童正明， 周 勃， 祝佳棟， 賀軍成， 包佳勇

（上海理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，上海 200093）

液化石油氣（LPG）船在運(yùn)輸液貨時，液貨罐內(nèi)外溫差很大，外部的熱量不可避免地傳入罐內(nèi)，導(dǎo)致液貨蒸發(fā).當(dāng)液貨罐內(nèi)壓力達(dá)到一定值時，再開啟液化系統(tǒng)，將高壓液貨蒸氣液化，使罐內(nèi)壓力降低.

國內(nèi)大多數(shù)海洋工程企業(yè)都是根據(jù)國外設(shè)計(jì)單位給定的設(shè)計(jì)壓力選取液貨罐，很少有資料分析這個設(shè)計(jì)壓力是如何選取的.本文通過對不同設(shè)計(jì)壓力的再液化系統(tǒng)進(jìn)行熱力計(jì)算，得出制冷系數(shù)、單級和雙級壓縮機(jī)功率并進(jìn)行分析，以為液貨罐設(shè)計(jì)壓力的選擇提供方法.

液化石油氣船的再液化系統(tǒng)多采用兩級壓縮制冷系統(tǒng)，其中壓縮機(jī)多采用單機(jī)雙級壓縮機(jī)，這種壓縮機(jī)的高、低壓級的排量比早已被生產(chǎn)廠家固定下來，分為1∶3和1∶2兩種.然而在實(shí)際使用中，實(shí)際排量比并不一定符合這兩種情況.若仍按照固定的排量比使用，會使壓縮機(jī)處于不合理的運(yùn)行工況，導(dǎo)致其效率降低，能耗上升.本文在不同設(shè)計(jì)壓力下計(jì)算得出高、低壓級的實(shí)際排量比，以此提出選取兩級壓縮系統(tǒng)的具體方法.

近年液化石油氣船逐漸發(fā)展為多用途液化氣運(yùn)輸船，可運(yùn)送多種液貨，像丙烷、丙烯、氨、丁烷等化工原料液化氣.由于這些液貨在常壓下的蒸發(fā)溫度差別較大，采用兩級壓縮制冷系統(tǒng)還是采用單級壓縮制冷系統(tǒng)的效果是不同的.本文通過對具體液貨在不同制冷量、不同設(shè)計(jì)壓力下的熱力計(jì)算，得出兩級和單級壓縮制冷系統(tǒng)的功率及差值，以此得出何時采用何種制冷系統(tǒng)最為合理，以及實(shí)現(xiàn)辦法.

1 再液化裝置選擇

半冷半壓式液化石油氣船的再液化裝置一般有三種類型［1－2］：單級壓縮制冷循環(huán)、兩級壓縮制冷循環(huán)和復(fù)疊式制冷循環(huán).一般液貨常壓下的蒸發(fā)溫度在－70 ℃以下時才選用復(fù)疊式制冷循環(huán)，根據(jù)所裝載液貨常壓下的蒸發(fā)溫度，本文選用可通過管路改變切換到單級壓縮制冷循環(huán)的兩級壓縮制冷循環(huán).

液貨蒸氣進(jìn)入低壓級壓縮機(jī)壓縮后，排出氣體經(jīng)中間冷卻器冷卻再進(jìn)入高壓級壓縮機(jī).兩級壓縮制冷循環(huán)中根據(jù)中間冷卻器［3］的不同，又分為中間完全冷卻和中間不完全冷卻.采用不完全冷卻的中間冷卻器結(jié)構(gòu)相對簡單，容積也可以小一些.由于船上的空間有限，所以采用中間不完全冷卻的兩級壓縮制冷循環(huán).

在進(jìn)入低壓級壓縮機(jī)之前，為了進(jìn)一步減少能耗、提高效率，也為了保證進(jìn)入壓縮機(jī)的蒸氣過熱，設(shè)置回?zé)崞鳎?］，即讓中間冷卻器中流出的液體與液貨罐內(nèi)抽出的蒸氣進(jìn)行熱交換.

