氨制冷设备的工艺选型

作者：严琦 陆申萍

来源：《中华建设科技》2012年第02期

        【摘 要】研究了氨制冷工艺在天然气集输过程中的模拟计算。通过对模拟计算过程的选择和阐述为氨制冷工艺选型提供一种计算思路。

        【关键词】制冷设备；低温分离；氨制冷  

        Ammonia refrigeration equipment, process selection

        Yan Qi,Lu Shen-ping 

        (Xinjiang Petroleum Survey and Design Institute Karamay Xinjiang 834000)

        【Abstract】Ammonia refrigeration technology in the process of gathering and transportation of natural gas in the simulation. Provide a calculation of thinking through the choice and elaboration of the simulation process for ammonia refrigeration technology selection.

        【Key words】Refrigeration equipment;Low temperature separation;Ammonia Refrigeration  

        1 氨的特性

        氨无色，具有强烈的刺激性气味。氨的相对分子质量为17.03，标准沸点 t s =-33.35℃，凝固温度t b =-77.7℃，临界温度t c =132.4℃，临界压力p c=11.52MPa，临界比体积v c =3.0 m 3/Kg，101.1KPa时饱和蒸气的绝热指数k=1.32，标准沸点时的气化潜热1370.8 kJ/Kg。

        氨能与水以任意比例互溶，吸水性很强。与水溶解所形成的氨水溶液，在-50℃以上水不会析出冻结。

        氨与脂类的溶解度很小。氨对锌、铜以及除磷青铜外的铜合金有强烈的腐蚀作用，对含水的有机材料有破坏作用，对石墨、石棉玻璃等非金属材料没有腐蚀性。

        氨蒸气的电击穿强度为31KV/cm，微量杂质（如灰尘、金属屑粉、微小的碳屑）的存在、含水，在真空条件下，均会使电击穿强度显著下降。

        氨可以用酚酞试纸或石蕊试纸来检漏，酚酞试纸遇氨变为玫瑰红色；石蕊试纸遇氨由红色变为蓝色。

        在空气中氨的容积浓度达到11%以上时可以点燃，容积浓度为16%～25% ，即质量密度11 g/m 3～192 g/m 3 时可爆，最大爆炸压力442KPa，达到最大压力的时间0.175s。如果系统中氨所分离的游离氢积累到一定密度，遇空气会引起强烈爆炸。

        2. 氨制冷工艺的原理（氨制冷工艺流程见图1）

        单级压缩机制冷循环流程图见图2。

        低压液氨在氨蒸发器内由于吸收被冷却物质的热量而等压蒸发为气氨，被压缩机吸入，经压缩至冷凝压力进入冷凝器内。高压过热的气氨在冷凝气内放出热量后等压冷却冷凝为液氨，然后液氨经调节阀节流减压至低压复送至氨蒸发器内。如此循环往复，达到制冷目的。

        过冷：在理论制冷循环中，饱和制冷剂在节流膨胀时会产生一定程度的闪蒸现象，使单位制冷量减少。为弥补这种损失，在实际循环中，进入节流阀前的制冷剂温度往往低于冷凝压力所对应的饱和温度，属于过冷液体。这样的循环称为过冷循环。过冷温度一般为3~5℃。

        过热：从蒸发器出来的低温蒸汽，进入压缩机之前在吸气管道中要吸收周围环境的热量热，压缩机吸气温度和比容都要大，这种情况叫蒸汽过热。过热温度一般为3~7℃。

        为使压缩机吸气系数不至于过低而过分降低压缩机制冷能力及使压缩机排出气氨温度低于150℃，通常规定单级压缩机的最大压缩比［压缩机排出压力（绝压）与吸入压力（绝压）的比值］为8。当超过8时应考虑采用双级压缩制冷循环。单级压缩制冷循环的最低蒸发温度与冷凝温度有关（见3图）。由图3看出，在冷凝温度为20℃时，蒸发温度可低至-30℃。单级循环制冷的流程和logP-i(压力对数值与焓)关系见图4。

