制冷方法油气集输潘长满79课件

制冷方法油气集输主讲教师：潘长满一、蒸气压缩制冷二、膨胀机制冷目录三、制冷设备的近期发展四、冷箱第一部分蒸气压缩制冷（一）制冷原理（二）制冷剂性质（三）分级制冷（四）阶式制冷（五）混合冷剂制冷一、蒸气压缩制冷蒸气压缩制冷是天然气凝液回收中使天然气获得低温的一种常用制冷方法。利用冷剂在汽化过程中从天然气吸收汽化潜热，使天然气获得低温。（一）制冷原理如图所示，蒸气压缩制冷装置主要由四部分组成压缩机冷凝器膨胀阀蒸发器蒸气压缩制冷循环一、蒸气压缩制冷（一）制冷原理其制冷原理常用温熵图表示图6-4-C-3-1线表示制冷剂在T-s为临界点包络线内为气液两相区泡点线左方为过冷液体区露点线右方为过热蒸气区制冷剂蒸气在压缩机内被绝热压缩成过热蒸气，若按理想情况考虑，压缩过程在T-s图上可用等熵线1-2表示。蒸气压缩制冷循环一、蒸气压缩制冷（一）制冷原理制冷剂过热蒸气进入冷凝器，等压下冷凝成为饱和液体。制冷剂液体又经膨胀阀绝热节流，节流前后流体的焓值不变，液体的压力温度降低。因为节流是不可逆过程，在T-s图上用虚线4-5表示。如图上的2-3-4线，2-3和3-4分别为过热蒸气区和气液两相区的等压线。蒸气压缩制冷循环一、蒸气压缩制冷（一）制冷原理蒸发器实为换热器，冷剂走壳程，天然气走管程，冷剂在壳程内等压下蒸发成为饱和蒸气所需的汽化潜热由天然气提供。节流膨胀后，高湿度的低压低温冷剂进入蒸发器。冷剂在装置内不断得进行上述循环，使天然气获得低温。蒸气压缩制冷循环与理想的逆卡诺制冷循环较接近，制冷效率较高，在天然气凝液回收中获得广泛使用。蒸气压缩制冷循环一、蒸气压缩制冷（二）制冷剂性质（1）在制冷装置的工作温度范围内应有合适的饱和压力。蒸发压力应略高于大气压，以免空气进入系统。冷凝压力也不宜过高以降低压缩机能耗及管线、冷凝器的金属耗量和建设费用。制冷剂性质要求（2）在工作温度范围内，要求冷剂的汽化潜热大，以减少冷剂循环量和压缩机尺寸。（3）冷剂液体的比热小，使蒸发器内的汽化量增大，节流损失减小，提高制冷系数。（4）临界温度应远高于工作温度，使循环在原理临界点的两相区内进行，有效地利用冷剂的汽化潜热，提高经济性。一、蒸气压缩制冷（二）制冷剂性质制冷剂性质要求（5）沸点和冰点低，在要求制冷温度下易于蒸发，又不会凝固而阻塞管线和设备。蒸气的比容小、冷剂的传热性质好，减小设备尺寸。（6）化学性质稳定，在高温下不分解；腐蚀性小；安全无毒；价格低廉等。几乎没有一种制冷剂能全部满足上述要求，天然气工业中常用的制冷剂为氨，氟利昂和烃类。氨是一种较好的制冷剂。一、蒸气压缩制冷（三）分级制冷在天然气凝液回收中，除上述一级简单制冷外，还常用二级制冷、三级制冷甚至四级制冷。以下分析制冷级数与制冷效果间的关系。一级制冷1一级制冷的流程与图相似。但在压缩机进口设冷剂气罐。冷凝器出口设有储存液态冷剂的储罐。蒸气压缩制冷循环一、蒸气压缩制冷（三）分级制冷分级制冷2分级制冷可以是二级制冷、三级制冷或四级制冷。由二级压缩机出口压力为P1的冷剂气体，经冷凝器冷凝后流入冷剂罐。冷剂经节流、压力降为P2后，有两种方式进入分离器8。二级和经济循环流程一、蒸气压缩制冷（三）分级制冷分级制冷2一种是直接在8内进行气液闪蒸分离，蒸气进入二级压缩机入口，液体经节流、压力降为P3后进入低压蒸发器7为工艺流体制冷；另一种是在中压（P2）蒸发器内为工艺流体提供冷量后进入分离器8，液体冷剂的后续流程与前一种相同。