二元制冷压缩机讲义

二元制冷系统讲义

概述

二元制冷系统

二元制冷系统制冷剂中含有甲烷和乙烯混合物，该混合物允许一个单一制冷系统来实施乙烯和甲烷分离系统的工作要求，现有二元制冷系统不但可以满足2#乙烯装置制冷需求，还可以代替1#乙烯装置甲烷制冷系统。大大减少了设备投资费用，减少了装置能耗。同时，由于使用二元制冷系统后减少了装置设备数量，简化了装置工艺流程，从而降低了装置操作的复杂性。该系统具有开车的灵活性，不管老装置是否运行，该系统都能启动运行。

二元制冷系统工艺流程

二元制冷压缩机一级吸入罐FA1310来的冷剂气经一级压缩后，去EA1320冷却后进入二级压缩。出来的气体经EA1321冷却后，汇同三级吸入罐FA1311来的冷剂气进入三级压缩。压缩机出口的过热冷剂气体依次进入下列换热器，被冷却和冷凝：进EA1315X-A、EA1406、EA1315X-A、EA1315X-B、EA1313X被冷凝呈液态进入二元制冷剂贮罐FA1312。

FA1312的液态冷剂分为四路：第一路作为喷淋，分别去FA1310和FA1311；第二路进EA1453，节流膨胀并吸热后气相进入FA1311；第三路分为两股。一股由PV8302控制自身节流膨胀，经EA1313X吸收热量后气相进入FA1311。另一股由TC8302控制节流膨胀，分别经EA1314X、EA1313吸收热量后气相进入FA1311；第四路经过EA1311X和EA1312X回收冷量后分为二股。一股经EA1309X回收冷量后呈-135℃、4.4MPag的液相进入FA1314，在此罐内不能冷凝的氢气同液相冷剂分离并通过HCV8308排入下游。液态冷剂通过LV8307节流膨胀后呈现-148.7℃、0.1MPag的气、液混相经EA1309X吸收热量后，再经过EA1311X和EA1312X吸收热量的，气相进入FA1310。另一股经EA1310X回收冷量后呈现出-130℃、4.4MPag 的液相进入FA1313。在此罐内氢气同液态冷剂分离，并通过HCV8307排入下游。液态冷剂则通过LV8309节流膨胀后呈现出148℃、0.1MPag的气、液两相经EA1310X吸收热量后同前一股冷剂汇总进入EA1311X和EA1312X吸收热量后进入

FA1310。

图1.1 二元制冷系统工艺流程图

二元制冷系统介绍

2.1二元制冷系统与传统乙烯+甲烷制冷系统的比较

乙烯传统的制冷级别是：-62℃、-75℃、-101℃，而甲烷的制冷级别是-140℃。，二元制冷系统在固定压力下对一定的温度范围进行汽化，所以在一定压力下可为几种温度级别提供工作要求。这是与单一组分致冷系统的一大主要差别，单一组分致冷系统对每一温度级具有特定的压力。该系统可提供-65℃～-136℃、-47℃～-59℃两种温度范围的冷剂。

1#乙烯装置采用乙烯—丙烯复迭制冷系统，考虑到设备费用和操作复杂性，冷冻级位不可能无限增加。这里面有最佳选择的问题，一般采用有限级位供应相应冷量的用户。因此，对裂解气而言，冷却过程的物料冷流冷却曲线是连续而平滑的，冷剂供冷曲线则是非连续的。

下面两图表示了工艺气体冷却曲线与冷剂供冷的关系。

图2.1 乙烯冷剂与工艺流体曲线

图2.2 混合冷剂与工艺流体曲线

由图2.1可见，由于只以一定级位冷剂提供冷量，故平均传热温差较大，说明传热过程不可逆性较大（传热系统熵增较大），能量利用率不高。反之，减少平均温差，可以提高能量利用效率，从而降低装置能耗。

由图2.2可见，混合冷剂的蒸发曲线与工艺流体冷却曲线靠近，从而大大缩小了传热的平均温差，极大提高传热过程的热力学效率。

二元制冷系统仪表控制方面大量采用先进控制系统，比1#压缩装置操作简单，可靠性高。一般采用多回路控制，自动化、智能化程度高。

2.2二元制冷压缩机的控制

压缩机一段吸入罐FA1310中的压力按要求控制蒸汽透平GT1302的速度，以保持设定压力不变。压缩机的最小流量是由最小流量调节器FC8325和FC8326所提供的，从而在负荷降低的情况下维持分别从FA1310和FA1311到压缩机的最小流量，使压缩机不喘振。压缩机出口压力由PC8311来控制，它控制从FA1312到EA1313X的二元冷剂的流量。当吸热后的二元冷剂过热气的温度低于三级吸入罐

FA1311气相温度设定以及FA1312的液位低于设定值时，将会限制通过PV8311的二元冷剂流量。

EA1315X-B为压缩机的出口过热气提供-40℃的丙烯冷剂，在EA1315X-B会出现二元冷剂气的部分冷凝(约三分之一)。EA1315X-B的冷剂由丙烯致冷液罐

(E-FA-1362)中的液位调节器保持，为EA1315X-B提供热虹吸循环。

在二元致冷剂收集器FA1312中在-65℃时冷凝的双致冷剂为通过温度调节器TC8302将裂解气在EA1314X中冷却到-59℃，以及通过流量控制器在EA1453将DA1402的塔顶尾气冷却至-47℃。来自较高温度级（-40℃）的二元冷剂气通过二元制冷系统的三级吸入罐FA1311(在此，任何夹带的液体被分离)返回到压缩机。

较低温度级的制冷方法是将二元冷剂依次在EA1312X、EA1311X、EA1310X中从-65℃冷却到-135℃（在EA1312X出口另有小股冷剂在EA1309X内冷却到

-135℃），低温冷却后使二元冷剂的初始闪蒸温度下降，经过降压后为工艺流体提供低温冷量。在每个低温冷却通道的末端配置了反凝罐，将因氢反冷凝现象（在很冷温度下，二元冷剂的泡点较之正常烃类混合物增加；随着温度下降，其泡点也不断下降）而形成的氢气隔离，并通过手动阀（HV）将氢气排至调节阀的下游或按要求排向火炬。从2号反凝罐（FA1314），经过调节阀将二元冷剂闪蒸到

-148℃，给来自DA1301塔顶气相在EA-1309X内提供-135℃的冷量。从1号反凝罐（FA1313），经过调节阀将二元致冷剂闪蒸到-148℃，为下列3种情况提供冷量：（1）为老区脱甲烷塔的回流提供冷凝所需冷量 (-135℃)。

（2）将新区脱甲烷塔进料分离器的裂解气冷却到-135℃。

（3）为尾气交换器提供冷量，保证二元致冷系统的运行。

老脱甲烷塔的回流罐的液位控制着1号反凝罐的二元冷剂的流量。因此，当老区DA301回流由二元制冷提供冷量时，需密切监控老脱甲烷塔操作，防止新区DA1301回流所需的二元冷剂量的不足。

由于闪蒸后气、液两相二元冷剂的泡点逐步上升，在-135℃时只能局部被汽化。1、2号反凝罐出来的二元冷剂汇合后进入EA1311X，用于冷凝脱甲烷塔进料分离器中的裂解气。两相的二元冷剂E-EA-1312X中进一步汽化，为-FA1305的裂解气提供-98℃、为FA1304的裂解气提供-72℃的冷量。最后过热的冷剂气通过二元制冷系统的一级吸入罐FA1310(在此，任何夹带的液体被分离)返回到压缩机。