陳樹軍, 付 越, 劉 楊, 唐建峰, 王武昌

(中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院， 山東 青島 266580)

0 引 言

中國(guó)石油大學(xué)(華東)是教育部和四大石油石化企業(yè)集團(tuán)、教育部和山東省人民政府共建的高校，是石油、石化高層次人才培養(yǎng)的重要基地，被譽(yù)為“石油科技人才的搖籃”，現(xiàn)已成為一所以工科為主、石油石化特色鮮明、多學(xué)科協(xié)調(diào)發(fā)展的大學(xué)。我校建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)2002年成立，專業(yè)設(shè)置的特色在于——以“大燃?xì)狻睘辇堫^，發(fā)揮油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)重點(diǎn)學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，建設(shè)具有鮮明石油特色的建筑環(huán)境與設(shè)備工程專業(yè)[1]。2013年，為了使辦學(xué)更好的突出石化特色，我系更名為“建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)”，并入單獨(dú)成立的燃?xì)夤こ滔担@更有利于建環(huán)專業(yè)朝著我校既定的方向發(fā)展。培養(yǎng)出專業(yè)基礎(chǔ)扎實(shí)、工程實(shí)踐能力強(qiáng)的石油石化行業(yè)高級(jí)專業(yè)人才是我系培養(yǎng)方案的目標(biāo)。

天然氣作為清潔、高效、方便的能源，在環(huán)境和經(jīng)濟(jì)方面的價(jià)值已得到廣泛證實(shí)[2]。未來用天然氣代替燃煤和燃油是必然趨勢(shì)。在這種形式下，我系作為具有石油特色的建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)，教學(xué)計(jì)劃的制定，在嚴(yán)格遵循全國(guó)高校本專業(yè)指導(dǎo)委員會(huì)制定的專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、課程體系及培養(yǎng)計(jì)劃的總體框架基礎(chǔ)上，定位為包括天然氣的礦場(chǎng)集輸、長(zhǎng)距離輸送及下游城市燃?xì)廨斉浼皯?yīng)用的大燃?xì)獍l(fā)展方向。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方面，專業(yè)實(shí)驗(yàn)共16大項(xiàng)，22小項(xiàng)，目前基本能滿足基礎(chǔ)本科教學(xué)的要求。但隨著天然氣應(yīng)用技術(shù)等方面的不斷發(fā)展，我系教學(xué)計(jì)劃也在不斷修訂和充實(shí)。關(guān)于天然氣預(yù)處理、液化工藝、液化天然氣(LNG)安全儲(chǔ)存及運(yùn)輸、LNG的利用等方面的課程也越來越重要。但我系的實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，還主要為燃?xì)廨斉浜腿紵矫鎸?shí)驗(yàn)，缺少氣體液化系統(tǒng)及其相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。這已不能滿足未來的本科教學(xué)要求。本文就開設(shè)氣體液化實(shí)驗(yàn)的必要性、氣體液化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)方案、實(shí)驗(yàn)可行性和氣體液化實(shí)驗(yàn)擬開設(shè)項(xiàng)目等方面進(jìn)行探討。

1 開設(shè)氣體液化實(shí)驗(yàn)的必要性

我校在培養(yǎng)方案的制定上，“城市燃?xì)廨斉洹笔墙ㄖh(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的主干專業(yè)必修課，“LNG利用技術(shù)”也列為專業(yè)限選課，兩門課程均涉及LNG的內(nèi)容。為了使學(xué)生更好地理解和掌握書本知識(shí)，從理論走向?qū)嵺`，需要在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中增加氣體液化相關(guān)的教學(xué)環(huán)節(jié)[3,4]。氣體液化實(shí)驗(yàn)的開設(shè)，完善了我系專業(yè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，有助于學(xué)生直觀地了解壓縮機(jī)和換熱器等設(shè)備的構(gòu)造和工作原理，在此基礎(chǔ)上真切地掌握天然氣液化工藝過程和制冷工藝過程。重要的是可以運(yùn)用我系現(xiàn)有的一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備，讓學(xué)生自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氣體液化過程的不同規(guī)律和現(xiàn)象，既符合我系設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)的建設(shè)目標(biāo)，又解決了實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用率不高，缺乏系統(tǒng)性等缺點(diǎn)。另外，開設(shè)氣體液化實(shí)驗(yàn)，還能更好的滿足學(xué)?！皽p少理論教學(xué)學(xué)時(shí)，增加實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐學(xué)時(shí)”等培養(yǎng)計(jì)劃的改革方向。

