

3.装置可根据峰谷电价调节制冷负荷，高电价时段降低负荷，回注液氮；低电价时段提高负荷，生产液氮，经济效益极其显著。

4.该循环工艺长期低负荷运行会增大压缩机活塞环的更换频率；高负荷条件下运行受管道阻力、膨胀介质自身热力学性质影响，制冷能耗略有提高。

[1] 孙郁，侯予，赵红利，陈纯正. 逆布雷顿循环空气制冷机的性能分析[J].低温工程,2006(1):27-30.

One Kind of Stepless Adjustment of Reverse Brayton Cycle Refrigeration Technology and Industrialized Summary

CHEN Jianjun，YAN Hongwei，YIN Yanjiao，LÜ Shushan，ZHANG Yaqing

(Cryogenic Gas Separation Technology Research Center, Henan XLX Cryogenic Energy Co.,Ltd.，Xinxiang 453000，China)

This article describes the stepless adjustment of the inverse Brayton refrigeration technology and its advantages, and run its industrialized summary.

stepless adjustment；inverse Brayton；industrialized summary

2016-08-02

TB65

A

1007-7804(2016)05-00011-05

10.3969/j.issn.1007-7804.2016.05.004

陈剑军(1987)，男，硕士研究生，助理工程师，毕业于南昌大学化学工程专业，现任河南心连心深冷能源股份有限公司技术部经理，长期从事各类大宗工业气体、特种气体的新工艺开发和工业化工作。