周群（大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司）

氨制冷系統(tǒng)利用天然冷量節(jié)能效果分析

周群（大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司）

大慶油田天然氣分公司現(xiàn)有6套天然氣處理裝置采用氨壓縮制冷系統(tǒng)，系統(tǒng)中氨壓縮機(jī) 為主 要耗 電設(shè)備，年耗電量約 900×104kWh。分析了氨 制冷 系統(tǒng) 中氨流量、氨壓縮機(jī) 入口壓力、氨壓縮機(jī)出口壓力對(duì)氨壓縮機(jī)能耗的影響，通過(guò)利用大慶地區(qū)天然冷量，可降低氨壓縮機(jī)出口壓力（保持制冷溫度不變），有效降低氨壓縮機(jī)能耗。分公司對(duì)2套淺冷裝置氨制冷系統(tǒng)進(jìn)行了氨低溫運(yùn)行試驗(yàn)，確定了冬季 氨適宜的冷卻溫度為 5～10 ℃，此時(shí)氨壓縮機(jī)的電 流下降20%以上，驗(yàn)證了利用天然冷量降低氨壓縮機(jī)能耗的可行性，為降低冷劑制冷系統(tǒng)能耗提供了新思路。

天然氣處理 氨制冷 天然冷量 節(jié)能

大慶油田天然氣分公司現(xiàn)有6套天然氣處理裝置采用氨壓縮制冷系統(tǒng)，系統(tǒng)中氨壓縮機(jī)為主要耗電設(shè)備，年耗電量約 950×104kWh，是分公司除了天然氣壓縮機(jī)、丙烷壓縮機(jī)、原油泵之外的重點(diǎn)耗電設(shè)備。壓縮機(jī)的運(yùn)行狀況直接影響裝置的制冷以及能耗，因此，有必要開(kāi)展氨壓縮機(jī)節(jié)能優(yōu)化技術(shù)研究，提高裝置能源利用率，為分公司增產(chǎn)降耗做貢獻(xiàn)。

1 氨壓縮機(jī)能耗的影響因素分析

在氨制冷系統(tǒng)中氨壓縮機(jī)的作用是將低壓氨蒸氣進(jìn)行壓縮，保證氨在制冷系統(tǒng)完成循環(huán)。天然氣分公司氨壓縮機(jī)為螺桿壓縮機(jī)，其絕熱功率公式[1]為

式中：

ps——壓縮機(jī)進(jìn)氣壓力，kPa（A）；

Vs——壓 縮 機(jī) 在 吸 入狀態(tài)下 的 排 氣 量 ，m3/min；

ε——壓縮比；

k——?dú)怏w絕熱系數(shù)；

pd——壓縮機(jī)排氣壓力；

?——進(jìn)氣狀態(tài)下的相對(duì)濕度，%；

psa——進(jìn) 氣 狀 態(tài) 下 的飽和蒸 氣 壓 力 ，kPa；

p0——標(biāo) 準(zhǔn) 大 氣 壓 力，取值 101.325kPa；

T0——273K；

Ts——進(jìn)氣溫度，K；

V —— 壓 縮 機(jī) 在 標(biāo) 準(zhǔn) 狀 態(tài) （101.325kPa， 273 K）下的排氣量，m3/min。

從上式中可以看出，對(duì)于氨壓縮機(jī)來(lái)說(shuō)，氨的流量、壓縮機(jī)入口氨的溫度和壓力、氨壓縮機(jī)出口的溫度和壓力共同影響了氨壓縮機(jī)的能耗。如果忽略管線和靜設(shè)備壓降，壓縮機(jī)入口的溫度和壓力即為氨蒸發(fā)器的溫度和壓力，壓縮機(jī)出口的溫度和壓力即為氨冷凝器的溫度和壓力。將系統(tǒng)中的氨視為純氨，在氨蒸發(fā)器和氨冷凝器中，氨的蒸發(fā)（冷凝）溫度和蒸發(fā)（冷凝）壓力是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，影響氨壓縮機(jī)能耗的因素即為氨的流量、蒸發(fā)器中的氨壓力、冷凝器中氨的冷凝溫度。