2 氣體液化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)方案

2.1 氣體液化實(shí)驗(yàn)液化流程方案的確定

選擇何種類型的液化流程，需根據(jù)具體的用途、目的和實(shí)驗(yàn)條件綜合考慮[5]。因?yàn)楸玖鞒逃糜诒究茖?shí)驗(yàn)教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，設(shè)備要占地小、投資成本少、能耗低、效率高、靈活性好，特別要保證安全[6]。綜合考慮以上方面，設(shè)計(jì)出一種適合本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)的小型、高效、經(jīng)濟(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置的液化流程是非常必要的。按制冷方式分，氣體液化主要有3種形式：級(jí)聯(lián)式液化流程、混合制冷劑液化流程(包括單級(jí)、多級(jí)和丙烷預(yù)冷等)、帶膨脹機(jī)的液化流程(包括單膨脹機(jī)循環(huán)和雙膨脹機(jī)循環(huán)等)[7-9]。通過查閱文獻(xiàn)[10-16]，得到不同液化裝置循環(huán)效率和各種液化循環(huán)特性的對(duì)比如表1和表2所示。

表1 液化裝置常用液化循環(huán)效率比較

表2 各種液化循環(huán)特性比較

綜合以上各種液化流程循環(huán)效率和循環(huán)特性的比較可知，級(jí)聯(lián)式制冷循環(huán)和混合制冷循環(huán)(MRC)能耗較低，效率最高。但從復(fù)雜程度和適應(yīng)性等方面，MRC優(yōu)于級(jí)聯(lián)式制冷循環(huán)。鑒于實(shí)驗(yàn)室對(duì)制冷要求不大，以工藝流程簡(jiǎn)化、實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量少、利用的制冷循環(huán)技術(shù)成熟、總投資和運(yùn)行費(fèi)用最低為原則，采用單級(jí)MRC是最佳的選擇。原因如下：① 單級(jí)MRC設(shè)備簡(jiǎn)單，投資較低，工藝流程不復(fù)雜。② 該流程可最大限度地減少與環(huán)境之間的不可逆熱損失。③ 液化率高，可以通過混合工質(zhì)組分的合理配比，在不同溫區(qū)多股流換熱器內(nèi)，混合工質(zhì)溫度曲線與被液化氣體的溫度曲線相匹配。④ 減少了傳熱溫差，從而減少能耗，提高了液化效率。

2.2 制冷劑與液化介質(zhì)的選擇

由于該液化流程用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，特別要考慮安全問題[6]。因主要側(cè)重于學(xué)生理解氣體溫度、流量、相變的過程，所以只要采用安全的氣體組分演示出氣體的相變過程就可以滿足教學(xué)要求。制冷劑選用烴類存在易燃易爆危險(xiǎn)，若采用氮?dú)狻鍤獾榷栊詺怏w，因液化溫度低，實(shí)驗(yàn)耗能多，費(fèi)用高，耗時(shí)長(zhǎng)，也容易發(fā)生冷凍傷人事故，不利于教學(xué)試驗(yàn)?；谝陨峡紤]，選擇多種氟利昂的混合工質(zhì)作為制冷劑，就可達(dá)到教學(xué)目的。在液化對(duì)象的選擇上，由于二氧化碳具有無(wú)毒、無(wú)害、不燃燒的特性，所以在教學(xué)實(shí)驗(yàn)中適合作為液化試驗(yàn)介質(zhì)。

2.3 氣體液化實(shí)驗(yàn)工藝流程的設(shè)計(jì)

考慮到實(shí)驗(yàn)室的實(shí)際情況，流程采用較高溫區(qū)的氟利昂相變制冷工藝，包括壓縮、換熱、液化、節(jié)流等封閉循環(huán)。具體實(shí)驗(yàn)流程為：混合制冷劑經(jīng)壓縮機(jī)壓縮至1 MPa左右，經(jīng)過冷卻器降溫至30℃左右，進(jìn)入包括多通道換熱器組的冷箱中降溫，氣體到達(dá)換熱器底部時(shí)已基本全部液化。液相混合工質(zhì)經(jīng)節(jié)流閥節(jié)流降溫后進(jìn)入換熱器冷箱，經(jīng)過換熱器復(fù)溫后出冷箱的流體返回MRC壓縮機(jī)入口，形成密閉連續(xù)的制冷循環(huán)過程。純凈的二氧化碳經(jīng)過鋼瓶上減壓閥減壓至1.3 MPa左右后進(jìn)入冷箱，與返流的混合制冷劑換熱，達(dá)到液化溫度后流入氣液分離器中，液體進(jìn)入二氧化碳儲(chǔ)罐中儲(chǔ)存，未液化的二氧化碳閃蒸汽通過氣液分離器氣相出口排出室外。另外，對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)的液體二氧化碳節(jié)流能夠?qū)崿F(xiàn)凝華，凝華的二氧化碳(干冰)遇熱發(fā)生升華，這個(gè)過程在整個(gè)試驗(yàn)過程中都能實(shí)現(xiàn)。具體的液化工藝模擬流程如圖1所示。