二级和经济循环流程一、蒸气压缩制冷（三）分级制冷分级制冷2前一种流程仅靠低压蒸发器制冷，分离器8也称节能器，流程称经济流程。后一种流程为带中压蒸发器的二级压缩制冷流程，由两个压力和温度水平不同的蒸发器为天然气提供冷量。二级和经济循环流程一、蒸气压缩制冷（三）分级制冷三分级制冷三级压缩制冷系统，是二级制冷系统的基础上增加一台压缩机、分离器和/或蒸发器。分级制冷的级数愈多，制冷能耗愈低，但增加的设备费用愈高。再次强调，冷剂蒸发温度、冷凝温度和冷剂液体过冷度是影响制冷效果的关键因素。分级制冷也只使用一种冷剂，这使制冷温度受到冷剂蒸发温度制约，天然气不能得到各种冷凝温度和轻烃回收率的要求。为此，开发了阶式制冷使天然气能获得更低的温度和最大的轻烃回收率。一、蒸气压缩制冷（四）阶式制冷用不同常沸点冷剂逐级降低制冷温度的制冷循环称阶式制冷，或复叠式制冷。制冷剂丙烷经压缩机增压，在冷凝器内经水冷变成饱和液体，经节流后部分冷剂在蒸发器内蒸发（温度约-40℃）。把冷量传给经脱酸、脱水后的天然气，部分冷剂在乙烯冷凝器内蒸发，使增压后的乙烯过热蒸气冷凝为液体或过冷液体。两股丙烷释放冷量后汇合进丙烷压缩机，完成丙烷的一次制冷循环。阶式制冷一、蒸气压缩制冷（四）阶式制冷冷剂乙烯以与丙烷相同的方式工作，压缩机出口的乙烯过热蒸气由丙烷蒸发获取冷量而变为饱和或过冷液体。节流膨胀后在乙烯蒸发器内蒸发（温度约-100℃），使天然气进一步降温。最后一级的冷剂甲烷也以相同方式工作，使天然气温度降至接近-160℃，经节流进一步降温后进入分离器，分离出凝液和残余气。阶式制冷一、蒸气压缩制冷（四）阶式制冷在如此低的温度下，凝液的主要成分为甲烷，成为液化天然气。阶式制冷是在20世纪60-70年代用于生产液化天然气的主要工艺方法。若仅使用丙烷和乙烯（或乙烷）为冷剂构成阶式制冷系统，天然气温度可低达-100℃，也足以使大量乙烷及重于乙烷的组分凝析成为天然气凝液。阶式制冷一、蒸气压缩制冷（四）阶式制冷因而阶式制冷的能耗低、气体液化率高（可达90%），但所需的设备多、投资多、制冷剂用量多、流程复杂。阶式制冷循环的特点是蒸发温度较高的冷剂除将冷量传给工艺气外，还使冷量传给蒸发温度较低的冷剂，使其液化并过冷。不少近代大型液化天然气厂已采用混合冷剂制冷替代阶式制冷。一、蒸气压缩制冷（五）混合冷剂制冷利用常沸点不同的几种冷剂按比例混合构成混合冷剂，它有较宽的蒸发温度范围和连续的蒸发曲线。合理确定混合冷剂内各组分的比例，就可使蒸发曲线尽量和天然气温降曲线匹配，提高换热效率乙烯分级制冷和由甲烷、乙烯、丙烷组成的混合冷剂蒸发曲线的比较。混合冷剂制冷一、蒸气压缩制冷（五）混合冷剂制冷混合冷机制冷循环流程：混合冷剂蒸气经压缩、冷却、部分冷凝后，进入一级气液分离器。冷剂在器内闪蒸，冷剂中较重组分浓集于气相分出的以重组分为主的液体冷剂进换热器吸取冷量。过冷后，经节流膨胀成为第五湿蒸气，又返回换热器进一步蒸发放出冷量。一级分离器分出的气体在换热器内吸取冷量降温后，产生以中间组分为主的凝液，进入温度较低的二级分离器进行分离。冷剂内中间组分成为液体，轻组分为气体。混合冷剂制冷一、蒸气压缩制冷（五）混合冷剂制冷上述过程即混冷剂部分冷凝、过冷、节流膨胀和蒸发反复进行。冷剂内的轻组分愈来愈多，蒸发或制冷温度愈来愈低，使通过换热器的天然气温度逐步降低，析出的凝液量逐步增多。流出换热器（或冷箱）的天然气凝液和残余气混合物进凝液分离器分离，残余气进销售管线，凝液进分馏厂加工为各种液体产品。