丙烷制冷工艺改造及效果分析

表 2 原料气在丙烷蒸发器部分的能量核算
图 1 制冷工艺流程图
组分
C1 C2 液 C3 气 C3 液 n-C4 气 n-C4 液 i-C4 气 i-C4 n-C5 i-C5 C6 N2 CO2
焓值 H1 （30℃)
182 84 19 95 17 105 84 158 105 159 78 75 54
2010 年 第 21 期
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丙烷制冷工艺改造及效果分析
杜进宏 （吐哈油田公司吐鲁番采油厂 新疆 吐鲁番 838202）
【摘 要】本文通过对丙烷浅冷轻烃回收系统物流能量交换的核算，对制冷系统所提供的理论冷量与装置实际所需冷量进行对比分析，查 找制冷系统存在的问题，通过工艺改造，使制冷压缩机输出功率有效提高，达到提高产量、节能降耗的目的。
m 摩尔=日处理量÷22.4÷24=65.1mol/h; m 质量= m 摩尔×平均分子量=65.1×30.77=2003.1kg/h； 纯组分质量流量= m 摩尔×组分（%）×纯组分的分子量 原料气在丙烷蒸发器的工艺参数为： 进蒸发器前温度 T1=30℃ 蒸发器冷凝后温度 T2=-20℃ 原料气压力 P=1.8MPa
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大进丙烷蒸发器丙烷的过冷度，是直接提高制冷效率的另一个重要因 素，故结合制冷压缩机实际运行情况对参数进行优化，充分挖掘现有 设备潜能，以达到上述目的。
系统提供的冷量满足生产需求。 而制冷压缩机的设计冷量 Q 理>Q 需 > Q 供见（图 3），制 冷 压 缩 机 的 有 效 输 出 效 率 仅 57.9%，制 冷 压 缩 机 运 行 效率相对较低，说明制冷系统目前的运行效率有提升空间。 在保证设 备的安全运行前提下，以不降低装置的生产能力为出发点来考虑解决 方案。
7.1
35℃
制冷量 冷凝温度 出口温度 出口压力 水冷却量 冷却水出口温度
144kW 40℃
≤75℃ 13.88Bar 3.03m3
40℃
2.4 装置现状分析 通过以上计算知道，在目前的运行状况下，制冷压缩机的实际输
出功率为： Q 供=83.5kW 而要达到分离要求装置所需理论冷量为： Q 需=140.6kW 制冷压缩机的设计理论提供冷量为： Q 机=144kW 制冷压缩机有效输出功率为： η 输=Q 供/Q 机×100%=83.51kW/144kW×100%=57.9% 可以看出：Q 需>Q 供（需求量远大于供给量 ），目前在该工况下制冷
由流程图可以分析出影响经济器投运的主要因素即： a．热力膨胀阀感温包内冷媒的种类及添加 量 ：由 于 热 力 膨 胀 阀 为 定型产品，所以对其选型、感温包大小及冷媒类型和数量将不作为研 究对象。 b．电磁阀的开启与关闭的设定值：由于电磁阀的开启 受 制 冷 压 缩 机载荷的控制， 出厂时电磁阀在制冷压缩机载荷≥90%时自动开启， 载 荷≤85%时 自 动 关 闭 ，即 设 定 值 在 负 荷 的 90%，该 值 降 低 会 直 接 导 致制冷压缩机运行效率降低，因此对该设定值不做调整。 c．制冷压缩机的实际载荷：制冷压缩机的 载 荷 高 低 直 接 影 响 经 济 器的投运，如何有效的提 高 制 冷 压 缩 机 在 90%以 上 ，经 济 器 将 自 动 投 运，目前该制冷压缩机的载荷大小依靠排出压力控制，因此为了将ห้องสมุดไป่ตู้ 冷压缩机的实际载荷有效提高，我们将经济器的投运转换为对控制压 力的研究。 3.1.3 控制压力 由于 FRICK 公司的 RWBⅡ-60-E 型螺杆压缩机能量控制为排压 自 动 控 制 ，出 厂 默 认 值 为 13.88Bar，既 排 压 低 于 13.88Bar 时 在 无 其 他 安全限制时制冷压缩机满负荷运行，载荷为 100%，排压超过 13.88Bar 时制冷压缩机将自动减载，直至制冷压缩机载荷减到 0%为止。 