氣波制冷機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用效果分析

1、氣波制冷機(jī)的特點(diǎn)及應(yīng)用效果分析摘要：氣波制冷機(jī)是利用氣體的壓力能制冷的一種制 冷設(shè)備。氣波制冷機(jī)具有效率高、運(yùn)行周期長(zhǎng)、節(jié)能、工況 適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。介紹了氣波機(jī)的特點(diǎn)及原理，特點(diǎn)和性能 及應(yīng)用效果。關(guān)鍵詞：氣波機(jī) 深冷 特點(diǎn)與應(yīng)用1 問(wèn)題的提出 氣波制冷機(jī)是利用氣體的壓力能產(chǎn)生激波和膨脹波使 氣體制冷的一種制冷設(shè)備 ，又稱(chēng)壓力波制冷機(jī)或熱分離機(jī) （器 ）。氣波制冷機(jī)具有效率高、運(yùn)行周期長(zhǎng)、節(jié)能、工況 適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此引起國(guó)內(nèi)外眾多研究者的注意。氣波 制冷作為一種新型的制冷工藝，由于其操作簡(jiǎn)單、投資小等 特點(diǎn)，在天然氣冷凍脫烴中得到迅速應(yīng)用，研究氣波制冷工 藝的原理和適用條件，為降低天然氣處

2、理的工程投資，提高 輕烴收率，具備重要的意義。勝利油田的伴生氣量，隨著老油田的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，已呈逐年遞減的趨勢(shì)。目前日處理天然氣1X 104m3/d以下的處理裝置增多，但使用中的適用于1 x 104m3小氣量的深冷設(shè)備效率偏低，不能很好的滿(mǎn)足生產(chǎn)需求，而氣波機(jī)用于深冷 裝置，收到了良好的效果，保證了生產(chǎn)運(yùn)行。2 氣波機(jī)的特點(diǎn)及原理2，1 概述 氣波制冷機(jī)是新一代制冷設(shè)備，它有效地利用了氣體的 壓力能，利用激波和膨脹波使氣體膨脹致冷，然后將其中凝 點(diǎn)較高的組份分離出來(lái)， 不需外部能源， 對(duì)氣體組成、 流量、 壓力及膨脹比的變化有較強(qiáng)的適應(yīng)性，尤其適用于具有小氣 量且具有氣液兩相工質(zhì)的場(chǎng)合。該機(jī)操作

3、維護(hù)簡(jiǎn)單，特性曲 線平坦。氣波制冷機(jī)與透平類(lèi)膨脹機(jī)相比，優(yōu)越性在于：操 作簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，啟停車(chē)容易，對(duì)氣體在機(jī)器內(nèi)發(fā)生液化 現(xiàn)象不敏感（透平膨脹機(jī)允許帶液量為10% ，最高達(dá) 16%，而氣波制冷機(jī)的允許帶液量高達(dá)5 0%），允許操作工況范圍大，適用膨脹比范圍廣（可在 2-7 變化），不需控制儀表。由 于機(jī)器轉(zhuǎn)速在 3000 轉(zhuǎn) /分左右，可以使用滾動(dòng)軸承，靠定期 加注潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑，無(wú)需使用一套專(zhuān)門(mén)由電機(jī)帶動(dòng)的循環(huán)潤(rùn)滑 油裝置。機(jī)器為自旋式，不需附加動(dòng)力設(shè)備，不用電力，可 露天放置。因此，可在條件比較苛刻的邊遠(yuǎn)地區(qū)使用。最近 該設(shè)備在我單位一套 3 X 104m3/d油田氣處理裝置投入運(yùn)行 以來(lái)

4、，獲得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。2.2 氣波制冷機(jī)的工作原理氣波制冷機(jī)是一種先進(jìn)的利用氣體壓力能產(chǎn)生激波和 膨脹波使氣體致冷的新型制冷節(jié)能機(jī)械，它可在不需要任何 外加動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的情況下，完全利用裝置進(jìn)出口氣體壓差來(lái)使 機(jī)器旋轉(zhuǎn)。該機(jī)依靠壓力氣體射流對(duì)接受管內(nèi)的駐留氣做不 定常膨脹功而制冷，故能在較低的轉(zhuǎn)速下高效率地完成制冷 過(guò)程，在機(jī)器產(chǎn)生冷量的同時(shí)還可輸出熱量，機(jī)器等熵效率 現(xiàn)已達(dá) 75%以上。該機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，操作維護(hù) 簡(jiǎn)便，制造、運(yùn)行成本低，對(duì)流量和膨脹比適應(yīng)范圍寬等優(yōu) 點(diǎn)。多級(jí)氣波制冷機(jī)是在氣波制冷機(jī)的基礎(chǔ)上為滿(mǎn)足高壓 大流量、大膨脹比氣體制冷的需要而研制開(kāi)發(fā)的新一代定型 產(chǎn)品。與其它

