氨制冷循环系统中过冷器的作用及其应用

刘 顺，杜明洋

(中海油石化工程有限公司，山东 济南 250101)

氨制冷循环系统中过冷器的作用及其应用

刘 顺，杜明洋

(中海油石化工程有限公司，山东 济南 250101)

在煤化工项目中，为满足低温甲醇洗等装置的冷量需求，通常需设置氨制冷循环系统。氨制冷循环系统中冷凝器出口的饱和液氨过冷可提高单位质量液氨的制冷量，从而在冷量需求一定的情况下，减少液氨的用量和氨压缩机的功耗，实现节能。本文以单级氨制冷理论循环为例说明过冷器的作用，并得出过冷对制冷循环总是有利的，过冷度越大，则越节能的结论；通过分析四种实现过冷的方法，得到既可实现较大过冷度，又适用于氨制冷剂的方法为设置经济器，即第四种方法。某集团新建氨制冷循环系统采用了此方法，Aspen模拟结果显示，与无过冷的氨制冷循环系统相比，氨压缩机功耗降低了8.4%，实现了节能。

氨制冷循环；过冷；经济器；节能

在煤化工项目中，为满足低温甲醇洗、空分及氨合成装置的冷量需求，需设置一套制冷循环系统，考虑到工程用冷量大及氨合成装置所产氨本身即是一种制冷剂，常选用氨压缩制冷系统，气氨经压缩冷凝为液氨后输往低温甲醇洗、空分及氨合成装置作为制冷剂。但传统的制冷方案中通常将冷凝后的饱和液氨直接输送至冷量用户，造成制冷剂循环量及氨压缩机功耗的增加，而液氨的过冷操作则可增加部分制冷量，从而减少制冷剂用量及氨压缩机功耗，本文主要探讨氨制冷循环中过冷器的作用及其在具体项目中的应用。

1 氨制冷循环中过冷器的作用

下面以单级氨制冷理论循环[1]为例说明过冷器的作用。氨压缩制冷循环流程如图1所示，各点状态对应图2：压-焓图。由图可知：过程1-2表示氨在压缩机中的等熵压缩过程，2点状态为过热气氨，过程2-3表示过热气氨在冷凝器中等压冷却及冷凝过程，3点状态为饱和液氨，过程3-4为绝热节流膨胀过程，液氨在节流过程中压力和温度都降低，但焓值保持不变，4点状态为低压两相状态。过程4-1表示氨在蒸发器中的定压蒸发过程，至此完成循环1-2-3-4-1。

图1 氨压缩制冷循环流程图Fig.1 The flow diagram of ammonia compression refrigeration cycle

图2 氨压缩制冷循环p-h图Fig.2 The pressure-enthalpy diagram of ammonia compression refrigeration cycle

在氨蒸发过程中，q0=h1-h4，q0称为单位制冷量，即单位质量制冷剂可从热源吸收的热量。若在冷凝器与节流膨胀阀之间增加一过冷器，则压-焓图中3点(饱和液氨)移至3'点(过冷液氨)，过冷度ΔT=T3-T3'。过冷液氨再经绝热节流至4'点，经等压蒸发至1点，完成有过冷的循环1-2-3'-4'-1。由于过冷液氨的比焓较饱和液氨有所下降，由压-焓图可知有过冷循环的单位制冷量较无过冷循环增加了Δq0。若用户的冷量需求一定，则有过冷循环所需制冷剂的量较无过冷循环少，继而可降低氨压缩机的功耗。且可得出如下结论：过冷对制冷循环总是有利的，过冷度越大，则越节能。

