雙機(jī)雙極冷凍技術(shù)研究與應(yīng)用

王守霞，王廣鵬

(中鹽內(nèi)蒙古化工股份有限公司，內(nèi)蒙古 阿拉善 750336)

1 前言

金屬鈉生產(chǎn)工藝主要包括電解工序、鹽干燥工序、精制鑄鈉工序、氯處理工序、公用工程。

其中，冷凍液化工藝是氯處理工序中的重要生產(chǎn)步驟，它是將氣態(tài)氯進(jìn)行液化后儲(chǔ)存至液氯計(jì)量槽，再進(jìn)行外銷。冷凍液化工藝中的液化效率是衡量此工藝裝置的關(guān)鍵，為了使氯氣液化效率達(dá)到最優(yōu)，即使96%以上的氯氣全部液化，產(chǎn)生最少的尾氣(純度為20%左右的氯氣)，降低尾氣處理成本，氟利昂溫度必須要保證，而氟利昂溫度保證就需要由螺桿壓縮機(jī)來實(shí)現(xiàn)。因此對螺桿壓縮系統(tǒng)的液化器及配套的螺桿壓縮機(jī)進(jìn)行優(yōu)化和升級，選用微機(jī)控制的雙機(jī)雙級制冷壓縮機(jī)組，液化器液化能力也增至180 L/h，此機(jī)組較現(xiàn)在使用的單機(jī)雙級效率增加30%。

2 實(shí)施方案

通過對中鹽內(nèi)蒙古化工股份有限公司金屬鈉廠(以下簡稱“公司”)冷凍機(jī)組運(yùn)行現(xiàn)狀的分析與對比，以及與設(shè)備生產(chǎn)廠家的多次溝通及現(xiàn)場實(shí)地考察，對現(xiàn)有單機(jī)雙級制冷機(jī)組與項(xiàng)目采用的微機(jī)控制雙機(jī)雙級制冷壓縮機(jī)組進(jìn)行了詳細(xì)的對比論證，分析了雙機(jī)雙級制冷機(jī)組的優(yōu)點(diǎn)和先進(jìn)性，論證了采用新機(jī)組的可靠性，對冷凍機(jī)組進(jìn)行了升級應(yīng)用。圖1、圖2分別為單機(jī)雙級和雙機(jī)雙級制冷循環(huán)機(jī)理示意圖。

圖1 單機(jī)雙級制冷循環(huán)機(jī)理示意圖Fig.1 Schematic diagram of mechanism of single machine and two stages refrigeration cycle

圖2 雙機(jī)雙級的制冷循環(huán)機(jī)理示意圖Fig.2 Schematic diagram of mechanism of two machine and two stages refrigeration cycle

通過升級改造后的應(yīng)用狀況，雙機(jī)雙級冷凍機(jī)組有明顯的優(yōu)勢。

2.1 兩級過冷更節(jié)能

雙機(jī)雙級采用兩級過冷，COP值較單機(jī)雙級高30%以上，更節(jié)能。在每種工況下存在一個(gè)最佳容積比，單機(jī)雙級的容積比固定為3左右，對應(yīng)最佳工況為-30 ℃～40℃，在-35℃以下工況性能下降較多，液化效率在92%左右，需要在工藝中新增二級液化工序，操作復(fù)雜且效果不佳；而雙機(jī)雙級可按最佳能效比自由選配，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)增減載，根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷，PLC根據(jù)最節(jié)能原則對高、低壓級壓縮機(jī)自動(dòng)增減載，要較手動(dòng)操作的雙級系統(tǒng)節(jié)能5%～10%，即省略了二級液化工序，一次液化成功，液化效率達(dá)到96%，更節(jié)能。

2.2 降低380 V低壓電機(jī)頻繁啟動(dòng)期間的耗電量

單機(jī)雙級380V低壓電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，沖擊電流大約是額定電流的2.5倍～7倍，對電網(wǎng)造成沖擊，頻繁啟動(dòng)期間耗電量大，故315 kW以上電機(jī)一般需配高壓電或軟啟動(dòng)，雙機(jī)雙級將一個(gè)電機(jī)變成兩個(gè)電機(jī)，采用普通380 V低壓電機(jī)。

2.3 縮短降溫時(shí)間

單機(jī)雙級初始啟動(dòng)時(shí)兩級全開，在高溫階段是不經(jīng)濟(jì)的，高壓級壓縮機(jī)處于部分負(fù)荷，低壓級壓縮機(jī)處于部分負(fù)荷，電機(jī)也處于部分負(fù)荷，效率極低，同時(shí)，降溫所需時(shí)間也較長。雙機(jī)雙級初始啟動(dòng)時(shí)，高壓級壓縮機(jī)處于滿負(fù)荷，高壓級電機(jī)接近滿負(fù)荷，低壓級不開，只有溫度降低到設(shè)定溫度時(shí)，低壓級才自動(dòng)開機(jī)，高效節(jié)能，降溫時(shí)間短。