5、膨脹制冷機(jī)械比較， 在高壓 （壓力大干 10Mpa） 及氣液兩相流工況下使用具有相當(dāng)?shù)募夹g(shù)優(yōu)勢(shì)?？筛鶕?jù)壓力、流量及膨脹比來(lái)確定采用單級(jí)或多級(jí)氣波 制冷機(jī)，還可根據(jù)使用地區(qū)和條件選擇自旋式或電機(jī)驅(qū)動(dòng)式 結(jié)構(gòu)。旋轉(zhuǎn)式氣波制冷機(jī)主要是由旋轉(zhuǎn)噴嘴，接受管和激波吸 收腔組成。氣波制冷機(jī)工作時(shí)，帶有壓力的來(lái)料氣通過(guò)旋轉(zhuǎn)噴嘴膨 脹、加速，由噴嘴高速?lài)姵?，?qū)動(dòng)噴嘴旋轉(zhuǎn)。由于旋轉(zhuǎn)噴嘴 的旋轉(zhuǎn)，高速氣流依次射入沿噴嘴園周排布的各接受管中。 射入的氣體與原在接受管內(nèi)的氣體之間形成一接觸面，該接 觸面可以看作是一個(gè)無(wú)質(zhì)量的“活塞” 。由于接觸面兩邊氣 體的速度和壓力都不相等，為了滿(mǎn)足接觸面的相容性條件 （即接觸面兩邊

6、氣體速度、壓力相等） ，該“活塞”向前運(yùn) 動(dòng)，在活塞的前方將出現(xiàn)同方向運(yùn)動(dòng)的激波。激波掃處，該 處氣體受到壓縮，溫度和壓力提高，接受管從此形成熱腔。 與激波產(chǎn)生的同時(shí)， 有一束膨脹波產(chǎn)生，作用于接觸面后 的氣體，使該部分氣體經(jīng)等熵膨脹獲得高速，靜溫下降，形 成冷腔。噴射停止后，關(guān)閉接受管開(kāi)口端，由于接觸面與管口之 間的氣體正隨“活塞”向前運(yùn)動(dòng)，突然關(guān)閉管口，管口氣流 速度驟然降至零，因此從管口產(chǎn)生一束右行膨脹波，使得管 口與接觸面間氣體進(jìn)一步膨脹，靜溫下降，而激波繼續(xù)壓縮 管內(nèi)氣體，此時(shí)激波對(duì)氣體做功的能量由管口接觸面之間的 氣體供給，又使得該部分氣體總溫下降。當(dāng)接受管管口與低壓排氣管接通時(shí)，

7、進(jìn)入排氣階段。由 于接受管內(nèi)外壓力不平衡，內(nèi)部壓力高于外部，又有一束右 行膨脹波傳至管內(nèi)，使管口與接觸面間氣體靜溫再度下降。 同時(shí)，由于激波對(duì)管內(nèi)氣體做功的能量繼續(xù)來(lái)自管口與接觸 面間氣體，該部分氣體總溫亦進(jìn)一步下降，變成冷氣排出管 外，冷氣排盡時(shí)，接觸面到達(dá)管口。運(yùn)動(dòng)到接受管封閉端的 激波被激波吸收腔吸收， 以免產(chǎn)生激波反射， 影響降溫效果。 排氣終止后結(jié)束一個(gè)工作循環(huán)。被激波加熱的氣體通過(guò)管壁 向外界散熱。3 特點(diǎn)和性能 天然氣脫烴是將天然氣中的較重組分（一般為丙烷、丁 烷以下較重組分）脫除并回收的過(guò)程。目前應(yīng)用于天然氣脫 烴的主要工藝有外加冷源的丙烷蒸發(fā)制冷、氨吸收制冷和利 用本身壓力能

8、進(jìn)行膨脹的膨脹壓縮制冷、節(jié)流膨脹制冷，以 及外加冷源和膨脹壓縮聯(lián)合制冷的工藝。 90 年代末期， 氣波 制冷作為一種新型的制冷工藝，由于其操作簡(jiǎn)單、投資小等 特點(diǎn)，在天然氣冷凍脫烴中得到迅速應(yīng)用，研究氣波制冷工 藝的原理和適用條件，為降低天然氣處理的工程投資，提高 輕烴收率，具備重要的意義。（ 1）效率高。氣波制冷機(jī)效率在70%以上，目前最高已逾 75%。（2）、適應(yīng)性強(qiáng)。氣波制冷機(jī)允許氣體的組成、流量、 壓力和膨脹比在較大的范圍內(nèi)波動(dòng)，性能曲線平坦，尤其適 用于氣液二相工質(zhì)的場(chǎng)合，允許帶液量大。（3）節(jié)能。氣波制冷機(jī)可為自旋式，不需外部動(dòng)力驅(qū) 動(dòng)，因此對(duì)邊遠(yuǎn)地區(qū)或缺電等條件苛刻的場(chǎng)合仍能很好地應(yīng) 用。在流量小于 2X 104m3/d時(shí)，也可用微型電機(jī)帶動(dòng)。（4）氣波制冷機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)在 3000rpm 左右，用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作維擴(kuò)方便，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)周期長(zhǎng)。4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果氣波制冷機(jī)在我單位 3X 1 04m3/d氣體處理裝置上報(bào)用 以來(lái)，處理氣量小于 1 X 104 m3/d，進(jìn)口壓力為1.7MPa，出 口壓力為0.5MPa，制冷溫度從原來(lái)的 0C降低到一2 5C以 下。目前該套裝置運(yùn)行平穩(wěn)，日增輕烴 3 噸