在節(jié)流方式［5］上，選擇一級節(jié)流.相對二級節(jié)流，采用一級節(jié)流時液體可直接從冷凝壓力節(jié)流到蒸發(fā)壓力，故可以利用其壓力差實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離供液，而且便于調(diào)節(jié).

綜上所述，選用兩級壓縮一級節(jié)流中間不完全冷卻再液化系統(tǒng)，其原理如圖1所示.

圖1 兩級壓縮一級節(jié)流中間不完全冷卻再液化系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of reliquefaction system with two－stage compression，one－stage throttling incomplete intercooling

2 再液化裝置熱力循環(huán)

采用再液化系統(tǒng)制冷循環(huán)的理論循環(huán)進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算，對于工程實(shí)際應(yīng)用來說，理論循環(huán)已經(jīng)足夠精確［6］.

2.1 兩級壓縮制冷循環(huán)

兩級壓縮一級節(jié)流中間不完全冷卻制冷系統(tǒng)的理論制冷循環(huán)的p－h(huán) 圖如圖2 所示（見下頁）.其中，各點(diǎn)對應(yīng)的溫度為ti（i ＝1，2，…，10）；對應(yīng)的焓值為hi.

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定低壓級壓縮機(jī)入口溫度t1比液貨艙蒸發(fā)溫度t0高5 ℃，即t1－t0＝5 ℃.

低壓級壓縮機(jī)流量

式中，Q0為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)冷量.

在已知環(huán)境溫度（冷凝壓力pk）和蒸發(fā)壓力p0的情況下，要選擇最佳的中間壓力.采用的方法是通過有規(guī)律地選取多組中間壓力值，計(jì)算對應(yīng)的制冷系數(shù)，找到制冷系數(shù)最大時所對應(yīng)的中間壓力，即為最佳中間壓力pm.

根據(jù)中間冷卻器熱平衡關(guān)系，可得高壓級壓縮機(jī)流量

圖2 兩級壓縮一級節(jié)流中間不完全冷卻制冷循環(huán)p－h(huán) 圖Fig 2 p－h(huán) graph of refrigeration cycle with two－stage compression，one－stage throttling and incomplete intercooling

由中間冷卻器兩部分蒸氣混合過程的熱平衡關(guān)系，得點(diǎn)3焓值計(jì)算公式為

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定中間冷卻器出口溫度t6比最佳中間壓力對應(yīng)的溫度t10高5 ℃，即

回?zé)崞髦悬c(diǎn)6與節(jié)流閥入口點(diǎn)7的焓值差跟點(diǎn)0與點(diǎn)1的焓值差相同.根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定溫度t1比溫度t0高5 ℃，即

兩級壓縮一級節(jié)流中間不完全冷卻制冷循環(huán)的制冷系數(shù)為

2.2 單級壓縮制冷循環(huán)

單級壓縮一級節(jié)流制冷系統(tǒng)的理論制冷循環(huán)的p－h(huán) 圖如圖3所示.

回?zé)崞髦欣淠鞒隹陟手礹3與節(jié)流閥入口焓值h4的差跟壓縮機(jī)入口焓值h1與液貨艙蒸發(fā)溫度t0對應(yīng)的焓值的差相同.同理，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定溫度t1比溫度t0高5 ℃，即

單級壓縮一級節(jié)流制冷循環(huán)的制冷系數(shù)

圖3 單級壓縮一級節(jié)流制冷循環(huán)p－h(huán) 圖Fig 3 p－h(huán) graph of refrigeration cycle with one－stage compression and one－stage throttling

3 再液化裝置特性參數(shù)

為了說明兩級壓縮和單級壓縮理論循環(huán)的性能，采用一些特性參數(shù)，這些特性參數(shù)指標(biāo)［6－7］均可通過循環(huán)各點(diǎn)的狀態(tài)參數(shù)計(jì)算出來.

3.1 兩級壓縮制冷循環(huán)特性參數(shù)

高、低壓級排量比ε

式中，λl為低壓壓縮機(jī)輸氣系數(shù)，取λl＝0.753；λh為高壓壓縮機(jī)輸氣系數(shù)，取λh＝0.792；γ1，γ3分別為點(diǎn)1，3所對應(yīng)的比體積.