同時(shí)，此雙機(jī)雙級冷凍機(jī)的投用，省去二次液化工序，取消二次液化管道配置等一次性投入費(fèi)用，降低人員操作強(qiáng)度和難度，提高了尾氯的純度(三線尾氯純度為17%左右，公司不進(jìn)行二次液化的尾氣純度為40%左右，二次液化后尾氣純度為23%)，減少了尾氣處理費(fèi)用。

2.4 機(jī)組自動(dòng)化程度高

(1)機(jī)組實(shí)現(xiàn)了PLC自控。微機(jī)控制面板提供了機(jī)組送到用戶上位監(jiān)控系統(tǒng)的參數(shù)有：公共報(bào)警(提供干節(jié)點(diǎn))，公共停機(jī) (硬線連接，常開觸點(diǎn))，壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài) (提供干節(jié)點(diǎn))報(bào)警、聯(lián)鎖和指示。

(2)操作簡單。只要在觸摸屏上設(shè)定好各項(xiàng)參數(shù)，系統(tǒng)就投入自動(dòng)運(yùn)行或自動(dòng)停機(jī)。所設(shè)參數(shù)長期保存，斷電也不會(huì)丟失。

(3)自動(dòng)增減載。根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷，PLC根據(jù)最節(jié)能原則對高、低壓級壓縮機(jī)自動(dòng)增減載，要較手動(dòng)操作的雙級系統(tǒng)節(jié)能5%～10%。

(4)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控。程序自動(dòng)檢測溫度、壓力等參數(shù)，實(shí)時(shí)顯示，實(shí)時(shí)監(jiān)控。

(5)遠(yuǎn)程通訊。采用PROFIBUS-DP等通訊協(xié)議與中控室上位機(jī)進(jìn)行通訊。在機(jī)組運(yùn)行的過程中實(shí)時(shí)顯示吸氣壓力、中間壓力、排氣壓力、油壓、吸氣溫度、高壓級吸氣溫度、排氣溫度、油溫、油壓差、能級、高壓內(nèi)容積比、總運(yùn)行時(shí)間及實(shí)時(shí)時(shí)間等參數(shù)。

2.5 雙機(jī)雙級與單機(jī)帶經(jīng)濟(jì)器的綜合比較

雙機(jī)雙級與單機(jī)帶經(jīng)濟(jì)器的綜合比較見表1。

2.6 機(jī)組配套液化器擴(kuò)容增能技術(shù)

將原有一直沿用的140 L/h液化能力液化器增容擴(kuò)能為180 L/h，確保液化器液化能力與現(xiàn)有液氯產(chǎn)能相匹配，甚至高于現(xiàn)有液氯產(chǎn)能。

表1 雙機(jī)雙級帶經(jīng)濟(jì)器綜合比較Tab.1 Comprehensive comparisoon of two machine two-stage belt economizer

3 經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算

3.1 節(jié)約電量費(fèi)用

在滿足制冷量要求的情況下，雙機(jī)雙極機(jī)組制冷量有15%富余量。公司現(xiàn)有冷凍機(jī)投入二次液化后，三臺(tái)冷凍機(jī)運(yùn)行，2萬t金屬鈉擴(kuò)建項(xiàng)目自投產(chǎn)至今都是一臺(tái)冷凍機(jī)運(yùn)行。現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行電流三線為300 A，二線三臺(tái)運(yùn)行總電流為800 A。

因此，按照380 V電壓運(yùn)行時(shí)功率計(jì)算公式：

P=UI×0.83/1.72

三線年用電量8 000 h×300×0.83/1.72=116萬kW·h

公司年用電量8 000 h×800×0.83/1.72=309萬kW·h

較現(xiàn)有冷凍系統(tǒng)節(jié)約電量193萬kW·h，按1 kW·h電0.5元計(jì)算，單臺(tái)機(jī)組1 a可節(jié)約電費(fèi)96.5萬元。

3.2 尾氣處理堿液節(jié)約費(fèi)用

每月節(jié)約液堿8 t～10 t(以最低用量8 t/月計(jì))；液堿費(fèi)用2 700元/t；8 t/月×2 700元/t=2.16萬元，年節(jié)約費(fèi)用12×2.16=26萬元。

3.3 節(jié)約總費(fèi)用

此項(xiàng)目實(shí)施后，年節(jié)約費(fèi)用為122.5萬元。

4 結(jié)論

本著公司降本增效，節(jié)能減耗的理念，對冷凍液化機(jī)組進(jìn)行了大膽的創(chuàng)新和應(yīng)用，機(jī)組的投入使用，實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能的大目標(biāo)，也減少了尾氣產(chǎn)生量，降低了尾氣處理成本及處理難度。此次應(yīng)用成果對金屬鈉行業(yè)甚至氯氣行業(yè)生產(chǎn)具有重要的指導(dǎo)意義，可操作性強(qiáng)，在推動(dòng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，提高金屬鈉生產(chǎn)工藝控制技術(shù)，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，促進(jìn)同行業(yè)可持續(xù)發(fā)展做出了突出的貢獻(xiàn)。