金立武，于开录，韩洋洋，岳 强

（中国船舶集团有限公司，第七一八研究所，河北 邯郸056027）

0 引 言

氮气在舰船应用广泛，但高压气瓶数量较多，占据较多舱室空间。将氮气进行液化和储存，会节约舱室资源。在舰船环境中，采用空气循环制冷工艺，将氮气冷凝为液氮，具有较高的可靠性和操作性。由于空气循环制冷氮气液化流程未在舰船应用，尚不掌握系统运行规律与控制方法的问题，在这种情况下，仿真模拟具有一定指导意义。本文采用ASPEN HYSYS软件，对氮气液化过程进行动态模拟，掌握系统设计与不同工况下的运行规律，形成系统控制方案与调试方法。

1 液化流程简介

空气循环工艺中，空气循环和氮气液化独立运行，互不干扰。循环压缩机启动后，空气压力提高到0.7～0.9 MPa，进入冷箱。压缩气体首先在主换热器被返流的低温空气冷却到-120～-150℃，随后进入透平膨胀机的膨胀端，压力降至约0.03 MPa，温度降至约-190℃。低温气体依次返回液化器和主换热器，为氮气冷却和液化提供冷量。复温后气体返回到循环压缩机入口，再次进行循环。

氮气液化工艺中，氮气进入主换热器，被返流气体冷却到-120～-150℃，随后在液化器中被-190℃气体冷却到约-175℃。氮气在该温度下完全冷却为液氮，过冷约3℃；液氮随后节流减压到储存压力0.4 MPa，进入气液分离器，下面的液氮作为产品最后送入液氮储罐中，上面蒸发的氮气复热后排空。液氮S14与氮气S0的比值定义为液化率。

空气循环氮气液化流程如图1所示。

图1 空气循环制冷氮气液化流程示意图Fig.1 The schematic diagram of nitrogen liquefaction by air refrigerating cycle

动态仿真结构图如图2所示。

图2 动态仿真流程图Fig.2 The flowchart of dynamic simulation

通过增加PID控制器（FIC-100、IC-101和PIC-100等）和相应的控制面板，修改氮气流量、温度、压力等设定值，模拟液氮的流量、温度、压力、液化率等随时间变化的规律。

2 动态仿真结果

2.1 降温过程

基于上述模型，通过动态仿真，可以得到氮气液化中各股物料的流量和温度随时间的变化过程。

氮气出液化器的温度变化曲线如图3所示。

图3 氮气出液化器的温度变化Fig.3 The temperature variations of liquid nitrogen at liquefier

由图3可见，设备启动后，氮气温度逐渐降低，并且在110 min后到达液化温度约175℃，这个参数与氮气液化样机实测降温时间接近。

由于舰船上氮气液化装置的运行受液氮消耗量制约，只能间歇运行。在这种情况下，采用空气循环制冷的氮气液化工艺能够在2 h以内完成启动，符合舰船使用要求。

2.2 氮气变化工况

2.2.1 氮气流量波动

氮气液化系统在达到平衡以后，如果氮气的流量、压力和温度发生变化，将对液氮的产量和液化率产生影响。

当氮气入口流量从额定产量的325 kg/h降低时，由于空气循环提供的冷量富裕，氮气液化率开始上升；另一方面，虽然氮气入口流量减少，但是液氮节流后的液体产量仍然保持稳定。当氮气入口流量下降到275 kg/h以下后，氮气液化率达到并稳定在100%；而液氮产量也开展逐渐降低。

氮气流量波动与液化率和液氮流量关系如图4所示。

图4 氮气流量波动与液化率和液氮流量关系Fig.4 The influence of nitrogen flowrate on the liquid nitrogen production and the liquefaction rate

当氮气入口流量。从额定产量的325 kg/h增加时，由于空气循环提供的冷量不足，氮气液化率和液氮产量逐渐降低。

2.2.2 氮气温度波动

氮气温度波动与液化率和液氮流量关系如图5所示。

图5 氮气温度波动与液化率和液氮流量关系Fig.5 The influence of nitrogen temperature on the liquid nitrogen production and the liquefaction rate

由图5可见，氮气入口温度从30℃降低时，液化需要的冷量降低，液氮产量和氮气液化率同时都上升；氮气入口温度增加时，液氮产量和氮气液化率同时都降低。由于氮气入口温度变化带来的冷量变化较低，因此液氮产量和氮气液化率的波动幅度较小。

2.2.3 氮气压力波动

氮气压力波动与液化率和液氮流量关系如图6所示。

图6 氮气压力波动与液化率和液氮流量关系Fig.6 The influence of nitrogen pressure on the liquid nitrogen production and the liquefaction rate

由图6可见，氮气入口压力从0.9 MPa降低时，氮气冷凝温度降低，需要的冷量增加，因此液化率和液氮流量同时都下降；氮气入口压力增加时，液化率和液氮流量同时都提升，因此提高压力有利于氮气液化。

3 结 语

由以上分析可以看出，空气循环制冷氮气液化工艺具有较低的降温时间，适合舰船场合的间歇运行工况。氮气的流量、温度和压力都会影响液氮产量和氮气液化率。从仿真结果来看，氮气流量最大，其次是氮气压力，氮气温度的影响几乎可以忽略不计。因此在实际操作过程中，需要时刻注意氮气流量和压力的波动，保证氮气液化的生产稳定。