一种油气液化回收用换热器性能试验台及其试验方法与流程

1.本发明涉及一种油气换热器性能试验台，更具体是涉及一种油气液化回收用换热器性能试验台及其试验方法。


背景技术：

2.原油在运输及码头装船作业中产生高浓度、大处理量的油气排放，不仅造成巨大的经济损失，而且导致海洋及码头周边地区环境污染，给生产、生活带来潜在安全隐患。不同的原油产地，原油的成份存在一定的差异，首先，其含硫量、含腊量不一样，其油气的各种烃类的含量是不相同的，在同一温度下挥发的速率也是不同的，其含硫量、含腊量和不同的烃类成份和挥发速率，对回收处理装置的技术要求就不相同。通过冷凝法对油气进行液化是处理油气的一种主要方法，油气在换热器内与制冷剂进行热交换，使油气的温度下降从而液化回收；而换热器是冷凝法的重要部件，是决定油气冷凝正常工作的重要保证，其性能参数指标是直接影响油气液化回收的重要依据，因此设计热工水力性能良好的换热器对整个油气液化回收具有重要的意义。
3.在voc有机废气的回收和净化工艺中，冷凝回收工艺是重要的回收工艺，而在冷凝回收工艺中，热交换器是必不可少的设备。原油油气中含氮气及c1至c5的烃类成份较多，而由于甲烷也属于污染严重的温室气体，其常压下的液化温度达到了
‑
161.5℃。在油气回收的工艺装置中，早期所使用的换热器，主要是用翅片式壳管换热器。但由于其体积大、不耐腐蚀等原因，很快被淘汰。板式换热器有着很多优点，比如结构紧凑、使用灵活、适用性很广、清冼和维修方便，能精确的控制换热温度等优点，应用范围十分广泛，所以在一些voc冷凝回收工艺中常采用板式热交换器。但传统的板式热交换器也存在着许多缺点,如:它的密封面周边太长，渗漏的可能性大，承压能力低，使用温度受到密封垫材料耐热性能的限制不易过高，流道狭窄，易堵塞，处理流量小，流动阻力大等。所以，开发油气冷凝液化回收用换热器性能测试平台，获得油气液化回收系统的末级低温换热器选型、设计及校核的原始数据，设计高效可靠的末级低温换热器具有重要意义。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的技术问题，提供一种测量精确、实验工况稳定的油气液化回收用换热器性能试验台。
5.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现：
6.一种油气液化回收用换热器性能试验台，包括油气液化回收系统、复叠式制冷系统、液氮供冷系统。
7.所述的油气液化回收系统包括油气前级处理系统、低温换热器测试系统。所述的油气前级处理系统由原料气罐1出口采用管道依次连接第一气动调节阀2，活性炭吸附罐3，一级换热器4油气侧进口a
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1，并由一级换热器4油气侧出口a
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2采用管道依次连接第一气液分离器5，二级换热器6油气侧进口d
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1构成；所述的第一气液分离器5下端出口连接储液罐
12。所述的低温换热器测试系统由二级换热器6油气侧出口d
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2采用管道依次连接第二气液分离器7，电加热器9，试验换热器11，第一复温器13，第二气动调节阀14构成；第二气液分离器7下端出口与储液罐12相连，第二气液分离器7和电加热器9之间接有一分支管路，管路上设置针阀8，在电加热器9前段管道和第一复温度器13前段管道上并联连接有旁通管，旁通管上设置旁通调节阀10。
8.所述的复叠式制冷系统包括一级制冷循环、二级制冷循环、三级制冷循环。所述的一级制冷循环由一级压缩机15出口通过管道依次连接风冷冷凝器16，一级热力膨胀阀17，蒸发