2 获得过冷度的方法

获得过冷度的方法包括以下几种：(1)利用冷凝器直接过冷，即制冷剂气体在冷凝器中经历冷却-冷凝-过冷三个换热阶段，但受至于冷凝器总传热温差的制约，通常只能获得1-5℃的过冷度。(2)新增一台过冷器获得过冷，利用冷却介质对流出冷凝器的饱和制冷剂进行过冷，如冷凝器用常温水冷却，过冷器则用温度更低的深井水冷却。此种方法受制于冷凝器和过冷器所用冷却介质的温度差，也不会获得很大的过冷度。(3)采用回热循环[1]，即在冷凝器和节流膨胀阀之间增设一换热器，使来自蒸发器的低温制冷剂气体与冷凝器出口的高压液体进行换热，由于来自蒸发器的制冷剂气体温度很低，因而可使高压液体获得较大的过冷度，这种气-液热交换器也叫做回热器。来自蒸发器的制冷剂气体经换热升温(过热)后再返回压缩机入口。但此回热循环对制冷循环的性能系数产生正面或负面影响取决于制冷剂本身的性质，研究表明[1]，采用回热循环有利的制冷剂有丙烷、CO2等，而氨采用回热不利，同时由于氨的绝热指数大，吸气过热会使压缩机排气温度过高，影响压缩机的安全性和可靠性。通常，氨的吸气过热度被控制在5℃以内。(4)采用经济器[2]，即流出冷凝器的饱和制冷剂液体中的一小部分经节流后进入过冷器(又称经济器)的盘管外面蒸发，使另一部分饱和液体流经经济器盘管后达到过冷状态。节流蒸发后的低温低压制冷剂气体返回压缩机入口。这种方法也可使制冷剂液体获得较大的过冷度并且适用于氨制冷循环。

3 氨过冷器的实际应用

某集团新建氨压缩装置中采用上述方法中的第四种方法设置了经济器使液氨过冷以达到降低氨压缩机组功耗的目的。

本装置中气氨经氨压缩机组压缩冷却冷凝及过冷后分别输往空分、氨合成及低温甲醇洗装置内的氨蒸发器节流蒸发提供冷量，氨压缩机组为四段压缩，氨冷凝器之后设置两级过冷器，一级过冷器将饱和液氨(40℃)过冷至7℃，输往空分工段(蒸发温度4℃)和氨合成工段(蒸发温度-13.1℃)，二级过冷器将7℃过冷液氨继续过冷至-10℃，输往低温甲醇洗工段(蒸发温度-38℃)。其中一级过冷器壳程节流减压后的气氨与来自空分工段的饱和气氨一同作为氨压缩机III段补气，二级过冷器壳程节流减压后的气氨与来自氨合成工段的饱和气氨一同作为氨压缩机组II段补气，从而构成闭路循环，具体流程详见图3。

图3 设置过冷器氨压缩制冷循环流程图

Fig.3 The flow diagram of ammonia compression refrigeration cycle with subcooler

图4 未设置过冷器氨压缩制冷循环流程图Fig.4 The flow diagram of ammonia compression refrigeration cycle without subcooler

与不设置过冷器的氨制冷循环流程(详见图4)相比，设置两级过冷器后的氨制冷流程经Aspen模拟后，计算得氨压缩机组功耗为2782.6 kW，较不设置过冷氨压缩机组功耗(3037.6 kW)减少了8.4%，氨压缩机组降耗明显，实现了节能。

[1] 陈光明，陈国邦.制冷与低温原理[M]. 北京：机械工业出版社，2010.

[2] 杨 丽，王 文，白云飞.经济器对压缩制冷循环影响分析[J].制冷学报，2010(4): 35-39.

(本文文献格式：刘 顺，杜明洋.氨制冷循环系统中过冷器的作用及其应用[J].山东化工,2017,46(13):77-79.)

The Role and Application of Subcooler in Ammonia Refrigeration Cycle

LiuShun，DuMingyang

(CNOOC Petrochemical Engineering Co.,Ltd.,Jinan 250101,China)

In coal chemical industry,in order to meet the cooling demand of low-temperature methanol wash unit,the ammonia refrigeration cycle system usually needs to be set. Supercooling the saturated liquid ammonia from condenser can improve the unit refrigerating capacity of liquid ammonia,reducing the amount of liquid ammonia and compressor power consumption and achieving energy saving under the situation in which cooling demand is certain. Based on the theory of single stage ammonia refrigeration cycle as an example,effect of subcooler is shown,and the conclusion that supercooling is always favorable to refrigeration cycle,the greater the degree of supercooling,the more energy-efficient is found out; By analyzing four kinds of implementation method of supercooling,setting the economizer,namely the fourth method,can achieve greater degree of supercooling and is suitable for ammonia refrigerant. This method is adopted in a newly-built ammonia refrigeration cycle system. Aspen simulation results show that,compared with the ammonia refrigeration cycle system with no subcooler,the compressor power consumption of this ammonia refrigeration cycle system with subcooler was reduced by 8.4%,achieving the energy saving.

ammonia refrigeration cycle;supercooling;economizer;energy saving

2017-05-03

刘 顺(1989—)，男，山东菏泽人，助理工程师，硕士研究生，主要从事煤化工及石油化工设计。

TQ051.5

B

1008-021X(2017)13-0077-03