制冷技術革命與冷凝法油氣回收技術的發展
摘 要:介紹了20世紀后期制冷技術革命性的進步，及其對冷凝法油氣回收技術發展的推進作用，分析了冷凝法油氣回收技術的優勢和對生產廠家的要求。
關鍵詞:制冷技術,油氣回收,冷凝法
《儲油庫大氣污染物排放標準》（GB20950-2007）對“油氣回收處理裝置”的定義是：“通過吸附、吸收、冷凝、膜分離等方法將發油過程產生的油氣進行回收處理的裝置”。冷凝方法是諸多油氣回收處理技術中的一種。
2 0世紀中后期，我國曾引進了日本C H I T O S E & CO,MARUZEN Eineering Incorporation公司的溶液吸收油氣回收處理裝置、美國McGILL公司的活性炭吸附油氣回收處理裝置、美國EDWARDS公司冷凝法油氣回收處理裝置。三種不同工藝的裝置，運用結果大相庭徑。 80年代，原商業部中國石油公司（現在的中石化銷售公司）從國外引進了冷凝法、吸收法、吸附法的油氣回收處理裝置各一套，分別在天津、上海、太原的油庫使用。但由于多種原因，未能推廣普及。只有冷凝法的裝置在1998年9月由天津調撥到鎮海煉油廠，至今運行使用情況很好。
1 制冷技術在20世紀后期取得革命性進步
2007年在北京舉行的第22屆國際制冷大會上的《制冷學科研究與發展報告》指出，“制冷技術是20世紀對人類社會影響最大的科學技術成就之一”。2000年，美國工程院歷時半年，組織30多家美國職業工程協會，以“改變人類生活方式、推動社會生產發展、提高人類生活質量”為標準，評選了20世紀影響最大的20項工程技術成就。結果，制冷技術排名第10位，排在了高速公路、航天技術、因特網、核技術等前面。制冷技術不但使“空調制冷技術成為人們的健康、運輸、食品保鮮的不可缺少的設施。人們可以在地球上最冷和最熱的地方工作和生活”，而且推動了許多尖端科學技術的研究和發明。
制冷技術在20世紀后期的革命性發展，可從以下方面來認知。
1.1 制冷壓縮機的革新提高了能效比，性能系數上升到1.5左右
制冷壓縮機可稱為制冷系統的心臟，對制冷技術的發展有決定性的作用。制冷壓縮機由電動機和壓縮機兩部分組成。其革新的主要措施有改進工藝設計、選用優質材料、提高加工精度。
（1）電動機的改進
選用特低鐵損和高磁通新型硅鋼片做電機鐵芯，加大沖片橫截面，退火處理定子沖片，自扣工藝組合轉子，定子線圈采用手工下線并提高滿槽率，嚴格控制轉子定子之間的氣隙。
（2）壓縮機的改進
引入有限元法計算機模擬輔助設計，采取零件優化、加工優化、結構尺寸優化等多項工藝措施，加強硬度、減小摩擦系數，滑動部件間隙精確到幾微米。采用高轉速電動機和變頻技術使壓縮機運轉速度從1440r/min提高到3000r/min，或變頻調速到10,000r/min。提高壓縮機排量、縮小壓縮機體積、降低壓縮機運行工況電耗，從而提高壓縮制冷效率。50匹比澤爾活塞式半封閉壓縮機只有長795mm、寬452mm、高445mm，體積減小一半多。能耗的減少如比澤爾S6F-30.2Y壓縮機,在制冷溫度為-50℃時（用R404A,制冷量17.42kW)，電機名義功率 22kW，實際運行功率13.42kW，實際運行功率比名義功率小8.58kW。壓縮機性能系數COP普遍得到提升，有的從不足1.0上升到1.5～1.7。
1.2 新型制冷劑提高了制冷劑單位質量制冷量，滿足環保節能要求