1.1氨流量對(duì)氨壓縮機(jī)能耗的影響

由 公 式 （1）可 以看出 ， 壓 縮機(jī)的 絕 熱功率 與其吸入狀態(tài)下的吸氣量成正比。當(dāng)壓縮機(jī)入出口溫度和壓力一定時(shí)，氨壓縮機(jī)吸入狀態(tài)下的吸氣量決定于系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)的氨的循環(huán)量。降低氨的循環(huán)量可以降低氨壓縮機(jī)的能耗。

1.2壓縮機(jī)入口氨的壓力對(duì)壓縮機(jī)能耗的影響

壓縮機(jī)入口的氨氣體即為氨蒸發(fā)器氨液體氣化的氣體，對(duì)于純的氨來(lái)說(shuō)，它的蒸發(fā)溫度與壓力是一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。不同蒸發(fā)壓力對(duì)應(yīng)的蒸發(fā)溫度見(jiàn)表1。

表1 氨蒸發(fā)溫度與蒸發(fā)壓力對(duì)應(yīng)關(guān)系

查 資 料[2]得 氨 的 絕 熱 指 數(shù) k=1.32。 由 公 式（1）、（2）和 （3）可 以 看 出， 氨 壓 縮 機(jī) 的 絕 熱功 率與 ps、 Vs和（ ε0.242－1）三 項(xiàng) 積 成 正 比 ， (k-1）/k =0.242 。對(duì)于純的氨液體，相對(duì)濕度為 0， V 假設(shè)為1m3/min， 按 壓 縮 機(jī) 出 口 壓 力 為 1.72MPa （A）不變，取不同的入口壓力所得到的三者乘積見(jiàn)表2。

表2 氨蒸發(fā)壓力對(duì)壓縮機(jī)絕熱功率的影響

由表2可以看出，隨著氨蒸發(fā)壓力的升高，氨壓縮機(jī)的絕熱功率變小。通過(guò)提高氨蒸發(fā)器中氨的壓力可以降低氨壓縮機(jī)的能耗。

1.3壓縮機(jī)出口氨的溫度對(duì)壓縮機(jī)能耗的影響

壓縮機(jī)出口對(duì)應(yīng)的壓力即為氨在該溫度下冷凝所對(duì)應(yīng)的飽和蒸氣壓。不同溫度下對(duì)應(yīng)的氨飽和蒸氣壓力見(jiàn)表3。

表3 氨冷凝溫度與飽和蒸氣壓力對(duì)應(yīng)關(guān)系

假設(shè)氨壓縮機(jī)的吸入壓力與吸入流量不變，分別 為 120kPa 和 1m3/min。 由 公 式 （1）和 （2）可 以看 出 ， 氨 壓 縮 機(jī) 的 絕 熱 效 率 與（ ε0.242－ 1）成 正 比 。計(jì) 算 氨 的 不 同 冷 凝 溫 度 下 的（ ε0.242－ 1）值 見(jiàn) 表4。

表4 氨的冷凝溫度對(duì)壓縮機(jī)絕熱功率的影響

由表4可以看出，隨著氨的冷凝溫度的降低，氨壓縮機(jī)的絕熱功率將變小。降低氨的冷凝溫度可以降低氨壓縮機(jī)的能耗。

2 降低氨壓縮機(jī)能耗的措施

從上面的分析可以看出，降低氨的循環(huán)量、提高氨壓縮機(jī)入口壓力和降低氨的冷凝溫度均可以有效降低氨壓縮機(jī)的能耗。

2.1提高氨壓縮機(jī)入口壓力的可行性分析

由于氨蒸發(fā)器中，氨的蒸發(fā)壓力與蒸發(fā)溫度一一對(duì)應(yīng)。提高壓縮機(jī)的入口壓力，即要提高氨蒸發(fā)器中氨的蒸發(fā)壓力，即提高氨的蒸發(fā)溫度。

