方曉慶 莊學(xué)武（大慶油田有限責(zé)任公司天然氣分公司）

丙烷制冷單元是天然氣淺冷處理裝置的核心單元，決定了裝置的制冷溫度，而丙烷壓縮機的電耗一般也占到整套淺冷裝置電耗的15%以上。天然氣分公司現(xiàn)有9套丙烷壓縮制冷系統(tǒng)在運，其中4 套用于淺冷裝置，采取技術(shù)措施降低丙烷壓縮機的能耗，對于降低裝置運行成本具有現(xiàn)實意義；但同時必須保證制冷系統(tǒng)所提供冷量的數(shù)量和品位，否則將會影響裝置的制冷溫度。

1 丙烷制冷系統(tǒng)能耗影響因素分析

1.1 丙烷制冷系統(tǒng)簡介

目前，丙烷制冷機組普遍采用的工藝流程（圖1）是：丙烷蒸發(fā)器中的氣態(tài)丙烷由丙烷壓縮機進行壓縮，在壓縮機出口油分離器中分離出機油后，去水冷冷凝器冷凝成液態(tài)丙烷，冷凝后高壓液態(tài)丙烷經(jīng)節(jié)流膨脹后進入經(jīng)濟器。經(jīng)濟器中的氣態(tài)丙烷返回壓縮機中段進一步進行壓縮；液態(tài)丙烷經(jīng)過控制蒸發(fā)器液位的調(diào)節(jié)閥進入蒸發(fā)器，氣化變成氣態(tài)丙烷，吸收天然氣的熱量；丙烷在制冷系統(tǒng)內(nèi)部如此反復(fù)循環(huán)，不斷吸收天然氣的熱量，從而達到制冷的目的。其中，丙烷壓縮機是丙烷壓縮制冷系統(tǒng)的主要能耗設(shè)備。

如果忽略管線和靜設(shè)備壓降，壓縮制冷循環(huán)在壓焓圖上如圖2所示。1-2線段表示氣態(tài)冷劑在壓縮機中的壓縮過程，近似地沿等熵線進行；2-2′-3′-3線段表示冷劑在冷凝器中的冷凝過程，為等壓過程；3-4線段表示冷劑節(jié)流膨脹過程，為等焓過程；4-1線段表示冷劑在蒸發(fā)器中的蒸發(fā)過程，為等壓過程[1]（圖2）。

圖1 丙烷壓縮制冷循環(huán)流程示意圖

圖2 壓縮制冷循環(huán)在壓焓圖上的示意

設(shè)系統(tǒng)循環(huán)的冷劑量為qm，整個制冷循環(huán)中所需要的壓縮機功耗為

制冷系統(tǒng)所提供的制冷量為

由制冷系數(shù)的定義可知

由上述公式（1）~（3）可知，冷劑循環(huán)量壓縮機入口壓力和壓縮機出口壓力共同影響了壓縮機的能耗和制冷量。

1.2 降低制冷壓縮機能耗的措施分析

從制冷循環(huán)的壓焓圖中可以看出，降低冷劑循環(huán)量、提高壓縮機入口壓力或降低壓縮機出口壓力均可以降低壓縮機的能耗。

當其他參數(shù)不變，降低冷劑的循環(huán)量，制冷壓縮機的能耗成比例下降，但制冷系統(tǒng)所提供的冷量也成比例下降。降低了制冷系統(tǒng)的制冷能力，致使裝置的制冷溫度升高，因此，采用此措施降低制冷壓縮機能耗不可取。

當其他參數(shù)不變，提高壓縮機入口壓力，制冷壓縮機的能耗下降，制冷系統(tǒng)所提供的冷量也增加，制冷系數(shù)升高。但提高了壓縮機入口壓力，即提高了蒸發(fā)器中冷劑蒸發(fā)壓力，相應(yīng)的冷劑蒸發(fā)溫度會升高，無法將天然氣冷卻到所需要的溫度，因此，采用此措施降低制冷壓縮機的能耗不可取。

當其他參數(shù)不變，降低壓縮機出口壓力，制冷壓縮機的能耗下降，制冷系統(tǒng)所提供的冷量不變，制冷系數(shù)升高。采用降低壓縮機出口壓力的措施既可以降低壓縮機的能耗，又會造成裝置的制冷溫度升高，因此，采用此措施降低制冷壓縮機的能耗可行。

在丙烷制冷系統(tǒng)中，丙烷壓縮機的出口壓力近似等于丙烷冷凝器中的丙烷壓力，即丙烷的冷凝壓力。此壓力與丙烷的冷凝溫度為一一對應(yīng)關(guān)系，降低丙烷的冷劑溫度即可降低丙烷的冷凝壓力，進而降低壓縮機出口壓力。

模擬計算表明（圖3），丙烷壓縮機的能耗近似與丙烷的冷凝溫度成線性關(guān)系，當提供的制冷量相同時，隨著丙烷冷凝溫度的降低，壓縮機所需做的功也相應(yīng)降低。當冷凝溫度由35 ℃降至25 ℃時，每100M cal制冷量丙烷機所需做的有用功由59.80 kW 降至47.66kW ，可降低25.4%。