低壓級壓縮機(jī)的理論功率Pal

高壓級壓縮機(jī)的理論功率Pah

兩級壓縮高、低壓級壓縮機(jī)總功率

3.2 單級壓縮制冷循環(huán)特性參數(shù)

壓縮機(jī)功率

4 熱力計(jì)算數(shù)據(jù)

再液化裝置的液貨罐選擇4種設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行計(jì)算，分別為0.2，0.3，0.4，0.5MPa.選用4種液貨工質(zhì)丙烷、丙烯、氨、丁烷進(jìn)行熱力計(jì)算，其中丙烷、丙烯和氨常壓下蒸發(fā)溫度都在－30 ℃以下，用于計(jì)算分析兩級壓縮制冷循環(huán)；而丁烷常壓下蒸發(fā)溫度在0 ℃左右，用于計(jì)算分析單級壓縮制冷循環(huán).

再液化裝置熱力循環(huán)分析計(jì)算［6］中假定環(huán)境溫度不變，即冷凝溫度維持在45 ℃，可得出不同液貨對應(yīng)的冷凝壓力.

4種液貨工質(zhì)在不同設(shè)計(jì)壓力下各點(diǎn)的物性參數(shù)通過查閱物性參數(shù)表［8］得到，由此對p－h(huán) 圖上各點(diǎn)進(jìn)行熱力計(jì)算.

在計(jì)算再液化裝置壓縮機(jī)功率時，給定3個不同的制冷量，分別為18.46，80，160kJ／s.

4.1 兩級壓縮制冷循環(huán)熱力參數(shù)

丙烷、丙烯和氨在4種設(shè)計(jì)壓力下，通過熱力計(jì)算得到的p－h(huán) 圖上各點(diǎn)的熱力參數(shù)分別見表1—3.

表1 丙烷在不同壓力下p－h(huán) 圖各點(diǎn)的熱力參數(shù)Tab.1 Thermodynamic parameters of Propane at each point on p－h(huán) diagram under different pressures

表2 丙烯在不同壓力下p－h(huán) 圖各點(diǎn)的熱力參數(shù)Tab.2 Thermodynamic parameters of Propylene at each point on p－h(huán) diagram under different pressures

表3 氨在不同壓力下p－h(huán) 圖各點(diǎn)的熱力參數(shù)Tab.3 Thermodynamic parameters of Ammonia at each point on p－h(huán) diagram under different pressures

由于丁烷45 ℃時壓力為0.434 2MPa，故只選0.2MPa和0.3MPa的設(shè)計(jì)壓力進(jìn)行計(jì)算.丁烷在兩種設(shè)計(jì)壓力下，通過熱力計(jì)算得到的p－h(huán) 圖上各點(diǎn)的熱力參數(shù)見表4.

表4 丁烷在不同壓力下p－h(huán) 圖各點(diǎn)的熱力參數(shù)Tab.4 Thermodynamic parameters of Butane at each point on p－h(huán) diagram under different pressures

通過對4種液貨工質(zhì)在4種由小變大的設(shè)計(jì)壓力下的熱力計(jì)算，可以發(fā)現(xiàn)隨著設(shè)計(jì)壓力的升高，對應(yīng)的制冷系數(shù)越大，高壓級壓縮機(jī)的出口排氣溫度越低.

4.2 兩級壓縮制冷循環(huán)高、低壓級壓縮機(jī)排量比

4種工質(zhì)在不同設(shè)計(jì)壓力下計(jì)算求得的高、低壓級壓縮機(jī)排量比見表5.

表5 4種工質(zhì)在不同壓力下的排量比Tab.5 Displacement ratios of four kinds of working media under different pressures

四種液貨工質(zhì)在4種設(shè)計(jì)壓力下的計(jì)算結(jié)果可以看出，高、低壓級壓縮機(jī)排量比隨著設(shè)計(jì)壓力的變化而變化，且隨著設(shè)計(jì)壓力的升高，高壓級壓縮機(jī)排氣量所占比重增大.

