氨制冷系統冷凝器選擇

張宇

摘? ? ? 要：常用的冷凝器類型有空氣冷卻式冷凝器、水冷式冷凝器、蒸發式冷凝器3種。首先介紹了氨制冷系統的原理及組成，然后分別介紹了3種型式的冷凝器的特點及應用條件，之后計算和分析了這3種冷凝器的能耗、占地面積和投資，提出氨制冷系統中水冷式冷凝器和蒸發式冷凝器的優缺點。最后根據現場調研、用戶反饋及工作經驗分析，得出針對特定裝置及用戶需求的最佳的冷凝器類型選擇的建議。

關? 鍵? 詞：氨制系統;冷凝器;對比分析;方案比選

中圖分類號：TQ052? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ?文章編號： 1671-0460（2020）11-2584-04

Selection of Condenser for Ammonia Refrigeration System

ZHANG Yu

（CNPC Northeast Refining & Chemical Engineering Co.， Ltd.， Shenyang Company， Shenyang 110167， China）

Abstract： Common condenser types include air-cooled condenser， water-cooled condenser and evaporative condenser. In this paper， the principle and composition of ammonia refrigeration system were introduced， and then characteristics and application conditions of the three types of condensers were discussed. Through calculation and analysis of energy consumption， floor area and investment， the advantages and disadvantages of water-cooled condenser and evaporative condenser in ammonia refrigeration system were obtained. Finally， according to the field investigation， user feedback and work experience analysis， the best condenser type selection suggestions for specific device and user demand were put forward.

Key words： Ammonia system; Condenser; Comparative analysis; Scheme comparison

氨制冷系統廣泛應用于石油化工領域，如苯乙烯裝置、化肥裝置、酮苯裝置等。冷凝器是氨制冷系統非常重要的工藝設備，此設備的選擇是否合理將直接影響整個系統的運行、項目的投資及水電的消耗。目前在石油化工領域廣泛采用的冷凝器有空氣冷卻式冷凝器、水冷式冷凝器和蒸發式冷凝器。本文分析了3種冷凝器的特點及應用范圍，并以某化工廠苯乙烯裝置中氨制冷系統中冷凝器為例，通過能耗、投資及占地面積對比分析來探討冷凝器的選擇。

1? 氨制冷系統的組成及原理

1.1? 氨制冷系統的組成

氨壓縮制冷系統主要由氨壓縮機、冷凝器、蒸發器管（蒸發排管）、氨液分離器、氨油分離器、貯液器、空氣分離器、集油器、節流閥、經濟器（根據不同工況選配，提高效率）、稀油站（根據電機功率不同選配，電機功率大于1 120 kW需要設置，保護電機及軸承）等組成[1]，圖1為典型氨制冷壓縮機PID。

1.2? 氨制冷系統工作原理

氨制冷壓縮機、冷凝器、節流閥和蒸發器是氨制冷系統中的最基本的部分，同時也是核心單元，制冷系統如圖2所示。以上4個基本設備通過工藝管道將它們連接起來構成一個密閉的循環系統，通過氨在系統中不斷地循環流動，與外界冷、熱媒介的熱交換從而發生物性的變化來完成制冷過程。具體過程如下：液態氨在蒸發器中與熱媒發生熱量交換后氣化，汽化后經過制冷壓縮機壓縮后壓力與溫度均升高，壓縮后的氨氣經過與冷凝器中的冷媒熱交換后由高溫高壓的氨氣變為高壓的氨液。經調節閥節流后將高壓氨液轉換為低溫低壓的氨液，之后經過蒸發器吸熱氣化，以實現整個循環制冷的過程，以上過程就是氨制冷的一個循環過程[2-4]。

2? 冷凝器的類型

冷凝器在制冷系統中主要分為空氣冷卻式冷凝器、水冷式冷凝器和蒸發式冷凝器。

2.1? 空氣冷卻式冷凝器

空氣冷卻式冷凝器也就是常說的干空冷，具有結構簡單、操作簡便、不使用冷卻水及批量生產價格低等優點，多用于缺水、水質差、補水不方便的地區。但是由于受外界環境溫度影響較大，穩定性不如水冷冷凝器及蒸發式冷凝器，圖3為某裝置中的空冷式冷凝器。在滿足工藝條件情況下，對于裝置年運行時間較長時，在綜合運行費用上要低于水冷系統。

