小型混合工质循环气体液化系统实验及优化

　　小型天然气液化装置可使得零散气田天然气的开发利用成为可能，有利于改善能源结构，具有广阔的应用前景[1,2]。混合工质循环(MRC)天然气液化系统，是采用多组分的混合工质的制冷循环来不断地为系统提供冷量，从而使系统降温至特定压力的天然气饱和温度以下，以达到液化天然气的目的。

　　目前在混合工质循环气体液化工艺中，通常采用C1~C5的烃类以及N2作为混合工质的组成组分，且制冷循环的研究主要集中在对流程参数及混合工质组分的优化上[3,4]。通过对混合工质组分合理配比，使得在不同的温区范围多股流换热器内混合工质温度曲线与液化天然气温度曲线相匹配，减小传热温差，从而减少能耗，提高液化效率。对混合制冷循环进行技术改进的重点之一是力求通过对流程参数及混合工质的组分的调整，寻找到给定工况下的效率最佳值[5,6]。

　　该研究通过建立一个以常规压缩机驱动的小型MRC气体液化装置，对气体液化工艺和混合工质制冷性能进行实验测定，使其在稳定工况下获得-182℃以下的制冷温度，并制得液化空气。同时依据系统实验的实际工况，建立了计算模型，对循环工质的配比进行优化，分析混合工质组分组配比范围及其对系统COP的影响，并获得该系统的混合工质优化组份。

　　1 主要实验设备及参数

　　该研究的混合工质循环气体液化系统流程示于图1。实际试验装置照片示于图2。

　　该流程包括气体液化回路、混合工质循环回路、水冷机组预冷循环三个部分。系统中主压缩机、预冷机组板式换热器及多股流换热器的性能决定了混合工质循环回路的制冷量，并将最终影响系统的液化效率。

　　1.1 主压缩机

　　采用的主压缩机为全封闭涡旋式压缩机，型号为Copeland ZB11MC，其额定功率为11.25kW，排气容积为42.1m3/h，该涡旋式压缩机小型全封闭，具有结构紧凑、体积小、重量轻、噪音小、运行安全可靠等特点。

　　1.2 多股流板翅式换热器

　　多股流板翅式换热器是由SYSU-BP中心独立设计并外委生产加工的，换热器内共有3个流体通道，分别作为高压制冷工质、低压制冷工质以及液化气体的通道。总换热面积45m2，其中高压侧与低压侧通道换热面积为38m2，低压侧与气体液化通道换热面积7m2。

　　1.3 水冷换热器与预冷机组换热器

　　用于水冷 (图1部件2)及预冷机组 (图1部件4)的换热器均采用板式。流经水冷板式换热器的混合工质被温度为20℃的大流量冷水冷却，混合工质在换热器出口处的温度一般能降至22℃左右。