4.3 兩級和單級壓縮制冷循環(huán)的壓縮機(jī)功率

4種工質(zhì)在不同壓力和制冷量下，其兩級和單級壓縮制冷循環(huán)的壓縮機(jī)功率及差值計(jì)算結(jié)果見表6和表7.可以發(fā)現(xiàn)，隨著設(shè)計(jì)壓力的升高，兩級壓縮機(jī)總功率和單級壓縮機(jī)功率都在減少.

當(dāng)再液化系統(tǒng)所需處理的制冷量較小時，4 種液貨工質(zhì)采用兩級壓縮系統(tǒng)的功率雖然低于采用單級壓縮，但相差不大，甚至有時（丁烷在制冷量為18.46kJ／s時）前者的功率大于后者.當(dāng)再液化系統(tǒng)所需處理的制冷量較大時，丙烷、丙烯和氨這3種工質(zhì)由于常壓下蒸發(fā)溫度較低，采用兩級壓縮時功耗要明顯小于采用單機(jī)壓縮.而丁烷這種工質(zhì)，由于常壓下蒸發(fā)溫度較高，采用單級壓縮系統(tǒng)的功耗仍與采用兩級壓縮系統(tǒng)相差不大.

表6 丙烷和丙烯在不同工況下的壓縮機(jī)功率Tab.6 Power consumptions of compressor with Propane and Propylene under different working conditions

表7 氨和丁烷在不同工況下的壓縮機(jī)功率Tab.7 Power consumptions of compressors with Ammonia and Butane under different working conditions

當(dāng)再液化系統(tǒng)所需的制冷量一定時，可以看出隨著設(shè)計(jì)壓力的增大，兩級壓縮系統(tǒng)和單級壓縮系統(tǒng)功耗的差值越來越小.

5 結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)壓力與制冷系數(shù)、高壓級出口溫度、壓縮機(jī)所用功率之間的關(guān)系，在選取液貨罐的時候，再液化系統(tǒng)開機(jī)時的壓力越高越好，即液貨罐設(shè)計(jì)壓力越高越好.但考慮到液貨罐是壓力容器，壓力越大壓力容器的制造成本也越高，所以要在考慮液貨罐制造成本的基礎(chǔ)上合理選取液貨罐設(shè)計(jì)壓力.

在實(shí)際的使用中，可以采用本文的計(jì)算方法，根據(jù)實(shí)際的設(shè)計(jì)壓力計(jì)算出對應(yīng)的高、低壓級壓縮機(jī)排量比.采用配組式的方法［9］，根據(jù)算出的排量比選配相應(yīng)壓縮機(jī)，以達(dá)到提高效率、降低能耗的目的.

根據(jù)所需制冷量、設(shè)計(jì)壓力與單級、兩級壓縮機(jī)功率質(zhì)檢之間的關(guān)系，可以得出小制冷量和高設(shè)計(jì)壓力的情況下，使用成本更低、更方便的單級壓縮制冷系統(tǒng)較為合適.當(dāng)大制冷量和低設(shè)計(jì)壓力時，對于像丙烷、丙烯和氨這類在常壓下蒸發(fā)溫度較低的工質(zhì)，采用兩級壓縮制冷系統(tǒng)的節(jié)能效果更加明顯.對于像丁烷（丁二烯、氯乙烯和丁烷）這類在常壓下蒸發(fā)溫度較高的工質(zhì)，仍然采用單級壓縮制冷系統(tǒng)更為合適.

根據(jù)所裝載的液貨種類、所需處理的制冷量、設(shè)計(jì)壓力的大小決定采用兩級還是單級壓縮制冷循環(huán)，且不用單獨(dú)設(shè)置單級壓縮機(jī)系統(tǒng)，可以通過管路的改變［10］實(shí)現(xiàn)兩級和單級壓縮之間的切換.這樣既節(jié)省了船舶空間、提高了使用效率，也降低了制造成本.

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