影響煤層氣壓縮效率的因素研究與優(yōu)化

　　煤層氣俗稱(chēng)瓦斯，是儲(chǔ)存在煤層中的一種煤層氣，是清潔高效的能源，其主要成分是甲烷。煤層氣的存在對(duì)我國(guó)的煤礦開(kāi)采一直是重大的安全(security)隱患，先抽后采是煤礦安全運(yùn)行的保證。此外，未經(jīng)處理或回收的煤層氣直接排放到大氣中會(huì)造成溫室效應(yīng)(effect)，破壞臭氧層(The ozone layer)(Oxygen)。現(xiàn)在利用深冷技術(shù)，把煤層氣冷卻至- 162！而形成液化煤層氣（LCBM），便于儲(chǔ)存和遠(yuǎn)距離運(yùn)輸。

　　1氮膨脹制冷液化工藝(Technology)氮膨脹液化工藝近年來(lái)在我國(guó)應(yīng)用較多。特別是對(duì)小規(guī)模液化廠，它具有流程簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)緊湊、造價(jià)略低、運(yùn)行靈活、技術(shù)成熟、易于操作和控制等特性。制冷劑采用單組分的氮?dú)?，安全?security)好，放空不會(huì)引起火災(zāi)或爆炸(blow up)危險(xiǎn)。其缺點(diǎn)是功耗較高，比采用混合制冷劑液化流程高40%左右。
　?。?）煤層氣流程煤層氣原料(raw material)氣經(jīng)壓縮、脫硫（產(chǎn)物:SO2)（化學(xué)符號(hào)：S）、脫碳、干燥、脫汞后進(jìn)入本工段先進(jìn)入冷箱，冷箱主要由1 4號(hào)換熱器組成，經(jīng)過(guò)1號(hào)換熱器預(yù)冷后，分離出的重?zé)N由點(diǎn)25排出到重?zé)N儲(chǔ)罐，分離后的氣相經(jīng)2、3、4號(hào)換熱器分別液化、深冷，經(jīng)點(diǎn)6節(jié)流降壓到點(diǎn)24.點(diǎn)24即為成品液化煤層氣，由管道余壓輸送到儲(chǔ)罐，在常壓或壓力下儲(chǔ)存。
　?。?）制冷劑氮?dú)饬?airflow)程氮?dú)饨?jīng)壓縮機(jī)壓縮、水冷后，依次進(jìn)入低壓增壓機(jī)、中壓增壓機(jī)增壓、冷卻(cooling)器冷卻，然后由點(diǎn)7進(jìn)入冷箱。經(jīng)1號(hào)換熱器初步預(yù)冷后進(jìn)入中壓膨脹機(jī)，膨脹后溫度、壓力均降低，同時(shí)輸出膨脹功帶動(dòng)中壓增壓機(jī)。膨脹后的氮?dú)庥牲c(diǎn)9進(jìn)入3號(hào)換熱器繼續(xù)冷卻，由點(diǎn)10進(jìn)入低壓膨脹機(jī)，膨脹后溫度、壓力進(jìn)一步降低，同時(shí)輸出膨脹功帶動(dòng)低壓增壓機(jī)。經(jīng)低壓膨脹機(jī)膨脹后的制冷劑由換熱器的最冷端點(diǎn)11逐級(jí)進(jìn)入各換熱器，為煤層氣和制冷劑提供冷量。
　　2典型氮膨脹制冷(Refrigeration)液化工藝計(jì)算
　　2. 1工藝計(jì)算目的工藝計(jì)算的目的是確定流程中各點(diǎn)的溫度（temperature)、壓力、制冷劑流量(單位:立方米每秒)，計(jì)算壓縮機(jī)功率。昆山空壓機(jī)維修軸承跑外圈一般是因?yàn)榕浜系木炔粔蛞约巴馊Χㄎ环绞皆O(shè)計(jì)不合理造成的。并非所有機(jī)頭都按這個(gè)時(shí)間進(jìn)行，如果保養(yǎng)好的可以延后，保養(yǎng)差的則需要提前。 
　　2. 2計(jì)算前需確定的已知條件
       （1）冷箱入口煤層氣溫度、壓力、流量及組成。