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冷凝器18一级制冷剂进口h
‑
1，并由蒸发
‑
冷凝器18一级制冷剂出口h
‑
2通过管道连接一级压缩机15进口构成闭合环路；所述的二级制冷循环由二级压缩机19出口通过管道连接蒸发
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冷凝器18二级制冷剂入口i
‑
1，并由蒸发
‑
冷凝器18二级制冷剂出口i
‑
2通过管道依次连接二级热力膨胀阀20，一级换热器4二级制冷剂侧进口b
‑
1，再由一级换热器4二级制冷剂侧出口b
‑
2通过管道和二级压缩机19进口连接构成闭合环路；所述三级制冷循环由三级压缩机21出口通过管道和一级换热器4三级制冷剂侧进口c
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1连接，并由一级换热器4三级制冷剂侧出口c
‑
2通过管道依次连接三级热力膨胀阀22，二级换热器6三级制冷剂侧进口e
‑
1，再由二级换热器6三级制冷剂侧出口e
‑
2通过管道和三级压缩机21进口连接构成闭合环路。
9.所述的液氮供冷系统由液氮储罐23出口通过管道依次连接第三气动调节阀24，试验换热器11液氮侧进口g
‑
1，并由试验换热器11液氮侧出口g
‑
2通过管道与第二复温器25连接。
10.进一步优选方案，所述的电磁调节阀2与活性炭吸附罐3连接的管道上还依次设置有第一流量计100，第一压力传感器101；所述的一级换热器4的油气侧出口a
‑
2和第一气液分离器5之间的管道上设置有第一温度传感器102；所述的二级换热器6油气侧出口d
‑
2连接的管道上设置有第二温度传感器103；所述的电加热器9与试验换热器11连接的管道上依次设置有第二压力传感器104和第三温度传感器105；试验换热器11油气侧进出口f
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1和f
‑
2两端并联有旁通管道，管道上设置有第一压差传感器106，所述的试验换热器11油气侧出口f
‑
2连接的管道上设置有第四温度传感器107；所处的第二气动调节阀14之后的管道上依次设置有第二流量计108和第五温度传感器109。
11.进一步优选方案，所述的第三气动调节阀24与试验换热器11液氮侧进口g
‑
1之间的管道上依次设置有第三压力传感器110和第六温度传感器111；试验换热器11液氮侧进出口g
‑
1和g
‑
2两端并联有旁通管道，管道上设置第二压差传感器112，并且出口g
‑
2的管道上设置有第七温度传感器113，所述第二复温器25之后连接的管道上设置有第二流量计114。
12.进一步优选方案，所述的油气液化回收系统、液氮供冷系统和试验换热器11油气侧进出口f
‑
1，f
‑
2、试验换热器11液氮侧进出口g
‑
1，g
‑
2采用可拆卸柔性连接。
13.进一步优选方案，所述的一级制冷循环制冷剂为：丙烷或r22；二级制冷循环制冷剂为：r23或r744；三级制冷循环制冷剂为：乙烯或r14。
14.进一步优选方案，所述针阀8管路出口还依次连接有取样袋115，气相色谱仪116，取样袋115中的气体通过气相色谱仪116检测标定。
15.进一步优选方案，所述试验换热器11可采用管式换热器或板式换热器，并且其表面通过液氮浸泡冷却。
16.进一步优选方案，所述的油气液化回收系统，复叠式制冷系统，液氮供冷系统的各
连接管路、设备均设有保温层。
17.本发明的一种油气液化回收用换热器性能试验台的试验方法，包括如下步骤：
18.步骤一：首先启动一级压缩机15，二级压缩机19，三级压缩机21，此时通过一级热力膨胀阀17，二级热力膨胀阀20，三级热力膨胀阀22节流减压得到低温低压的一级制冷循环制冷剂，二级制冷循环制冷剂，三级制冷循环制冷剂；
19.步骤二：打开第三气动调节阀24，液氮储罐23内的液氮通过自增压系统泵出，通过试验换热器11实现换热，随后处于气液混合物状态的氮气在第二复温器25加热到常温后排空；
