王華琛

（河南綠能控股集團(tuán)有限公司，河南濮陽 457001）

天然氣水合物中試裝置是我公司和石油大學(xué)（北京）合作而建的，建在公司LNG工廠內(nèi)，目的是模擬瓦斯氣成分，利用水合物技術(shù)回收瓦斯氣中的甲烷，并研究水合物生成條件、生長(zhǎng)的規(guī)律，驗(yàn)證中試動(dòng)態(tài)試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)實(shí)驗(yàn)的不同，裝置處理量400Nm3/h，本裝置制冷系統(tǒng)所用制冷劑為液氨。氨制冷一般用于冷凍加工及食品的冷藏、冷凍保鮮，靠節(jié)流閥節(jié)流提供冷量，對(duì)液氨的具體溫度控制較少；還有就是氨壓縮機(jī)出口熱源沒有利用，直接被循環(huán)冷卻水帶走浪費(fèi)掉了。

圖1 天然氣水合物中試試驗(yàn)基地（The testing site of NGH）

本裝置選擇液氨做水合物生成的制冷劑，一是價(jià)格便宜、易于獲得，是一種天然的制冷劑；二是本實(shí)驗(yàn)水合物生成的工作液溫度控制范圍要求在0℃以上[1，2]，制冷溫度不需太低，而液氨能很好的滿足溫度控制要求 （液氨沸點(diǎn)-33.4℃，三相點(diǎn)-77.7℃）[3]，況且液氨等溫汽化潛熱大，易于液化，制冷效果好；三是液氨飽和狀態(tài)下溫度和壓力有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系*，可以對(duì)照水合物生成溫度壓力變化曲線，相應(yīng)的調(diào)節(jié)液氨溫度，來滿足水合物生成需要；四是本裝置屬于開放式空間 （如圖1），氨氣擴(kuò)散能力又較強(qiáng)，它難以聚集到爆炸極限的濃度，屬于最低爆炸危險(xiǎn)等級(jí)[4]，所以氨泄漏不會(huì)對(duì)周圍環(huán)境影響太大[5]，可以將氨制冷系統(tǒng)作為非爆炸危險(xiǎn)區(qū)看待[6]。盡管氨制冷系統(tǒng)一般應(yīng)用于冷庫(kù)冷藏，化工方面應(yīng)用較少，但是對(duì)于本裝置通過我們優(yōu)化工藝應(yīng)用起來還是很方便的。

1 選擇氨制冷系統(tǒng)作為水合物生成所需冷源要解決的問題

由于水合物生成反應(yīng)有自身的性質(zhì)和特點(diǎn)，要求低溫高壓[7]，而根據(jù)實(shí)驗(yàn)室水合物反應(yīng)條件，要求壓力盡量低，溫度盡量高，并且儲(chǔ)氣量盡量高[8]，我們要摸索在此試驗(yàn)條件下水合物反應(yīng)生成的參數(shù)及氨制冷系統(tǒng)相應(yīng)參數(shù)，所以在設(shè)計(jì)及試驗(yàn)過程中要解決的問題，一個(gè)是在壓力盡量低的情況下，水合物生成反應(yīng)所需的溫度范圍為4.0～12.0℃，而水合物工作液平衡溫度為4.4℃[2]，低于4.0℃時(shí)工作液冷卻蒸發(fā)器盤管可能要結(jié)冰堵塞，而高于12.0℃時(shí)水合物就不易生成，盡管液氨溫度控制可以用溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)，但是由于溫度控制范圍太小且溫度改變嚴(yán)重滯后，影響了試驗(yàn)和讀數(shù)，所以要控制工作液溫度范圍，就是要控制好提供冷源的液氨溫度范圍，也即控制好制冷系統(tǒng)氨液分離器的壓力，查氨工質(zhì)飽和狀態(tài)下熱力學(xué)性質(zhì)表*，可知所對(duì)應(yīng)氨液分離器壓力為 0.49～0.66MPa（絕壓），控制壓力比控制溫度見效快；再一個(gè)問題就是為了求得生成水合物以后的儲(chǔ)氣量及水合物化解氣再利用，需把生成的水合物再加熱化解，這樣壓縮機(jī)出口熱源就可以利用，很顯然這是一個(gè)氨制冷的熱聯(lián)合工藝應(yīng)用?？傊覀兊陌敝评湎到y(tǒng)設(shè)計(jì)既要保證水合物的生成溫度范圍又不致使工作液冷卻蒸發(fā)器盤管凍堵，還要保證生成水合物以后的熱源供應(yīng)。

2 設(shè)計(jì)方案

我們?cè)诰唧w設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)常見氨制冷系統(tǒng)工藝流程做了一定的改動(dòng)，一是在氨液分離器氣相出口增加一控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)氨液分離器壓力，只要保證壓縮機(jī)不被抽空，保證壓縮比，出口溫度不超高即可，因?yàn)槲覀兝冒敝评湎到y(tǒng)不是做冷庫(kù)冷源，而是作為冷換設(shè)備的熱交換冷源，而該受冷設(shè)備既不能被凍堵，又能保證冷量即工作液溫度在4.0～12.0℃之間，控制范圍很小，要求是很苛刻的；二是增加了壓縮機(jī)熱源利用，高溫高壓氣相從壓縮機(jī)出來首先進(jìn)油氣分離器分離油氣組分，然后一路去氨冷凝器降溫冷凝，另一路為生成的水合物提供熱源后被降溫冷凝，二路匯合進(jìn)入氨儲(chǔ)液器，這樣充分利用壓縮機(jī)出口熱源，為已生成水合物化解提供熱源。