2.2? 水冷式冷凝器

目前在石油化工領域廣泛采用的水冷式冷凝器型式主要有管殼式水冷型冷凝器和管板式水冷型冷凝器，其中管殼式冷凝器又分為立式和臥式2種。這2種水冷式冷凝器主要由以下2個不同點：一是安裝方式的不同，一個立式安裝，一個臥式安裝;另外一個是立式水冷式冷凝器中冷卻水是靠重力沿換熱管向下流動，只能是單行程，因此要想達到冷卻效果就需要足夠大的傳熱系數，需要耗費大量的冷卻水，而臥式水冷式冷凝器是靠動力源水泵給冷卻水升壓后進入到換熱管中，因此可制作成多行程冷凝器，同時相比于立式水冷式冷凝器冷卻水的流速更大、溫升更高、冷卻效果更好。因此相比立式水冷式冷凝器，臥式水冷式冷凝器就大大降低了冷卻水的耗量，這也是兩者最重要的區別。由于立式水冷式冷凝器耗水量大，目前在石油化工領域已經很少使用了，已經逐步被臥式水冷式冷凝器取代。圖4為臥式水冷式管殼式冷凝器。由于冷卻水受外界環境影響較小，因此水冷式冷凝器的冷卻效果穩定，但是相比空冷式冷凝器，由于需配套水泵和冷卻水塔結構較為復雜，多用于水資源豐富，對于冷卻穩定性要求較高的場所，尤其在環境溫度較高時相比空冷式優勢明顯。若管理得當，當冷卻水的補水量低于3%時，綜合運行費用要低于空冷系統，這對于管理要求較高。

2.3? 蒸發式冷凝器

蒸發式冷凝器兼有空冷式冷凝器和水冷式冷凝器的特點，主要由空冷系統和水冷系統兩部分組成，圖5為蒸發式冷凝器外形圖。

在換熱效果上，蒸發式冷凝器要強于空冷式冷凝器，由于蒸發式冷凝器采用空氣和水共同作用來冷卻，在節水上要強于水冷式冷凝器，同時由于用冷卻水量的減少，水泵的能耗也相應降低，同時冷卻水塔的尺寸也相應降低。目前蒸發式冷凝器在大型的合成氨系統中應用廣泛。

3? 方案比選分析

針對某化工廠苯乙烯裝置中制冷量2 500 kW氨制冷系統中的冷凝器，分別從能耗、占地面積、投資3個方面進行比較。由于氨有毒、有刺激性、強腐蝕性的特點， 一旦制冷劑出現泄漏，直接就進入空氣中，這是不允許的，因此排除了空冷式冷凝器，下文僅針對水冷式冷凝器和蒸發式冷凝器進行分析。

3.1? 能耗分析比較

3.1.1蒸發式冷凝器能耗計算

1）風機功率計算公式如下：

。? ? ? ? ? ?（1）

式中：Nf—單位冷凝負荷的風機功率，W·kW-1;

pf—風機風壓，Pa;

LD—相應于單位冷凝負荷的風機功率，m3·（s·kW）-1。

2）水泵功率計算公式如下：

。? ? ? ? ? ?（2）

式中： Ns—單位冷凝負荷水泵功率，W·kW-1;

9.8—重力加速度;

gs—單位冷凝負荷的水流量，kg·（s·kW）-1;

HZ—水泵的揚程，m。

3.1.2? 水冷式冷凝器的能耗計算

1）水泵的能耗。下式可用于水冷式冷凝器負荷計算：

。? ? ? ? ?（3）

式中：Gk—冷凝負荷，kW;

Gw—冷卻水流量，kg·s-1;

Cw—水的比熱容 4.19 kJ·（kg·℃）-1;