20.步骤三：打开第一气动调节阀2和第二气动调节阀14，原料气罐1内油气通过自增压系统向输气管道输送油气，此时油气首先通过活性炭吸附罐3进行除水，接着干燥的油气经过一级换热器4冷却至
‑
75℃，油气中高沸点的重烃组分通过第一气液分离器5分离，剩余未被冷凝的低沸点油气经过二级换热器6冷却至
‑
103.9℃，经过第二气液分离器7将冷凝下来的油气中碳2以上的重烃组分分离，剩余未被分离的油气经过电加热器9加热到所需试验工况的条件，进入试验换热器11进行换热，冷凝下来的油气与从旁通管路上的油气一起通过第一复温器13加热到常温后排空。
21.进一步优选方案，步骤二是通过监测第七温度传感器113信号，调节第三气动调节阀24使试验换热器11氮气出口温度处于沸点温度，保障试验换热器11冷端温度恒定。
22.进一步优选方案，步骤三是通过监测第一压力传感器101信号，调节第一气动调节阀2和第二气动调节阀14的开度，达到试验换热器11所需的压力。
23.进一步优选方案，步骤三是通过监测第三温度传感器105信号，反馈给电加热器9并提供补偿热量，从而达到试验换热器11所需的入口温度条件；通过第一气动调节阀2的主流路流量调节，及旁通阀10的支路流量调节，提供试验换热器11所需的流量条件。
24.与现有技术相比，本发明具有的优点和有益效果为：
25.1、本发明的试验台可以模拟油气经过多级分离后的运行实际工况，真实试验低温末级换热器在油气液化回收的热工水力性能。
26.2、本发明的换热器试验台能针对组分复杂多变的非共沸混合物——挥发性voc油气，在不同的气体组分、入口过热度、压力、流量等范围内综合测试末级换热器的冷凝液化性能。
27.3、本换热器试验台实验工况运行稳定，测试精度高，可换装多种结构类型的低温换热器实现性能测试，所得性能数据可为油气液化回收系统的末级低温换热器选型、设计及校核提供原始数据，并为多变组分的油气分级液化回收系统提供数据支撑。
附图说明
28.图1是本发明实施例的系统构造示意图；
29.图中附图标记说明：1、原料气罐，2、第一气动调节阀，3、活性炭吸附罐，4、一级换热器，5、第一气液分离器，6、二级换热器，7、第二气液分离器，8、针阀，9、电加热器，10、旁通阀，11、试验换热器，12、储液罐，13、第一复温器，14、第二气动调节阀，15、一级压缩机，16、风冷冷凝器，17、一级热力膨胀阀，18、蒸发
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冷凝器，19、二级压缩机，20、二级热力膨胀阀，21、三级压缩机，22、三级热力膨胀阀，23、液氮储罐，24、第三气动调节阀，25、第二复温器，
30.100、第一流量计，101、第一压力传感器，102、第一温度传感器，103、第二温度传感器，104、第二压力传感器，105、第三温度传感器，106、第一压差传感器，107、第四温度传感器，108、第二流量计，109、第五温度传感器，110、第三压力传感器，111、第六温度传感器，112、第二压差传感器，113、第七温度传感器，114、第二流量计，115、取样袋，116、气相色谱仪。
具体实施方式
31.为了使本领域的普通技术人员能更好的理解本发明的技术方案，下面将根据附图对本发明的具体实施方式进行清楚、完整的描述。
32.如图1所示，一种油气液化回收用换热器性能试验台，包括油气液化回收系统、复叠式制冷系统、液氮供冷系统。
33.所述的油气液化回收系统包括油气前级处理系统、低温换热器测试系统。所述的油气前级处理系统包括原料气罐1，第一气动调节阀2，活性炭吸附罐3，一级换热器4，第一气液分离器5；所述的原料气罐1出口连接第一气动调节阀2，第一流量计100设置在第一气动调节阀2之后，用于检测输入油气系统的油气总流量，第一压力传感器101设置在第一流量计100和活性炭吸附罐3之间，用于检测活性炭吸附罐3进口端的压力和第一气动调节阀2进行连锁控制使输送油气系统的压力保持在设定值，活性炭吸附罐3的顶端与一级换热器4的油气侧进口a