大慶地區(qū)的平均氣溫較低，對現(xiàn)有丙烷冷卻系統(tǒng)進行技術(shù)改造，充分利用天然冷量源，降低丙烷的冷凝溫度，將有利于降低丙烷制冷系統(tǒng)的電耗，達到節(jié)能降耗的目的。

圖3 壓縮機做功隨丙烷冷凝溫度變化曲線

2 丙烷制冷系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

天然氣分公司有1套淺冷裝置，丙烷制冷系統(tǒng)采用循環(huán)水冷卻，丙烷的冷凝溫度全年在35 ℃左右，無法有效利用大慶地區(qū)天然冷量，進一步降低丙烷的冷凝溫度。因此，對現(xiàn)制冷系統(tǒng)進行了改造（圖4），新增蒸發(fā)空冷與原水冷器串聯(lián)運行，停運原水冷器循環(huán)水，原水冷器僅作為容器，采用表面蒸發(fā)式空冷器冷卻丙烷。

圖4 改造流程示意圖

夏季，壓縮后的丙烷氣體只用表面蒸發(fā)空冷器冷卻；春秋季和冬季，壓縮后的丙烷氣體經(jīng)過表面蒸發(fā)式空冷器（不噴淋水），利用空氣冷卻，用風(fēng)機開啟的臺數(shù)和風(fēng)機電動機的變頻設(shè)施控制丙烷的出口溫度。

3 丙烷制冷系統(tǒng)節(jié)能效果分析

3.1 丙烷制冷機節(jié)能效果預(yù)測

改造前后（2010年和2011年）該淺冷裝置相同運行季節(jié)的生產(chǎn)數(shù)據(jù)見表1。

由表1可知，與去年同期相比，在循環(huán)水冷完全停運，表面蒸發(fā)空冷器投用后，取得了較好的冷卻效果，丙烷壓縮機出口的壓力由1 207.73kPa下降至1 055.67kPa；丙烷的冷凝溫度由37.5 ℃下降到32.36℃，平均下降了5.14 ℃。處理萬立方米氣耗電由377.45 kW h下降至342.83 kW h，下降了9.172%；平均每下降1 ℃，處理萬立方米氣丙烷壓縮機電耗下降約1.784個百分點。

表1 淺冷裝置丙烷制冷系統(tǒng)丙烷壓縮機出口壓力變化情況

該淺冷裝置丙烷壓縮機出口壓力要求控制在680~1500kPa，改造后各季節(jié)丙烷的冷卻溫度及丙烷壓縮機的電耗與先前對比情況預(yù)測見表2。

表2 投運表面蒸發(fā)空冷器前后丙烷壓縮機運行參數(shù)變化情況預(yù)測

由表2可知，與投運表面蒸發(fā)空冷器前對比，預(yù)計丙烷壓縮機年可節(jié)電82.77×104kW h，電消耗量約降低20%。

3.2 表面蒸發(fā)空冷器耗電、耗水預(yù)測

表面蒸發(fā)空冷器所配風(fēng)機3臺，額定功率為5.5kW ；循環(huán)水泵為2臺，一開一備，單臺功率為7.5 kW 。根據(jù)電動機效率現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)、大慶地區(qū)氣溫情況和表2中預(yù)測的丙烷冷凝溫度，預(yù)測1年中空冷器風(fēng)機耗電5.08×104kW h，水泵耗電1.02×104kW h，設(shè)備耗水3312.3t。

根據(jù)標定結(jié)果，丙烷冷凝器消耗水145.9t/h，改造后年降低循環(huán)水消耗120.45×104t。

3.3 降低操作費用

按照電價0.574 7元/kW h，新鮮水價4.75元/t，循環(huán)水價0.35元/t計算，則年降低操作費用84.65×104元

4 結(jié)論及認識

1）在冷劑壓縮制冷系統(tǒng)中，降低壓縮機出口冷劑冷凝溫度既可以降低制冷壓縮機的能耗，又不會造成制冷溫度升高。

2）采用表面蒸發(fā)空冷替代了原水冷，能夠更好地利用大慶地區(qū)自然冷量，降低丙烷的冷凝溫度，進而降低丙烷壓縮機的能耗。

3）表面蒸發(fā)空冷系統(tǒng)可以替代原循環(huán)水冷卻系統(tǒng)，具有較好的節(jié)電、節(jié)水效果。應(yīng)用淺冷裝置丙烷制冷系統(tǒng)后，預(yù)計全年可節(jié)電76.67×104kW h，年降低循環(huán)水消耗120.45×104t，年降低操作費用84.65萬元。

4）該技術(shù)節(jié)能效果明顯，具有很好的推廣應(yīng)用前景。

[1]羅光熹,周安.天然氣加工過程原理與技術(shù)[M].哈爾濱:黑龍江科學(xué)技術(shù)出版社,1990:316-319.