外行学空分（272）一一开式热泵一膨胀制冷液化的工艺方案和工艺参数的优化（总结）

Yb2021

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  空分装置由空气开式热泵精馏和空气开式热泵一膨胀制冷液化两部分构成（内压缩是空分装置的一个附加功能），其中空气开式热泵精馏是空分装置的核心部分，而空气开式热泵一膨胀制冷液化是空分装置的必要组成部分。空分装置气体产品的能耗水平由空气开式热泵精馏和空气开式热泵一膨胀制冷液化的效率共同决定。
  I: Y. x. D3 J8 X/ Z    影响空气开式热泵精馏效率的因素除了设备性能参数（压缩机的等温效率），实际工程条件（正返流阻力，换热温差，散冷损失）外，关健的因素是供冷供热开式热泵的形式（直接开式热泵还是一拖二或一拖三开式热泵），单热泵还是双热泵及多热泵工艺方案，有关这部分的内容可以参阅关于热泵精馏相关的帖子。
     空气开式热泵一膨胀制冷液化虽然是空分装置的必要组成部分，是空分装置开式热泵精馏启动，实现冷量平衡（本质上是深冷液体平衡）稳态化运行的必要前提条件，当然也可以制取液体产品。但却是一个可以单独进行的热力学过程，例如空分原理中的空气压缩和液化就是以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷液化过程，其产品是常压液空。影响空气开式热泵一膨胀制冷液化效率除了空气的物性，设备性能参数及实际工程条件外，关健的因素是空气开式热泵一膨胀制冷液化的工艺方案及工艺参数，就工艺方案而言，有液空节流减压和液体膨胀机膨胀减压的不同，运用涡轮增压和不运用涡轮增压的不同，就工艺参数而言，有用于液化的空气压力及用于膨胀制冷空气的压力。现在将空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案和工艺参数优化的内容总结如下。
    一，空气开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案有液空节流减压和液体膨胀机膨胀减压两个不同的工艺方案，相对于液空节流减压工艺方案，采用液空液体膨胀机膨胀减压工艺方案可以提高空气开式热泵一膨胀制冷液化效率3%-5%！
    二，用于液化的空气压力优化的工艺参数是空气的临界压力38bar（空气38bar，氮气45bar），高于空气临界压力和低于空气临界压力均会显著影响空气开式热泵一膨胀制冷液化效率，其中低于空气临界压力影响更大！
    三，膨胀制冷循环工质的压力理论上是越高越好，但随着压力的提高，正返流阻力对膨胀制冷效率的影响趋于减少，膨胀制冷循环工质压力6bar时，正返流阻力使膨胀制冷效率降低5%，36bar时正返流阻力使膨胀制冷效率降低2.5%！其重要性低于用于液化空气压力，同时也需要考虑其它的各种因素，目前膨胀机是所谓喷嘴式膨胀机，实际是两级膨胀，膨胀比一般在10以内。用于膨胀制冷空气压力在5-6bar（涡轮增压前）是合适的，不会对膨胀制冷效率产生显著影响。
2 y' s7 w/ g/ N8 L* h    四，在设备性能参数一一空气压缩机（包括压力空气增压机），涡轮增压机等温效率70%，膨胀机绝热效率85%及极限工程条件（无散冷损失，无换热温差，无正返流阻力损失）下，采用液空液体膨胀机膨胀减压工艺方案，空气开式热泵一膨胀制冷液化效率低于35%但非常接近此数值！在设备性能参数，空气压缩机（包括压力空气增压机），涡轮增压机等温效率80%，膨胀机绝热效率90%及极限工程条件（无散冷损失，无换热温差，无正返流阻力损失）下，采用液空液体膨胀机膨胀减压工艺方案，空气开式热泵一膨胀制冷液化效率非常接近50%！
6 G1 l# t. M, r      五，工艺参数对空气开式热泵一膨胀制冷液化效率影响极大，其中最关健的在于用于液化的空气压力。以空气为循环工质的开式热泵一膨胀制冷装置为例，设备性能参数，空压机，涡轮增压机，压力空气增压机等温效率70%，膨胀机绝热效率85%，空压机出口压力6bar，换热温差2K，正返流阻力损失0.1bar，散冷损失1.0焦耳每标准立方米空气。空气液化率4%-5%，对应空气液化单耗1.1-1.3KWh每标准立方米液空。空气开式热泵一膨胀制冷液化效率在20%-25%之间。如果采用空压机加增压机工艺方案，空压机出口压力保持6bar不变，另将10%左右的6bar压力空气增压至36bar（和空气临界压力38bar仍有差距）用于液化，则在同样设备性能参数及工程条件下，空气液化率可以达到8%-9%，对应空气液化单耗0.8-0.9KWh每标准立方米液空，开式热泵一膨胀制冷液化效率30%-33%！
    六，双塔流程标准工艺方案（即所谓全低压工艺方案）中空气开式热泵一膨胀制冷液化效率佷低，而所谓双膨胀工艺方案（当然不是全低压工艺方案）中的空气开式热泵一膨胀制冷液化效率则非常接近于优化的开式热泵一膨胀制冷液化工艺方案，两者之间的空气开式热泵一膨胀制冷液化效率相差很大！这其实是空分装置能耗核算扣除值无法取得共识的根本原因。