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1连接，第一温度传感器102设置在一级换热器4的油气侧出口a
‑
2和第一气液分离器5之间，用于监测一级换热器4油气侧出口a
‑
2的温度，第一气液分离器5下端出口与储液罐12相连。所述的低温换热器测试系统包括二级换热器6，第二气液分离器7，针阀8，电加热器9，旁通调节阀10，试验换热器11，储液罐12，第一复温器13，第二气动调节阀14；所述的二级换热器6油气侧进口d
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1与第一气液分离器5出口连接，第二温度传感器103与二级换热器6油气侧出口d
‑
2连接，用于监测二级换热器6油气侧出口d
‑
2的温度，第二气液分离器7设置在第二温度传感器103和电加热器9之间，第二气液分离器7和电加热器9之间接有一分支管路，管路上设置针阀8，第二气液分离器7下端出口与储液罐12相连，电加热器9后依次连接第二压力传感器104和第三温度传感器105，用于监测油气进入试验换热器11的压力和温度，试验换热器11连接在电加热器9之后，第一压差传感器106设置在试验换热器11油气侧进出口f
‑
1和f
‑
2两端，用于检测油气在试验换热器10流动后的压降，第四温度传感器107设置在试验换热器11油气侧出口f
‑
2出口处，用于检测油气在试验换热器10换热后的温度，第一复温器13设置在第四温度传感器107和第二气动调节阀14之间，在电加热器9前和第一复温器13前连接旁通管，旁通管上设置旁通调节阀10，在第二气动调节阀14后依次连接第二流量计108和第五温度传感器109，用于检测排入大气的油气的流量和温度。
34.所述的复叠式制冷系统包括一级制冷循环、二级制冷循环、三级制冷循环。所述的一级制冷循环包括一级压缩机15，风冷冷凝器16，一级热力膨胀阀17，蒸发
‑
冷凝器18；所述的风冷冷凝器16设置在一级压缩机15出口和一级热力膨胀阀17之间，用于将从一级压缩机15出来的高温高压气态制冷剂冷凝为液体状态，蒸发
‑
冷凝器18的蒸发流体侧进出口h
‑
1和h
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2分别与一级热力膨胀阀17和一级压缩机15入口连接。所述的二级制冷循环包括二级压缩机19，蒸发
‑
冷凝器18，二级热力膨胀阀20，一级换热器4；所述的二级压缩机19进口与一级换热器4的二级制冷循环制冷剂侧出口b
‑
2连接，所述一级换热器4用于二级制冷循环工
质和三级制冷循环工质及油气之间的热交换，二级压缩机19出口和蒸发
‑
冷凝器18的冷凝流体侧入口i
‑
1连接，二级热力膨胀阀20设置在蒸发
‑
冷凝器18和一级换热器4之间。所述三级制冷循环包括三级压缩机21，一级换热器4，三级热力膨胀阀22，二级换热器6；所述的三级压缩机21进口与二级换热器6的三级制冷循环制冷剂侧出口e
‑
2连接，所述二级换热器6用于三级制冷循环工质和油气之间的热交换，三级压缩机21出口和一级换热器4的三级循环制冷剂侧进口c
‑
1连接，三级热力膨胀阀22设置在一级换热器4和二级换热器6之间。
35.所述的液氮供冷系统包括液氮储罐23，第三气动调节阀24，试验换热器11，第二复温器25；所述的液氮储罐23出口连接第三气动调节阀24，试验换热器11液氮侧进出口g
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1和g
‑
2分别与第三气动调节阀24和第二复温器25连接，第三压力传感器110和第六温度传感器111依次设置在试验换热器11的液氮侧进口g
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1处，用于检测进入试验换热器11液氮的压力和温度，试验换热器11的液氮侧出口g