　　本次計(jì)算以山西晉城某地區(qū)煤層氣為條件，氣體摩爾分?jǐn)?shù)為：甲烷0. 971，氮?dú)?. 024，氧氣0. 005；煤層氣日處理量為25 % 10 4 m 3 /d，平均小時(shí)流量為10 417 m 3 /h，煤層氣來(lái)氣壓力為0. 5M Pa（本文壓力均指絕對(duì)壓力），溫度為34。昆山空壓機(jī)保養(yǎng)冷卻水通過(guò)管道進(jìn)入空壓機(jī)中間冷卻器對(duì)一級(jí)壓縮排出的氣體進(jìn)行冷卻降溫，再進(jìn)入后冷器對(duì)排氣進(jìn)行冷卻，另一路冷卻水進(jìn)水管道經(jīng)過(guò)主電機(jī)上部的兩組換熱器冷卻電機(jī)繞組，還有一路對(duì)油冷卻器進(jìn)行冷卻。
　?。?）LCBM儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存溫度、壓力，由LCBM儲(chǔ)罐類(lèi)型決定
　　（3）換熱器端面冷、熱流體溫差，取3。
　　（4）機(jī)械設(shè)備(組成：驅(qū)動(dòng)裝置、變速裝置等)的效率，由設(shè)備廠家提供。
　?。?）換熱器阻力，本次計(jì)算冷箱總阻力取0. 1 M Pa，每個(gè)換熱器平均分配，由此引起的誤差對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響在誤差允許范圍內(nèi)。
　　2. 3工藝計(jì)算過(guò)程（1）點(diǎn)1通過(guò)迭代計(jì)算原料氣壓縮(compression)機(jī)(compressor)功率和制冷劑壓縮機(jī)功率之和最小時(shí)，煤層氣壓縮機(jī)出口壓力減去吸收塔、脫水、脫汞裝置及管道的阻力，作為進(jìn)冷箱壓力。
　?。?）點(diǎn)7點(diǎn)7是制冷劑進(jìn)冷箱壓力，一般為
　　4. 4 
　　4. 7 M Pa.經(jīng)過(guò)迭代計(jì)算尋找壓縮機(jī)功耗最小時(shí)對(duì)應(yīng)的p 7.該點(diǎn)溫度T 7 = T 1.
　?。?）點(diǎn)24點(diǎn)24處于冷箱中LCBM節(jié)流后狀態(tài)。其壓力為儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存壓力加輸送(delivery)過(guò)程局部阻力(resistance)、沿程阻力和液位高差靜壓，并考慮一定富余量。溫度按儲(chǔ)罐工作溫度計(jì)算（考慮從冷箱至儲(chǔ)罐因有壓降而引起的焦耳-湯姆遜效應(yīng)(effect)將導(dǎo)致一定的溫降，會(huì)抵消一部分因輸送管道受熱而引起的溫升，故計(jì)算時(shí)按溫度相等計(jì)算，由此所引起的誤差在允許范圍內(nèi)）。
　?。?）點(diǎn)6點(diǎn)6壓力為煤層氣冷箱入口(rù kǒu)壓力減去各換熱器阻力。根據(jù)節(jié)流前點(diǎn)6的焓h 6和節(jié)流后點(diǎn)24的焓h 24相等，由軟件計(jì)算點(diǎn)6溫度T 6.
　?。?）點(diǎn)11點(diǎn)11處于氮?dú)?Nitrogen)經(jīng)低壓膨脹機(jī)膨脹后的狀態(tài)，p 11取0. 4 MPa.點(diǎn)6與點(diǎn)11端面換熱溫差取3！是板翅式換熱器的最小換熱溫差。若溫差取得過(guò)大，換熱器火用損失大，壓縮機(jī)功耗高。工程設(shè)計(jì)(design)時(shí)點(diǎn)10壓力取
　　1. 49M Pa，根據(jù)點(diǎn)11參數(shù)及p 10可由軟件計(jì)算出T 10.
