張 召 張梅梅 朱偉平 賈啟明 龔領(lǐng)會

(1 航天低溫推進劑技術(shù)國家重點實驗室,中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所 北京 100190)

(2 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

1 引 言

大型低溫制冷系統(tǒng)是能源利用和前沿科技研究等領(lǐng)域的關(guān)鍵支撐技術(shù)[1-2]。尤其是隨著高能物理研究的不斷發(fā)展,如粒子加速器[3-4]、大型粒子對撞機[5]和托克馬克[6-7]等大科學(xué)裝置的建設(shè),對大型低溫制冷系統(tǒng)的需求越來越多。通常大型低溫制冷系統(tǒng)只提供單一冷源,滿足對冷量的需求。

然而對于一些特定場合,如低溫精餾等,對大型低溫制冷系統(tǒng)提出了更為復(fù)雜的要求[8-9]。在低溫精餾系統(tǒng)當中,大型低溫制冷系統(tǒng)需要提供3 個方面的功能,一為精餾系統(tǒng)的冷凝器提供冷源;二為冷屏提供冷量,使整個精餾系統(tǒng)都處于低溫環(huán)境中,減少熱輻射對精餾系統(tǒng)的影響;三為精餾系統(tǒng)的再沸器提供加熱量,起到回收冷量的目的,提高低溫系統(tǒng)的能量效率。目前,對于多流程的大型低溫系統(tǒng),由于流程的復(fù)雜性以及研制和運行的成本問題,國內(nèi)外相關(guān)研究非常少。

大型低溫制冷系統(tǒng)的功耗往往是巨大的,這是因為,一方面大型低溫系統(tǒng)的制冷溫度極低,最小理論輸入功需要很大,另一方面應(yīng)用場合需要較大的制冷量。因此,對于一套長期穩(wěn)定運行的大型低溫制冷系統(tǒng),提高1%的能量效率對于減少能耗也有著非常顯著的好處。(即有用功)分析[10-11]是許多制冷系統(tǒng)進行能量分析的重要工具,在大型低溫制冷系統(tǒng),包括氦低溫制冷機、液化器和氣體分離系統(tǒng)中,基于分析的相關(guān)文獻非常多。對低溫系統(tǒng)進行分析對了解和改善系統(tǒng)性能有著非常重要的作用。Remeljej 對4種液化天然氣(LNG)系統(tǒng)進行了分析[12],比較出最小損的流程,并且提出了增加額外一級壓縮級來提高系統(tǒng)效率的方法。Ham 等利用分析的方法對兩種低溫空分系統(tǒng)進行了評估,得到了三塔式比雙塔式損減少12%,并且近一半的損來自壓縮機的冷卻器[13]。Thomas 等在氦液化器的設(shè)計中應(yīng)用分析的方法[14-15],利用Grassmann 圖清晰地展示出系統(tǒng)的流,并模擬了多個參數(shù)對效率的影響。

本研究針對一套現(xiàn)有的低溫精餾模擬平臺,利用Aspen Hysys 建立仿真平臺,并利用分析模型對仿真結(jié)果進行分析,為后續(xù)多流程大型低溫系統(tǒng)改善性能和優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

2 低溫精餾模擬平臺的工作原理

圖1 是低溫精餾模擬平臺的工作原理圖,整個系統(tǒng)可分為室溫部分、制冷機冷箱和實驗冷箱3 個部分,其中室溫部分包括壓縮機、兩臺室溫加熱器和室溫閥;制冷機冷箱包括兩臺預(yù)冷換熱器和透平膨脹機,為實驗冷箱提供冷量;實驗冷箱包括模擬冷凝器、再沸器、冷屏的負載以及預(yù)冷換熱器和兌溫換熱器,用于測試各股流體的性能。

低溫精餾模擬平臺在逆布雷頓循環(huán)制冷系統(tǒng)基礎(chǔ)上改造而來,相比逆布雷頓制冷系統(tǒng),有以下特點:

(1) 從一級換熱器和二級換熱器之間(圖1 中點2 處)引出一股近80 K 的高壓冷流至實驗冷箱,被進一步預(yù)冷之后,在點10 處分為兩股,一股為冷屏流(點22—25),經(jīng)模擬冷屏負載后出實驗冷箱;另一股為再沸器加熱流(點11—14);