‑
2设置有第七温度传感器113，用于检测在试验换热器11流出的氮气的温度，试验换热器11液氮侧进出口g
‑
1和g
‑
2两端连接有压差传感器112，用于检测液氮在试验换热器11换热后的压降，第二流量计114设置在第二复温器25之后，用于检测氮气的流量。
36.所述的油气液化回收系统、液氮供冷系统、和试验换热器11采用可拆卸柔性连接。
37.所述的一级制冷循环制冷剂为：丙烷或r22；二级制冷循环制冷剂为：r23或r744；三级制冷循环制冷剂为：乙烯或r14。
38.所述针阀8管路出口还依次连接有取样袋115，气相色谱仪116，取样袋115中的气体通过气相色谱仪116检测标定。
39.所述试验换热器11可采用管式或板式类型，并且其表面通过液氮浸泡冷却。
40.所述的油气液化回收系统，复叠式制冷系统，液氮供冷系统的各连接管路、设备均设有保温层。
41.该实施例的具体试验方法，具体步骤为：
42.步骤一、启动一级压缩机15，二级压缩机19，三级压缩机21，此时一级循环制冷剂丙烷在风冷冷凝器16与外界环境换热，再经过一级热力膨胀阀17节流减压成低温低压的状态；二级制冷循环制冷剂r23在蒸发
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冷凝器18内与低温低压的丙烷换热，再经过二级热力膨胀阀20节流减压成低温低压的状态；三级制冷循环制冷剂乙烯在一级换热器4内与低温低压的r23换热，再经过三级热力膨胀阀22节流减压成低温低压的状态进入二级换热器6；从蒸发
‑
冷凝器18，一级换热器4，二级换热器6流出的丙烷，r23，乙烯再次进入一级压缩机15，二级压缩机19，三级压缩机21重复循环。
43.步骤二、根据第二流量计114所示流量调节第三气动调节阀24直至达到所需试验流量，液氮储罐23内的液氮通过自增压系统泵出，通过试验换热器11实现换热，随后处于气液混合物状态的氮气在第二复温器25加热到常温后排空。
44.步骤三、根据第二流量计108所示流量调节第二气动调节阀14直至达到所需试验流量，并打开第一气动调节阀2，原料气罐1内的油气通过自增压系统向输气管道输送油气，此时油气首先通过活性碳吸附罐3分离水分，接着干燥的油气经过一级换热器4与低温低压的r23换热，通过第一传感器102检测一级换热器4油气侧出口温度使油气温度降低至
‑
75℃，油气中高沸点的重烃组分冷凝，并通过第一气液分离器5分离回收至储液罐12，剩余未被冷凝的低沸点油气经过二级换热器6与低温低压的乙烯换热，通过第二传感器103检测二
级换热器6油气侧出口温度使油气温度降低至
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103.9℃，油气中碳2以上的重烃组分被冷凝，并通过第二气液分离器7分离回收至储液罐12，剩余未被分离的油气经过电加热器9加热到所需要试验工况的条件，进入试验换热器11与液氮供冷循环工质液氮进行换热，冷凝下来的油气与旁通管路上的油气一起通过第一复温器13加热到常温后排空。
45.其中，步骤二是通过监测第七温度传感器113信号，调节第三气动调节阀24使试验换热器11氮气出口温度处于沸点温度，保障试验换热器11冷端温度恒定。
46.步骤三是通过监测第一压力传感器101信号，调节第一气动调节阀2和第二气动调节阀14的开度，达到试验换热器11所需的压力。通过监测第三温度传感器105信号，反馈给电加热器9并提供补偿热量，从而达到试验换热器11所需的入口温度条件；通过第一气动调节阀2的主流路流量调节，及旁通阀10的支路流量调节，提供试验换热器11所需的流量条件。
47.在试验换热器11的油气侧设置的第二压力传感器104，第三温度传感器105，第四温度传感器107，第一压差传感器106和液氮侧上第三压力传感器110，第六温度传感器111，第七温度传感器113，第二压差传感器112可以实时监测试验时工况运行的状态，进而可获得换热器试验所需要的数据，对换热器的性能分析提供支撑。