　　（6）點(diǎn)15 T 15 = T 1 - 3（1）p 15 = p 11 - p（2）式中T i――點(diǎn)i溫度，K p i――點(diǎn)i絕對(duì)壓力，M Pa p――制冷劑通過(guò)4個(gè)換熱器的總阻力(resistance)，M Pa，取0. 1 M Pa（7）點(diǎn)8和點(diǎn)2 p 8 = p 7 - p 1（3）T 2 = T 8（4）p 2 = p 1 - p 1（5）式中p 1――制冷劑或煤層氣通過(guò)1號(hào)換熱器的阻力，M Pa，取0. 025 M Pa T 8是影響制冷劑壓縮機(jī)功耗的主要因素之一，需迭代計(jì)算以尋找最小功耗對(duì)應(yīng)的T 8，迭代溫度范圍為230 245 K.
　?。?）點(diǎn)9和點(diǎn)4 p 9 = p 10 + p 3（6）T 4 = T 9（7）p 4 = p 1 - p 1 - p 2（8）式中p 3――制冷劑或煤層氣通過(guò)(tōng guò)3號(hào)換熱器的阻力，MPa，取0. 025 MPa p 2――制冷劑或煤層氣通過(guò)2號(hào)換熱器的阻力，MPa，取0. 025 MPa根據(jù)點(diǎn)8溫度（temperature)T 8按等熵膨脹(inflate)由軟件計(jì)算出T 9.
　　（9）確定制(custom made)冷劑的循環(huán)（continue)量q m，7列1、2、3、4號(hào)換熱器熱平衡方程。
　　1號(hào)換熱器熱平衡(balance)方程：q m，1（h 1 - h 2）+ q m，7（h 7 - h 8）= q m，7（h 15 - h 14）（9）2號(hào)換熱器熱平衡方程：q m，1（h 3 - h 4）= q m，7（h 14 - h 13）（10）3號(hào)換熱器熱平衡方程：q m，1（h 4 - h 5）+ q m，7（h 9 - h 10）= q m，7（h 13 - h 12）（11）4號(hào)換熱器熱平衡方程：q m，1（h 5 - h 6）= q m，7（h 12 - h 11）（12）式中q m，i――點(diǎn)i煤層氣或制冷劑質(zhì)量流量，kg /h h i――點(diǎn)i煤層氣或制冷劑的比焓，kJ/（kg？K）由式（9）（12）求出q m，7.
　?。?0）求T 14由式（9）求得h 14，作閃蒸計(jì)算由軟件求T 14.
　?。?1）求T 13由式（10）求得h 13，作閃蒸計(jì)算由軟件求T 13.
　　（12）求T 12由式（12）求得h 12，作閃蒸計(jì)算由軟件求T 12.
　　（13）確定低壓增壓機(jī)出口壓力p 20確定p 20后，中壓增壓機(jī)入口壓力為：p 21 = p 20 - p c（13）式中p c――單臺(tái)冷卻器阻力，M Pa，取0. 01 M Pa確定中壓增壓機(jī)入口溫度、壓力及出口壓力后可計(jì)算出中壓增壓機(jī)所需功率P s，2.試算不同的p 20，使中壓膨脹機(jī)輸出功率P e，2滿足中壓增壓機(jī)功率需要。確定壓縮(compression)機(jī)出口壓力p 17確定p 17的方法(method)同上，即低壓膨脹機(jī)輸出功率P e，1能夠滿足低壓增壓機(jī)功率P s，1.？計(jì)算壓縮機(jī)功率P c由壓縮機(jī)進(jìn)口壓力、溫度及出口壓力可計(jì)算出壓縮機(jī)功率P c.