如果不需要液化二氧化碳，可用其他高沸點(diǎn)組分的氣體替代。也可以不液化氣體，只觀察混合制冷劑的液化、分離、氣化的全過程，同樣達(dá)到實(shí)驗(yàn)教學(xué)的目的。

圖1 氣體液化工藝模擬流程圖

3 氣體液化實(shí)驗(yàn)可行性分析

在安全方面，制冷劑選用R134a、R23和R14混合組分，無(wú)毒、安全可靠、非易燃易爆；二氧化碳的選擇則排除了使用天然氣易燃易爆的危險(xiǎn)，而且減少了投資。在費(fèi)用方面，一次實(shí)驗(yàn)耗電量為30 kW/h，所需二氧化碳半瓶左右，每次實(shí)驗(yàn)費(fèi)用約為34元人民幣左右，如果液化后的二氧化碳循環(huán)使用的話，費(fèi)用還可降低。在占地方面，采用撬裝單元結(jié)構(gòu)，設(shè)備小、結(jié)構(gòu)緊湊，整套裝置占地面積約40 m2，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地完全滿足平臺(tái)需求。在實(shí)驗(yàn)耗時(shí)方面，液化氣體為CO2，由于沸點(diǎn)低，設(shè)備啟動(dòng)后30 min內(nèi)可達(dá)到液化溫度，所以在1到2 h時(shí)間內(nèi)可完成一次實(shí)驗(yàn)。

4 氣體液化實(shí)驗(yàn)臺(tái)擬開設(shè)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

通過購(gòu)置整體撬裝式混合工質(zhì)制冷機(jī)組、制冷劑、液化冷箱(撬裝保溫冷箱、多層換熱器組、低溫閥門等)、氣液分離器和PLC儀控系統(tǒng)，建造氣體液化實(shí)驗(yàn)裝置。利用我系實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，了解氣體液化的各種規(guī)律和現(xiàn)象。具體可以實(shí)現(xiàn)如下實(shí)驗(yàn)：

(1) 在一定的混合制冷劑配比和液化氣體壓力下，改變系統(tǒng)運(yùn)行壓力(吸氣壓力和排氣壓力)，了解其對(duì)系統(tǒng)單位液化功的影響。

(2) 在一定的混合制冷劑配比、液化氣體壓力和系統(tǒng)運(yùn)行壓力下，改變換熱器混合位置，了解其對(duì)系統(tǒng)單位液化功的影響。

(3) 在一定的液化氣體壓力下，在該套實(shí)驗(yàn)裝置的液化冷箱前設(shè)置取樣口，與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的氣相色譜儀相連接，研究混合制冷劑配比與氣體液化效率之間的關(guān)系。

(4) 在一定的混合制冷劑配比和系統(tǒng)運(yùn)行壓力下，改變液化介質(zhì)，將其由CO2改為制冷劑混合氣體，與實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)自動(dòng)配氣系統(tǒng)相連接，研究不同配比的液化介質(zhì)與混合制冷劑之間的液化關(guān)系，同時(shí)還掌握了如何配氣。

(5) 通過對(duì)二氧化碳液體儲(chǔ)罐的液相管節(jié)流，可實(shí)現(xiàn)液體二氧化碳的凝華，凝華的二氧化碳(干冰)遇熱發(fā)生升華，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中了解更多的相變知識(shí)。

5 結(jié) 語(yǔ)

高校專業(yè)實(shí)驗(yàn)室是進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)、培養(yǎng)高層次人才、進(jìn)行科學(xué)研究和社會(huì)服務(wù)的重要基地。氣體液化實(shí)驗(yàn)臺(tái)的引進(jìn)，使石油院校建環(huán)專業(yè)實(shí)驗(yàn)的項(xiàng)目更加完善。從以前驗(yàn)證性和演示性實(shí)驗(yàn)，變?yōu)橐龑?dǎo)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)液化實(shí)驗(yàn)，加深了學(xué)生對(duì)氣體液化知識(shí)的理解，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和動(dòng)手能力，同時(shí)也使學(xué)生對(duì)該專業(yè)的主干專業(yè)課“城市燃?xì)廨斉洹焙蛯I(yè)限選課“LNG利用技術(shù)”中的氣體液化相關(guān)知識(shí)理解的更加透徹。通過利用現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備氣相色譜儀和計(jì)算機(jī)自動(dòng)配氣系統(tǒng)，為液化裝置的運(yùn)行與優(yōu)化提供了良好的技術(shù)支持，也使本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)向綜合性和設(shè)計(jì)性更邁進(jìn)了一步。

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