一般氨制冷系統(tǒng)流程，從氨壓縮機(jī)出來高溫高壓氣相先經(jīng)過油氣分離器分離油氣組分，然后到氨冷凝器被冷卻水降溫放熱冷凝為高壓氨液進(jìn)入氨儲(chǔ)液器，再通過節(jié)流閥節(jié)流降溫為低溫低壓氨進(jìn)入氨液分離器，氣相部分進(jìn)入氨壓縮機(jī)入口打循環(huán)，液相部分則為所需冷量的介質(zhì)提供冷量，進(jìn)入冷卻蒸發(fā)器蒸發(fā)，蒸發(fā)后氣相返回氨液分離器，如此循環(huán)。如圖2。

氨制冷系統(tǒng)主要是靠節(jié)流閥的節(jié)流降溫來提供所需冷量，但不能控制具體壓力值，盡管液氨在進(jìn)入冷卻蒸發(fā)器前有一溫度控制閥，通過控制液氨流量來控制需要冷量的工作液溫度，但是由于控制溫度范圍較小且控制溫度下限較高，為4.0～12.0℃，溫度改變滯后，所以在氨液分離器氣相出口再加一壓力調(diào)節(jié)閥用于控制氨液分離器的壓力，也即控制液氨溫度，二者雙管齊下共同來控制需要冷量的工作液溫度。

在水合物中試裝置中，我們充分利用壓縮機(jī)出口熱量，來給生成的水合物加熱以分解所生成水合物；在氨液分離器氣相出口，我們添加了氨液分離器壓力控制系統(tǒng)，以控制所需冷量 （見圖2淡線區(qū)域）。

圖2 制冷系統(tǒng)工藝流程

3 應(yīng)用效果

經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，增加的特殊應(yīng)用效果良好，達(dá)到了目的：

（1）充分利用現(xiàn)有熱源給生成水合物加熱，不需再上一套加熱系統(tǒng)，既降低了能耗又減少了設(shè)備投資。

根據(jù)反應(yīng)生成的水合物流量40m3/h，壓力0.6MPa，溫度 7.0℃，水合物受熱化解所需溫度12.0℃，壓力0.05MPa，水合物化解吸收熱量，放出甲烷氣體，由此可以計(jì)算出能耗，大概節(jié)能9.0×105kJ/h。

根據(jù)水合物加熱器所需熱負(fù)荷，氨冷凝器減少了9.0×105kJ/h的熱源負(fù)荷，所以可以設(shè)計(jì)較小一點(diǎn)換熱面積的氨冷凝器，根據(jù)能耗可以計(jì)算出減少的設(shè)備投資，大概節(jié)省20000元，并且省略了很大一筆的涼水塔的費(fèi)用，即使在很熱的7月份仍然沒有影響換熱效果[9]。

（2）增加熱源利用，在停工時(shí)，盡量多的走水合物加熱器，少走冷凝器，這樣做可以充分回收系統(tǒng)中氨組分到氨儲(chǔ)罐，回收比較徹底。

（3）由于氨制冷裝置系統(tǒng)中冷卻蒸發(fā)器盤管中的工作液含有水合物生成促進(jìn)劑成分，結(jié)晶點(diǎn)較高，所以制冷溫度不能低于4℃，如果再低就可能導(dǎo)致?lián)Q熱器管束堵塞，甚至結(jié)冰脹裂管束，所以氨液分離器的壓力要控制穩(wěn)定，根據(jù)水合物反應(yīng)生成條件的改變，制冷溫度也要適時(shí)的改變，這就要求我們控制氨液分離器壓力不能低于0.49MPa（絕壓）。因?yàn)橐话惆敝评湎到y(tǒng)沒有設(shè)計(jì)氨液分離器的壓力控制系統(tǒng)，在具體運(yùn)用時(shí)我們?cè)黾右豢刂崎y門，從而控制冷源溫度，根據(jù)不同的水合物生成溫度要求，氨液分離器的壓力也作相應(yīng)改變，通過控制氨液分離器的壓力以滿足工作液所需冷源的需要。

4 注意的問題

（1）注意控制氨冷凝器和水合物加熱器的熱源比例分配，控制好溫度控制閥，既要滿足水合物加熱分解需要，又要避免熱氨冷凝不徹底。

（2）注意氨壓機(jī)不能抽空，壓縮比不能過大，出口溫度不能過高，避免損壞壓縮機(jī)造成停機(jī)。

5 結(jié)論

在水合物中試裝置中，氨液分離器的壓力控制和氨壓機(jī)熱源具體應(yīng)用起來非常簡(jiǎn)便、實(shí)用，效果良好。當(dāng)然，氨分壓力控制和氨壓機(jī)熱源利用也可以推廣應(yīng)用到其它化工制冷行業(yè)，特別是熱冷聯(lián)合工藝的應(yīng)用。

[1] 趙建忠等.THF溶液水合物技術(shù)提純含氧煤層氣實(shí)驗(yàn)[J].煤炭學(xué)報(bào)，2008，33（12）：1420-1423

[2] 馬應(yīng)海等.四氫呋喃水合物零度以上生成動(dòng)力學(xué)研究[J].天然氣地球科學(xué)，2006，17（2）：244-248

[3] 楊一凡.氨制冷技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)[J].制冷學(xué)報(bào)，2007（08）：12-19

[4] GB50016-2006建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S]

[5] GB536-88《液氨》 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) [S]

[6] 彥啟森，石文星，田長(zhǎng)青.空氣調(diào)節(jié)用制冷技術(shù) （第三版）[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004

[7] 陳光進(jìn)等.氣體水合物科學(xué)與技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：31-32，137-140

[8] 樊栓獅.天然氣水合物儲(chǔ)存與運(yùn)輸技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006：116

[9] GB50072-2010冷庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]