针对上述可调因素，制定方案的要点为： A：降低冷凝温度以增大单位质量制冷剂的制冷量。 B：调节制冷压缩机的控制排压，提高制冷压缩机载荷，增大单位 时间内制冷剂的循环量，即增大单位时间内的制冷量。 3.2 制冷系统改造 方案一：降低冷凝温度 结合雁木西装置的实际情况， 降低冷凝温度有以下两种方法：方 法一：加大风机的引风量降低循环水温度，冬季可行，但在夏季由于环 境温度较高，很难达到降低水温的目的。 方法二、直接更换一台大功率 的冷却水塔，并更换相应的冷却水循环泵，加大冷却水循环量，由于循 环水温度的下降，将使制冷剂温度相应降低，排压、排温亦随之下降， 因此我们采用更换一台较大功率的冷却水塔及循环水泵的方案。 3.2.1 冷却水塔的更换 1）冷却水塔热负荷的计算 蒸发器负荷的计算：由于制冷压缩机负荷增大，丙烷循环量加大 随之排温亦上升，为了保险起见 将 排 温 设 定 在 75℃，冷 却 温 度 设 定 为 30℃（考 虑 到 夏 季 环 境 温 度 较 高 ，冷 凝 温 度 可 设 计 在 30℃），则 将 制 冷 系统的丙烷由 75℃冷却到 30℃所需释放热量 QL: QL=ΔH×Ms 查得焓：75℃的 R290 焓值 H=108.1×4.18=458.17kJ/kg 30℃的焓值 H=97.0×4.18=411.73kJ/kg QL=(458.17-411.73)×0.9=41.8kW 2）冷却水量确定： 为了消除其他因素的影响， 设计时将换热器的负荷增加 20%，即 QL=50kW；冷却水进出口温差按照最初设计温差计算即 ΔH=5.0℃，则 冷却水循环量为： W 水=QL/ΔH=50/5.0=10m3 考虑到其它用水点，故循环水泵流量确定为 50m3/h 3）冷却水塔选型 经过最后优选决定采用低燥声逆流冷却塔， 冷却温度为 27℃、冷 却温差 Δt 为 8℃、 冷却水量为 50m3/h 的 定 型 产 品 DBNL3-80 型 冷 却 水塔并选择相对应的循环水泵。 3.2.2 制冷压缩机控制排压的优化 方案二：调节制冷压缩机的控制排压 由于调节制冷压缩机的控制排压一方面可以提高制冷压缩机载 荷，增大单位时间内制冷剂的循环量，另一方面可以使经济器投运，增
焓值 H2 （-20℃)
174 69 0 60 0 56 53 140 98 138 48 68 47
组成 mol% 43.8 18.54 13.25 5.33 6.40 0.26 4.01 1.06
1.5 0.97 0.00 4.3 0.55
分子量
质量流率 所需冷量
kg/h
kW
16
456.22 15.255
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机，采用带经济器的节能系统。 制冷压缩机的设计工艺参数见（表 3）。 表 3 设计工艺参数表
制冷剂 蒸发温度 进口温度 进口压力 压缩比 冷却水进口温度
R290 -25℃ -19.5℃ 1.95Bar
表 1 关键部分工艺参数设计值和实际对比值
经查各组分在状态 1（进蒸发器前）、状态 2（出蒸发器后）下的焓 值 H 为(见 表 2)，原 料 气 各 组 分 在 丙 烷 蒸 发 器 所 能 达 到 分 离 要 求 所 必 须的理论冷量为：
纯 组 分 所 需 冷 量 = （H1-H2 ）× 纯 组 分 质 量 流 量 ×4.18 根据计算结果（见表 2），原料气达到分离要求所需的理论冷量： Q 需=140.613kW 2.2 分析改造前制冷系统所提供的冷量核算 依据制冷工艺流程图（图 1）与运行工艺参数，对目前制冷压缩机 所提供的冷量进行核算
图 3 冷量对比图
3 制冷系统改造工艺方案设计
3.1 工艺参数对制冷效果的影响 制冷系统的冷凝温度、经济器的投运、控制压力、蒸发温度、过冷
度等几个参数对制冷效果都有一定的影响，其中冷凝温度、经济器的 投运、控制压力对制冷效果的影响最大。 3.1.1 冷凝温度假设