圖1 系統(tǒng)的流程原理圖A.壓縮機;B.一級換熱器;C.二級換熱器;D.透平膨脹機;E.模擬冷凝器負載;F.模擬再沸器;G.預(yù)冷換熱器;H.模擬冷屏負載;I.兌溫加熱器;J 室溫加熱器1;K.室溫加熱器2。Fig.1 Schematic diagram of cryogenic distillation simulation platform

(2) 透平膨脹機后的冷流進入實驗冷箱后,首先進入模擬冷凝器,這一股冷流(點5—6)為冷凝器流。從點6 后引出一股低溫低壓的冷流,即再沸器冷源流(點17—21),作為模擬再沸器的冷源;

(3) 冷屏流為模擬冷屏負載提供冷量后出實驗冷箱,再沸器加熱流則用以回收再沸器冷源流的冷量,再匯入冷凝器流。

此低溫實驗平臺設(shè)計的好處是,利用制冷系統(tǒng)自身的冷流作為模擬再沸器的冷源,不需要額外的冷源;將冷屏流和再沸器冷源流引出實驗冷箱,并使用室溫加熱器進行復(fù)溫,可準確測量流路的質(zhì)量流量,用以計算再沸器加熱流回收的冷量;利用相應(yīng)的控制閥分別對各股流進行流量控制,便于系統(tǒng)的調(diào)控。

3 低溫精餾模擬平臺的分析模型

3.1 條件假設(shè)[15]

(1)假設(shè)整個系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài);

(2)壓縮機效率和透平膨脹機效率不隨溫度、壓力、質(zhì)量流量的變化而變化;

(3)換熱器的換熱系數(shù)不隨溫度、壓力、質(zhì)量流量的變化而變化;

(4)忽略各換熱器和低溫傳輸管線的漏熱。

將整個系統(tǒng)分為室溫部分、制冷機冷箱部分和實驗冷箱部分3 個控制體,將式和分別應(yīng)用于這3 個控制體組成的系統(tǒng),則有:

式中:下標com 為壓縮機,water 為水冷卻器,room_H1 為室溫換熱器1,room_H1 為室溫換熱器2,dest_room 為室溫部分產(chǎn)生的損失,1、8、19、23 分別表示流程中對應(yīng)各點。

式中:下標exp 為透平膨脹機,dest_cb 為制冷機冷箱的損失,LN2和GN2分別為液氮和氮氣,1、5、8、9、16 分別表示流程中對應(yīng)各點。

式中:下標H1 為模擬冷凝器,H2 為模擬冷屏,H3 為兌溫加熱器,dest_eb 為實驗冷箱的損失。

聯(lián)立式可得:

將式應(yīng)用于各部件,如壓縮機、透平膨脹機、換熱器中,可推導(dǎo)出各部件的效率,其中換熱器的損是因為低溫向高溫換熱導(dǎo)致的。其損為:

式中:下標C、H分別表示冷熱流體,Cin、Cout分別表示流入流出換熱器的冷流體,Hin、Hout分別表示流入流出換熱器的熱流體。

4 仿真結(jié)果分析

通過Aspen Hysys 仿真軟件搭建精餾模擬平臺仿真流程,并對兩種工況進行仿真計算,表1 列了兩種工況下,模擬冷凝器、模擬再沸器和模擬冷屏的負載。

表1 兩種工況下的負載Table 1 Loads under two working conditions

圖2 各控制體效率Fig.2 Exergy efficiency of each control body

圖3 主要部件的損占比圖Fig.3 Exergy loss percentage chart of main components

在兩種工況下,除調(diào)節(jié)閥外,壓縮機、透平膨脹機、一級換熱器和二級換熱器的損占比較大,而處于實驗冷箱的兩個較低溫的換熱器,損占比較小,因此對壓縮機、透平膨脹機和一級二級換熱器進行優(yōu)化設(shè)計,進一步各部件的效率,將有利于整個低溫系統(tǒng)的效率。

圖4 其它損占比圖Fig.4 Other exergy loss percentage chart

實際低溫精餾模擬平臺中,室溫加熱器1 和室溫加熱器2 使低溫氣體復(fù)溫至室溫,從而測量流路的流量,從分析的結(jié)果看,兩股流路不復(fù)溫,在低溫下測量將提高系統(tǒng)整體5.0%—5.6%的效率。

5 結(jié) 論

(3)對流程進行優(yōu)化設(shè)計,采用在低溫下測流量的方式,避免復(fù)溫產(chǎn)生的損可提高5% 以上的效率。