　　2. 4結(jié)果的約束條件各換熱器端面不能出現(xiàn)負(fù)溫差，且冷熱流體的設(shè)計(jì)溫差不小于3攝氏度。昆山空壓機(jī)是一種用以壓縮氣體的設(shè)備?？諝鈮嚎s機(jī)與水泵構(gòu)造類(lèi)似。大多數(shù)空氣壓縮機(jī)是往復(fù)活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機(jī)是非常大的應(yīng)用程序。
　　在氮膨脹制冷液化工(Chemical industry)藝中，煤層氣壓縮(compression)后壓力約5 MPa的情況(Condition)下，190 K時(shí)已全部液化，由于煤層氣從開(kāi)始液化到全部液化溫度（temperature)區(qū)間比較小，但在此溫度區(qū)間內(nèi)由于要釋放出大量的潛熱，故此溫度區(qū)間冷負(fù)荷(load)占換熱器總負(fù)荷的比例較大。昆山空壓機(jī)維修是更換全部磨損的零件，空壓機(jī)轉(zhuǎn)1000個(gè)小時(shí)或一年后，要更換濾芯，在多灰塵地區(qū)，則更換時(shí)間間隔要縮短。濾清器維修時(shí)必須停機(jī)，檢查壓縮機(jī)所有部件，排除壓縮機(jī)所有故障。在氮膨脹制冷液化系統(tǒng)中，煤層氣主要在2號(hào)換熱器完成液化。
　　如果液化溫度區(qū)間在2號(hào)換熱器底部，則此時(shí)2號(hào)換熱器煤層氣需要的冷負(fù)荷全部集中在底部較低的溫度區(qū)間。昆山空壓機(jī)是一種用以壓縮氣體的設(shè)備?？諝鈮嚎s機(jī)與水泵構(gòu)造類(lèi)似。大多數(shù)空氣壓縮機(jī)是往復(fù)活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機(jī)是非常大的應(yīng)用程序。由于制冷劑沒(méi)有相變，提供的冷負(fù)荷隨溫度分布比較均勻，并且要求制冷劑溫度比煤層氣溫度低，制冷劑難以在此較小的溫度區(qū)間提供足夠的冷負(fù)荷。因此工藝計(jì)算中需對(duì)每個(gè)換熱器從低溫段向高溫段進(jìn)行冷負(fù)荷巡查，方法是從換熱器底部每5攝氏度一個(gè)溫度區(qū)間進(jìn)行檢查，確保從低溫向高溫溫度區(qū)間的累積冷負(fù)荷足夠。
　　3優(yōu)化結(jié)果(result)及分析
　　3. 1優(yōu)化（optimalize）結(jié)果液化單位體積煤層氣耗電量為0. 623 kW？h / m 3.由于本工程煤層氣組分中不含重?zé)N，因此點(diǎn)25無(wú)重?zé)N析出。
　　3. 2壓縮機(jī)功耗分析（1）中壓膨脹機(jī)入口溫度在固定原料氣壓縮后壓力和制冷劑進(jìn)入冷箱壓力的情況下，原料氣壓縮機(jī)和制冷劑壓縮機(jī)總功率隨著中壓膨脹機(jī)入口溫度的變化曲線可見(jiàn)，隨著中壓膨脹機(jī)入口溫度升高，系統(tǒng)總功耗減小。這是因?yàn)殡S著中壓膨脹機(jī)入口溫度升高，1號(hào)換熱器熱負(fù)荷減小，隨之系統(tǒng)總熱負(fù)荷減小，故制冷劑壓縮機(jī)功耗降低。但中壓膨脹機(jī)入口溫度不能過(guò)高，否則2號(hào)換熱器將出現(xiàn)負(fù)溫差而不能正常工作。
　　（2）原料氣壓縮后壓力隨著煤層氣壓縮后壓力的增大，在滿足換熱器無(wú)負(fù)溫差的情況下，制冷劑壓縮機(jī)(compressor)功率減小、原料氣壓縮機(jī)功率增大，壓縮機(jī)總功率增大這是因?yàn)殡S著煤層氣壓縮后壓力增加，煤層氣進(jìn)入冷箱比焓h 1降低（reduce)。由于LCBM儲(chǔ)存溫度（temperature)、壓力不變，故冷箱底端點(diǎn)24比焓不變。此時(shí)煤層氣入口(rù kǒu)和液化后焓差減小，冷箱所需總負(fù)荷(load)減小，制冷劑壓縮機(jī)功率減小。
　　由于原料氣壓縮機(jī)功率（指物體在單位時(shí)間內(nèi)所做的功的多少）增加速度(speed)大于制冷劑壓縮機(jī)功率減小速度，故總功率略增大。此外，隨著煤層氣壓縮后壓力增加，可以采用較高的中壓膨脹機(jī)入口(rù kǒu)溫度。綜合優(yōu)化計(jì)算后，最佳的煤層氣進(jìn)入冷箱壓力為
　　5. 3 MPa，中壓膨脹機(jī)入口溫度為238 K.