冷凝温度是直接关系制冷系统的制冷效果、安全可靠性和能耗水 平的重要参数。 由于冷凝温度 TK 与冷凝压力 PK 相对应，TK 升高 PK 也升高，直接导致输气系数降低，功耗增大，制冷系数下降。 通过计算 可知丙烷在不同温度下的冷凝器负荷和压缩消耗功的变化表 4：
本 装 置 制 冷 压 缩 机 为 FRICK 公 司 的 RWBⅡ-60-E 型 螺 杆 压 缩 机，采用带经济器节能的制冷系统，经济器的投运值出厂设定为制冷 压缩机载荷≥90%时经济器自动投用， 载荷 小 于 85%自 动 停 运 。 结 合经济器流程图分析影响投运因素。 图 4 为直接膨胀式经济器系统流 程图。
可 见 随 着 冷 凝 温 度 从 25℃ 上 升 到 45℃ ， 单 位 制 冷 量 逐 渐 减 少 31.7%， 单 位 压 缩 功 增 加 37.5%， 经 计 算 冷 凝 热 负 荷 也 相 应 的 增 加 13.2%。 可 见 利 用 较 低 的 冷 凝 温 度 对 制 冷 效 果 较 为 有 利 。 即 降 低 冷 凝 温 度可以提高制冷量。 3.1.2 经济器的投运
要达到设计要求，保证产品的质量与产量，需要更换大功率的制 冷压缩机或者对装置系统进行优化改造，提高现有制冷压缩机的有效 输出功率。
2 冷量核算及现状分析
2.1 改造前装置所需冷量核算 按照生产工艺参数所需冷量即为装置所需理论冷量，目前原料气
组分（见表 2），平均分子量为 30.77，日处理原料气的 摩 尔 流 量 和 质 量 流量分别为：
30
362.08 22.702
44
379.533 29.709
44
152.67 22.335
58
241.651 17.171
58
9.81
2.011
58
151.409 19.619
58
40.023 3.011
72
70.308 2.057
72
45.465 3.990
96
0
0
28
78.38 2.293
44
表 4 不同冷凝温度下冷凝负荷和压缩功的变化
温度（℃） 单 位 制 冷 量 （kJ/kg） 压 缩 消 耗 功 （kW）
25 171.38 58..96
30 158.84 63..5
35 146.3 68.4
40 129.58 75.8
45 117.04 81.12
图 4 直接膨胀式经济器系统流程图
【关键词】浅冷；冷量；收率；制冷压缩机
1 装置现状及存在的问题
雁木西轻烃投产于 2001 年 7 月，地处年气温变化较大，空气湿度 较低的吐鲁番地区。 装置设计天然气处理量为 2.5±20%万方即 2～3 万 方，随着油田产量的增加，进装置的实际天然气为 3.6 万方/天，导致装 置一直处于高负荷运行状态。 原料气组分较设计时有所变化，增加了 后续设备的负荷；随着各换热设备运行时间增长，传导系数下降，换热 效果变差，导致关键部分的工艺参数发生一系列变化（表 1），影响了 产品的质量和产量。
15.754 0.46
图 2 40℃时的制冷压缩机实际工况图
而冷凝温度在 40℃时的实际工况如下图 2 状态 3 到状态 5 为等焓过程，因此，H3=H5 状态 3 的温度为 40℃，压力为 14Bar 的饱和液体； 状态 1 的温度为-17℃，压力为 2.45Bar 的饱和气体； 状态 2 的温度为 65℃，压力为 14Bar 过热气体系统提供 Q 供=（H1-H5）×M Q 供= (H1-H3) ×M 查得焓 H3=669.6kJ/kg; H1=109×4.18=455.62kJ/kg; H2=Kj/Kg146×4.18=610.28 Q 供=(610.28－455.6) ×0.9×0.6 Q 供=83.51kW 2.3 制冷压缩机设计冷量提供 本 装 置 制 冷 压 缩 机 为 FRICK 公 司 的 RWBⅡ-60-E 型 螺 杆 压 缩
项目
原料气出冷 箱温度
蒸发器 冷凝温度
节流后 温度
原料气处 理量
产量
设计值
30℃
-20℃
-28.6℃ 2.5×104
13t
实际值
40℃
-13℃
-23.6℃ 3.5×104
12.4t
由于上述原因，致使制冷系统负荷增加，制冷压缩机不能满负荷 运行，效率降低、单位制冷量下降。 C3 回收率降低，产量下降。