Δtw—冷凝器進出口冷卻水溫差，立式冷凝器取2～3 ℃，

臥式冷凝器取4～6 ℃。

根據公式（3）可以得出在以水冷作為冷凝介質時的單位冷凝負荷的計算公式如下：

。? ? ? ?（4）

2）冷卻塔用風機能耗計算。冷卻水塔的制造廠商在計算能耗并選用電機時是根據特定的工況下來選用的，按照工程實踐電機功率的選擇要滿足規定要求的110%來選用，因此可根據冷卻水量用來與電機功率的關系推導得出在單位冷凝負荷下冷卻水塔用風機具體能耗值，如下式[7]：

。? ? ? ? ? ? ?（5）

式中： —冷卻塔風機功率與水流量比。

根據上面的公式計算得到具體能耗值如表1所示。根據計算結果可知，立式水冷冷凝器的水量消耗、水泵功率和風機功率最高，臥式水冷冷凝器次之，蒸發式冷凝器最佳。因此，從能耗角度來講蒸發式冷凝器為最佳方案。

3.2? 占地比較

由于蒸發式冷凝器結構復雜，外形尺寸較大，因此占地面積最大，臥式水冷冷凝器次之，立式水冷冷凝器占地面積最小。

3.3? 投資比較

通過與廠家詢價得出不同類型冷凝器的設備投資如表2所示。由表2可知，蒸發式冷凝器投資最高，立式水冷冷凝器次之，臥式水冷冷凝器投資最低。除設備投資外，設備安裝的基礎和鋼結構投資也占有一部分，由于蒸發式冷凝器外形尺寸大，重量重，同時布置在構架上，在基礎和鋼結構的投資上交立式水冷冷凝器和臥式水冷冷凝器都要高。

4? 結 論

本文首先介紹了氨制冷系統的原理和組成，然后針對空氣冷卻式冷凝器、水冷式冷凝器及蒸發式冷凝器3種冷凝器的適用工況、優缺點進行分析，之后針對氨制冷系統中冷凝器的選擇分別從能耗、占地面積及投資3個方面定量地給出水冷式和蒸發式冷凝器所對應的數值。

從能耗角度來說，蒸發式冷凝器要好于其他兩種冷凝器，同時需要注意的是用水量一欄中蒸發式冷凝器的水量只需要一次充注，后期只需要對其消耗進行補充就可以了，而其他兩種冷凝器的水量需要連續供給，因此從能耗的角度講實際使用中蒸發式冷凝器的能耗要優于表中計算值，水的消耗可忽略。從投資角度來講，雖然蒸發式冷凝器的一次性投資較高，但是由于其能耗較低，若按電量單價? 0.5元·（kWh）-1來計算，相比立式水冷冷凝器、臥式水冷冷凝器而言，雖然一次性投資分別高了9萬元和16萬元，然而只需分別運行4 148 h和110 345 h就可以收回前期一次性多投入的資金。蒸發式冷凝器同時也存在自身的問題，主要有以下2點：首先占地面積比較大，因此對于場地受限的項目就很難選擇此種冷卻方式;其次就是由于蒸發式冷凝器的水箱屬于開式結構，對于北方風沙比較大的地區，檢修的時間間隔會大大縮短，同時檢修的難度較大。因此，北方地區選用蒸發式冷凝器時需要考慮檢修問題[5]。

臥式水冷冷凝器的能耗和投資均優于立式水冷冷凝器，而其缺點在于清洗困難，尤其對于一些水質較差的地區結垢現象嚴重，這樣將嚴重影響冷卻效率，因此在選擇時要注意水質問題[6]。而立式水冷式冷凝器由于能耗較高，現在在工程實踐中已經很少采用了，但是如果是將自然界中的水如江、河、湖、海中的水直接用于冷卻系統，那么立式水冷式冷凝器具有一定的優勢[7-9]。

根據上述分析，在選擇冷凝器型式時還要根據具體情況從能耗、占地面積、投資（投資既要考慮一次投資，同時又要兼顧綜合性經濟效益）進行分析，這樣選擇的冷凝器才能最適合，達到效益最高。

參考文獻：

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