氨蒸發(fā)器又稱最終冷卻器，它的作用是將天然氣冷卻到所需要的溫度，以達(dá)到一定的輕烴收率。從這個(gè)意義上來(lái)說(shuō)，蒸發(fā)溫度越低越好；同時(shí)，考慮到安全因素，整個(gè)系統(tǒng)一般要求在正壓下操作，即氨的蒸發(fā)壓力應(yīng)高于大氣壓。實(shí)際操作時(shí)應(yīng)選取略高于大氣壓下操作，考慮到壓力波動(dòng)，蒸發(fā)壓力一般為120kPa（A）左右。因此，采用提高壓縮機(jī)入口壓力來(lái)降低壓縮機(jī)能耗的措施不可行。

2.2降低氨循環(huán)量的可行性分析

當(dāng)氨的蒸發(fā)壓力不變時(shí)，其汽化潛熱為定值。要將一定處理的天然氣冷卻到所需要的溫度，所需要的冷量也相對(duì)固定，因此，需要的液氨量也相對(duì)固定。如果降低氨的循環(huán)量，則無(wú)法提供相應(yīng)的冷量，因此，采用降低氨的循環(huán)量來(lái)降低氨壓縮機(jī)能耗的措施不可行。

2.3降低氨冷凝溫度的可行性分析

在氨制冷系統(tǒng)中，氨壓縮機(jī)的出口壓力對(duì)應(yīng)著氨冷卻器中氨的冷凝溫度，氨的冷凝溫度越低，氨壓縮機(jī)的出口壓力越低。若氨蒸發(fā)器中氨的蒸發(fā)壓力不變，則氨壓縮機(jī)的壓比即隨著壓縮機(jī)出口壓力的變化而變化，即氨的冷凝溫度對(duì)氨壓縮機(jī)的功耗有一定的影響。以杏九淺冷裝置氨制冷系統(tǒng)為例，模擬結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 氨壓縮機(jī)功耗隨冷凝溫度的變化曲線

由 圖1 可 以 看 出 ， 提 供 100Mcal（418.2MJ）的冷量時(shí)，所需要的壓縮的功耗隨氨的冷凝溫度的下降而下降。氨冷 凝 溫 度 為 35 ℃ ， 每 100Mcal制 冷量氨壓縮機(jī)所需有用功為 41.46kW；氨冷凝溫度為10 ℃時(shí)，每 100Mcal制冷量氨壓縮機(jī)所需有用功為22.85kW ， 下 降 了 44.89%。

大慶地區(qū)的平均氣溫較低 （表5），對(duì)于采用空冷的制冷系統(tǒng)，若能充分利用自然冷源，降低氨的冷凝溫度，將有利于降低氨制冷系統(tǒng)的電耗，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

表5 大慶地區(qū)各月平均溫度（℃）

從上面的分析可以看出，對(duì)于分公司杏三、杏九和杏V-1三套淺冷裝置，由于制冷系統(tǒng)采用空冷冷卻，冬季可以利用天然冷量，降低氨冷凝溫度，從而降低氨壓縮機(jī)的能耗。

3 氨冷凝器低溫運(yùn)行試驗(yàn)

3 氨冷凝器低溫運(yùn)行試驗(yàn)

表6 試驗(yàn)前后裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比

由表6可以看出，與試驗(yàn)前相比，氨的冷凝溫度 由 平 均 26.3 ℃ 降 低 到 7.1 ℃ ， 壓 縮 機(jī) 的 壓 比 由6.68 降 到 4.14； 氨 壓 縮 機(jī) 的 電 流 從 24.1A 降 低 到18.8A， 電 流 下 降了 22%， 具 有 較好的節(jié) 電 效 果 。

4 結(jié)論及認(rèn)識(shí)

