丙烷制冷原理及其天然气处理行业中的应用

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摘 要：阐述丙烷制冷装置的工艺流程及其工作原理，并举例说明其在中原油田天然气处理厂装置中的实际应用状况。

关键词：丙烷制冷 压缩 处理

1、前言

中原油田天然气处理厂第三气体处理厂日处理伴生气80-120万方，主要工艺流程为低压原料气经加压后除去水分和其它杂质，进入蒸馏塔进行蒸馏，产出相应的产品主要为气态甲烷、液态乙烷、液态丙烷、液态丁烷等。众所周知天然气组分中C3以上组分含量越大，产量产出越多，收益也就越大，因此最大化的将C3以上组分液化后进行蒸馏是最关键的。我厂利用膨胀制冷和丙烷辅助制冷系统来 实现这一目的，有效的回收了外输甲烷中的C3及以上重组分。

2、丙烷制冷原理及制冷系数的计算

丙烷制冷在天然气处理行业中应用的比较广泛，下面分别用温熵关系和压焓关系分析器制冷过程和原理。丙烷制冷原理涉及到了热力学第一定律和热力学第二定律，以下是应用理论来分析和计算其循环制冷过程。

首先介绍下丙烷制冷系统的相关流程及介质的变化过程：

丙烷制冷循环系统主要由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发器组成，用不用直径的管线把它们按一定的线路连接起来，就形成了一个能使制冷剂循环流动的密闭系统。丙烷制冷压缩机由电动机拖动工作，不断的抽吸蒸发器中的制冷剂蒸汽，压缩成高压过热蒸汽而排出并送入冷凝器，正是由于这一高压存在，使制冷剂蒸汽在冷凝器中放出热量，把热量传递给周围的介质，从而使制冷剂蒸汽冷凝为液体，当然制冷剂蒸汽冷凝时的温度一定要高于周围介质的温度。冷凝后的液体仍处于高压状态，经节流阀进入蒸发器。制冷剂在节流阀中，由高压降低为低压，从高温降至低温，并出现少量液体气化为蒸汽。

在此过程中：丙烷制冷压缩机从蒸发器吸收蒸发压力为P1的饱和蒸汽，将其等熵压缩至冷凝压力为P2的饱和蒸汽，压缩过程即完成；丙烷压缩机压缩完的高温高压丙烷蒸汽进入冷凝器，经冷凝器与介质进行热交换，放出热量后，等压冷却至饱和液体，冷凝过程即完成，在冷却的过程中存在温差的出现；饱和液态丙烷经节流阀节流降压（此节流过程中焓值保持不变），压力降至蒸发压力，膨胀过程即完成；节流后的制冷剂丙烷蒸汽进入蒸发器，在蒸发器内吸收被冷却介质的热量等压气化，成为饱和蒸汽，蒸发过程即完成。制冷剂的蒸发温度与被冷却的介质之间无温差。

丙烷制冷循环的制冷系数计算如下：

丙烷制冷过程由两个等温过程和两个绝热过程组成。假设低温热源（冷却介质）的温度为T1，高温热源（环境）的温度为T2，则工质的温度在吸热过程中为T1，在放热的过程中为T2，就是说在吸热和放热的过程中工质与冷源及高温热源之间没有温度差，也就是说传热是在等温下进行的，压缩和膨胀的过程是在没有任何损失情况下进行的。其循环过程为：

工质在T1下从冷源吸收热量Q1，并进行等温膨胀4―1，然后通过绝热压缩1―2，使其温度由T1升高至环境介质的温度T2，再在T2下进行等温压缩2―3，并向环境介质释放出热量Q2，最后进行绝热膨胀3―4，使其温度由T2降至T1即使工质回到初始状态4，这样就完成了一个循环过程。

因此丙烷循环制冷系数为 = Q/W = T1/（T2―T1）

由上式理想状态下可知，丙烷循环制冷系数与工质的性质无关，只取决于温度T1和温度T2；降低T2，提高T1均可提高制冷系数。

在给定冷源和热源温度范围的工况下，上述理想状态下的制冷系数最高，实际丙烷循环制冷过程中的制冷系数都小于理想状态下的制冷系数。

3、应用

中原油田天然气处理厂在天然气深冷处理装置中，原料气比较富，回收的轻烃必然要多一些。而设计条件又规定贫气出装置界区时压力比较高，因而仅用膨胀制冷提供的冷量是远远不够的，必然需要辅助制冷。在设计时，采用了丙烷辅助制冷，为节能降耗，设计了一个丙烷三级压缩制冷流程，主要设备是一台电机驱动的丙烷压缩机，是我厂核心三大机组设备之一，该机组由意大利新比隆公司生产。丙烷压缩机组由驱动电机、增速齿轮箱和离心压缩机三部分通过齿式联轴器连接而成，机组安装在同一公共底座上，齿轮箱、压缩机的油由主辅油泵供给。机组装有在线监控系统，通过远程监控进行调整参数川。丙烷压缩机采用分段压缩，分段制冷，提供不同的制冷温度，它的主要作用是为各个工艺部位提供所需辅助冷量。它工作的好坏和开停机时间的长短直接影响我厂的收率和产量。

正常操作时，气相丙烷经三级压缩后，再经过出口空冷器冷却，变成液相丙烷，而后进入丙烷储罐中，再将积存在该罐中的液相丙烷分别送到三个压缩机入口分离器中，通过分离器将液相丙烷分别送到各个单元需要制冷的工艺气主冷箱，脱乙烷塔顶冷凝器和工艺气冷凝器中提供辅助冷量，丙烷制冷后又汽化成气相，回到压缩机入口循环压缩。丙烷压缩机分为三级，该机二、三级入口气体除有前一级压缩过来的丙烷气体外，还有与本级进口压力相当的循环丙烷气体。为了防止压缩机“喘振”，从该压缩机最后一级出口的气体可由防喘控制器调节，必要时可直接返回到各级入口分离器进行防喘调节。为了避免丙烷气体中含有过量的轻组分不凝气，影响丙烷制冷效果，在丙烷储罐上部装有一个小分馏器，将分馏出来的部分可能含有的轻组分或不凝气送到气相烃中。如果在液相丙烷中混有从压缩机中窜入的比丙烷更重的组分或少量油，则可将丙烷分批送到重烃收集罐 中进行闪蒸，经过闪蒸，气相丙烷仍回收到系统中循环使用，在重烃收集罐中留下的残液最后被送到排放系统中。

4、结语

通过对丙烷制冷系统的有效投用并配合膨胀机的使用，实际运行中最大限度的降低了天然气温度至-32℃，有效的控制了甲烷塔顶采出温度，回收了C3及以上重组分，为下游产品乙烷、丙烷、丁烷、轻油等产品的稳产高产提供了极其有利的条件。

参考文献

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