一、蒸气压缩制冷（五）混合冷剂制冷此外，较难确定混合冷剂组分的合理选择和配比。与阶式制冷循环相比，混合冷剂制冷系统的流程和设备较为简单，设备少，投资约减少15%~20%。由于混合冷剂内存在挥发性极强的组分，需很高压力才能凝析，故压缩能耗大20%左右。第二部分膨胀机制冷（一）透平膨胀机（二）热分离机二、膨胀机制冷蒸气压缩制冷属外部制冷，制冷剂与天然气有各自的系统，相互间只存在热量或冷量的交换。膨胀机在为天然气制冷的同时，对外界输出机械能或热能，根据输出能量形式的不同，膨胀机分为两大类即输出外功和输出外热型。而膨胀机与节流膨胀制冷都利用天然气本身具有的压能使天然气降温制冷。在天然气制冷中，常使用输出外功型的透平膨胀机和输出外热型的热分离机。其中透平膨胀机使用更为广泛。二、膨胀机制冷（一）透平膨胀机利用天然气能量推动膨胀机叶轮旋转，气体在降压、降温（制冷）的同时，在叶轮轴上输出外功，这种机械称透平膨胀机。在膨胀机轴的另一端装有吸收膨胀机输出轴功率的压缩机，称制动压缩机。用膨胀机输出的能量带动压缩机为天然气增压，膨胀机和压缩机构成机组。膨胀机压缩机两者间的轴承和基座膨胀机-压缩及典型结构二、膨胀机制冷（一）透平膨胀机（1）原料气和销售气之间存在较大的压差可供利用，尽量避免气体增压而增大压缩费用。（2）气体较贫，因膨胀机出口的允许凝液质量含量一般要求小于10%。（3）要求乙烷回收率超过30%以上。（4）要求占地少，平面布置紧凑。根据透平膨胀机的特点，它适用于以下条件：（5）水电等公用事业费用的价格较高。（6）要求操作弹性大，原料气压力和产品需求变化较大的场合。二、膨胀机制冷（一）透平膨胀机若符合上述两个以上条件，透平膨胀机往往是制冷设备的最优选择。20世纪60年代初开始在气体凝液回收中使用膨胀机。由于膨胀机流量大、体积小、结构和操作简单、操作弹性大、制冷效果好等优点。在气体轻烃回收中的使用日益广泛。二、膨胀机制冷（二）热分离机热分离机是输出热能的一种膨胀机简称热分离机。其工作原理是：利用气体的绝热膨胀，使气体制冷。其工作过程呈现周期性每个周期分三个阶段：进气阶段变压阶段和排气阶段。二、膨胀机制冷（二）热分离机热分离机是一种把压力能转变为热量和冷量的机器，其关键是形成间歇脉冲的高速气流热分离机结构型式转动喷嘴式处理压力较高、处理量较大的装置，变压管温升很高，可设余热回收器将这部分热量用于分子筛再生等。静止喷嘴式热分离机无任何运动部件，结构简单可靠，但喷嘴和变压管间形成的喷射气流，易受管腔膨胀波和压缩波的叠加干扰，能量损失较大，因而效率比转动喷嘴式膨胀机低。转动喷嘴式静止喷嘴式热分离机适用于气量小，集气较困难的场合。第三部分制冷设备的近期发展三、制冷设备的近期发展近年来，出现了两种有潜在市场的制冷设备，即气体超声调质器和旋风管。这两种设备能代替效率很低的J-T膨胀阀。与透平膨胀机相比，设备简单，价格低廉，没有运动部件属静态设备。第四部分冷箱四、冷箱在气体凝液回收厂常用深冷低温气体和常温原料气多级换热，使原料气温度降低。将多个换热器及其汇管、冷剂蒸发器、过冷器等集中于一个长方形或筒形外壳内，实现多股流体间换热和换冷的设备称冷箱。按结构，冷箱为一种板翘式换热器。板翘式换热器的基本结构，是由平隔板和翘片构成板束、组装而成。板翅式换热器四、冷箱在两块平行金属板间，放入波纹状翘片，两边以侧条密封，组成一个单元体。各单元体又以不同