1）氨制冷 系 統(tǒng)中 氨 的循環(huán) 量 、氨壓 縮 機(jī)入 出口壓力和溫度等因素對(duì)氨壓縮機(jī)能耗均有影響。分析表明，降低氨壓縮機(jī)出口壓力，即降低氨的冷凝溫度能夠有效降低氨壓縮機(jī)能耗，同時(shí)保持制冷溫度不變。

2）氨制冷 系統(tǒng)低 溫 運(yùn)行試 驗(yàn) 表明 ， 冬季氨 的適 宜 冷 凝溫度 為 5～10 ℃， 在 此溫度 下 ， 氨制冷 系統(tǒng)可以平穩(wěn)運(yùn)行，氨壓縮機(jī)的電流下降22%，可以有效地降低氨壓縮機(jī)的能耗。

3）當(dāng) 氨 冷 凝 溫 度 低 于 25 ℃ 時(shí) ， 應(yīng) 適 當(dāng) 減 少 氨冷卻器的液氨進(jìn)入量，以控制適宜的潤(rùn)滑油溫度，使油氣壓力差平穩(wěn)，保證制冷系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

[1]《油田油氣集輸設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)》編寫組.油田油氣集輸設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)[M].北京:石油工業(yè)出版社,1994:477-478.

[2]袁利偉.?；钒踩芾砼c傷害事故后果分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].昆明:昆明理工大學(xué),2004.

利用自然冷源降低氨的冷凝溫度能夠有效降低氨壓縮機(jī)的能耗;但當(dāng)氨的冷凝溫度降低時(shí)，由于壓縮機(jī)做功變少，氨壓縮機(jī)出口氣體溫度會(huì)相應(yīng)降低，即潤(rùn)滑油溫度會(huì)相應(yīng)降低。氨的冷凝壓力和潤(rùn)滑油溫度的降低均會(huì)影響制冷系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。因此，有必要在裝置上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，摸索出適宜的冷凝溫度范圍，在保證制冷系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的前提下，有效降低氨壓縮機(jī)的能耗。

3.1試驗(yàn)過(guò)程

1）增 加 氨空冷 器 的運(yùn)行 臺(tái)數(shù)， 降 低氨的 冷 凝溫度；

2）觀 察 并調(diào)節(jié) 氨 蒸發(fā)器 的壓力 和 液位， 保 證裝置制冷溫度不變；

3）觀 察 潤(rùn)滑油 系 統(tǒng)的運(yùn) 行情況 ， 并通過(guò) 潤(rùn) 滑油冷卻器調(diào)節(jié)潤(rùn)滑油的溫度，保證潤(rùn)滑油系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

試驗(yàn)裝置選擇了杏V-1和杏九淺冷裝置。

經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，摸索出氨適宜的冷凝溫度為5～10℃，若溫度再低，不僅氨蒸發(fā)器的蒸發(fā)壓力和液位不易控制，還會(huì)使?jié)櫥蜏囟冗^(guò)低。

在 氨冷凝溫 度 維 持 在 5～10 ℃運(yùn) 行 時(shí) ， 潤(rùn) 滑 油的溫度保持在 55～65 ℃為宜，若溫度過(guò)低，會(huì)使?jié)櫥宛ざ茸兇?，泵出口壓力變低，致使油氣壓差波?dòng)；若溫度過(guò)高，潤(rùn)滑油黏度變小，泵出口壓力變高，泵出口的安全閥頻繁啟跳。

3.2節(jié)能效果分析

試驗(yàn)前和試驗(yàn)后裝置的運(yùn)行參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表6。

10.3969/j.issn.2095-1493.2013.012.002

2013-10-13）

周群，高級(jí)工程師，1987年畢業(yè)于佳木斯工學(xué)院，從事油 氣 初 加 工 管 理 工 作 ， E-mail： tzhouq@petrochina.com.cn， 地 址 ：黑龍江省大慶市天然氣分公司機(jī)關(guān)，163416。