        3. 氨制冷工艺的计算

        氨压缩制冷循环的制冷能力系取决于循环系统中主要设备氨压缩机的能力。

        氨压缩机制冷能力以压缩机活塞实际排量(m 3/h)与氨单位容积制冷能力(kcal/m 3)的乘积表示，即：

        q v——单位容积制冷能力（氨压缩机在吸入状态气氨焓值与调节阀前液氨焓值之差）kcal/m 3

        式中V 实 与一般活塞式压缩机相似，以压缩机理论排气量（V 理）与吸气系数（λ）乘积表示。即：

        V 实=V 理λ

        式中 V 理可由产品样本性能表查得；λ与压缩机大小、结构、压缩比因素有关，由制造厂实测求得； q v 与压缩机吸入口的温度、压力条件及调节阀前液氨压力和温度有关，其值（见图5）为：

        q v 值在制冷循环条件（指蒸发压力，压缩机吸入管路的压力损失和过热状态，氨冷凝压力和过冷状态）已定的情况下可借logP-i关系图由上式算出，但在计算氨压缩机制冷能力时涉及吸气系数值（λ），由于制造厂在产品说明书中不介绍压缩机的吸气系数值，故一般直接从制造厂提供的氨压缩机性能图（或表）查出在不同循环条件下压缩机实际制冷能力。

        氨压缩机铭牌字冷能力指以下操作条件（称标准工况）下的制冷能力，即：

        3.1 氨压缩机的实际操作条件，常遇到液氨过冷温度和气氨入压缩机过热温度非为性能图所规定的5℃，且氨压缩机入口管道常有压力损失，故压缩机制冷能力不能由性能曲线直接查出，可参照压——焓logP-i图及下述公式计算压缩机制冷能力。

        设1~2~3~4为氨压缩机性能图所规定的使用条件（过冷和过热均为5℃）见图5中虚线所示。1'～ 2'～3'～4'或 1'～ 2'～3"～4"为实际选用的操作条件（即吸入状态有过热和压力损失，液氨未经过冷或其他过冷温度），见图5中实线所示。求操作压力下氨压缩机制冷能力可用下式计算：

        Q=Q 机 i  1' - i  3' （或i  3" ）i 1-i 3 v 1v  1'  kcal/h* 

        式中：

        Q 机——氨压缩机的制冷能力，根据氨蒸发温度，冷凝温度由性能曲线图查出；

        i,v——图5中对应点处氨的焓值（kcal/Kg）和比容，m 3/Kg；

        i 1 ，i 3——较氨蒸发温度高5℃和较液氨冷凝温度低5℃的焓值（即压缩机性能图规定之参数条件）。

        3.2 当选用的氨压缩机查不到制造厂提供的特性曲线时，可借下试和图计算高速氨压缩机的产冷量和轴功率，误差不大。

        V 理 ——压缩机的理论排气量（由产品样本查得），m 3/h。

        Q  v0 ——压缩机单位理论排气量的产冷能力，（可由图6查得），kcal/m 3

        理论轴功率

        N 轴=N 理N  ve  KW 

        式中 N  ve ——压缩机的单位理论排气量所需功率（可由图6查得），kcal/m 3

        4. 小结

        氨制冷工艺计算思路（见图7）；

        氨制冷的计算其实主要就是选氨压缩机，选压缩机的制冷能力和轴功率。

        通过对氨制冷原理的阐述、工艺理论计算的推导和相应的实际计算，对氨制冷在天然气集输过程中的应用进行了较为系统的描述，从而为氨制冷工艺设计的选型提供了上述思路。

        参考文献 

        ［1］ 林存瑛，天然气矿场集输。北京：石油工业出版社，1997. 

        ［2］ 冯叔初，郭揆常，王学敏，油气集输，山东：石油工业出版社.1988. 

        ［3］ 杨川东，采气工程，北京；石油工业出版社，1997，2000. 

        ［4］ 林毅，制冷设备选用手册，中国石化出版社出版，1990. 

        ［5］ 吴业正，韩宝琦.制冷原理及设备［M］.西安：西安交通大学出版社，1997.