制冷劑按組成成分可分為單一制冷劑和混合制冷劑。新型環保制冷劑屬于混合制冷劑。單一制冷劑只含一種化合物，其熱物理性能參數恒定不變；混合制冷劑是由兩種或兩種以上的制冷劑組成的混合物，混合比例可改變其熱物理性能參數。混合制冷劑又分為共沸混合制冷劑和非共沸混合制冷劑。共沸混合制冷劑如R500、 R502、R503、R507等；非共沸混合制冷劑如R404A、 R407A、R407B、R407C、R410A、R410C等。使用非共沸混合制冷劑，能顯著降低制冷系統的能耗，如： R22/R114（50/50）非共沸混合制冷劑取代R22，制冷系數提高25%。再如：使用比澤爾4G-30.2壓縮機的制冷溫度為-5℃時，使用R22的制冷量為60kW，使用R404A的制冷量為66.5kW。同樣的設備、同樣的能耗，制冷量增加6.5kW，提高約11%。新型環保制冷劑以其環保性、可靠性、節能性和替代現有制冷劑方便的特點，已得到廣泛認可。
1.3 智能、穩定、安全、可靠的自控技術實現了操作的升級換代
制冷工藝屬于熱工技術，系統內冷凝和蒸發的配置在不同壓力和溫度等條件下運行，與地理、氣候、壓縮機和制冷劑的選型、裝置系統的制造質量等因素都有密切關系，其動態變量和受控點較多，需要在嚴密監控和頻繁調節的狀態下運行。過去由于受機械工業技術水平的局限，壓縮機溫度、壓力等的調節器件自動化程度不高，在較長的歷史階段，裝置的狀態調試和運行調節比較繁瑣，要求操作人員具有較高的技能和豐富經驗。因此給人留下“冷凝法油氣回收處理裝置操作太麻煩”的印象。
隨著現代科技的發展，廣泛應用計算機技術和智能化控制器件，冷凝法油氣回收處理裝置的自動化程度已達到相當高的水平。具體表現為：
（1）高性能自控器件的應用，完善了穩定工作狀態的自動調節系統。如：溫度控制器、壓力控制器、電子噴液器、安全保護監控，數據檢測及變送、數據傳輸及調節，從檢測到判斷直至發出控制指令，完全實現智能化自控。
（2）PLC技術能夠自動做好程序控制，實現無人值守、運行參數傳輸、遠程控制。
（3）變頻器控制技術可有效提高壓縮機能效系數，變頻調速高達1萬r/min。改變壓縮機運轉速度提高壓縮機排量進而提高制冷效率，屬于技術含量較高的產品。智能、穩定、安全、可靠的自動化控制技術，將復雜技術簡單化，解除了人的繁重勞動，實現了冷凝法油氣回收處理裝置的操作和運行管理的升級換代。
2 冷凝法在油氣回收技術工藝中的優勢
冷凝法油氣回收處理的技術優勢，得益于近三十年來制冷技術的進步。
2.1 冷凝技術工藝最適合石油產品的性質
原油是由分子大小和化學結構不同的烴類和非烴類組成的復雜混合物，從原油中提煉成品油的基本工藝是蒸餾。蒸餾時將原油的液體混合物加熱，讓輕組分氣化并將其導出進行冷凝，使其輕重組分得到分離。無論是兩段氣化流程（常壓蒸餾和減壓蒸餾）還是三段氣化流程（包括原油初餾、常壓蒸餾和減壓蒸餾），都是依據石油的熱性質，按照不同氣化溫度進行分段切割。從原油加工最基本的方法“加熱蒸餾”到油氣處理的冷凝法“去熱凝結”，都經過“受熱氣化—降溫液化”的工序，冷凝法油氣回收技術原理則是在成品油儲運環節，重復著“氣化—液化”的過程，使油蒸氣發生相變，從氣態回到液態，完成對油氣的回收處理。所以，冷凝法處理油氣的技術原理與原油加工的技術原理是一致的，對于油氣的熱性質、遷移特性來說，最適合采用冷凝法處理。
2.2 冷凝法回收汽油的餾分優于汽油原指標
冷凝法工藝的特點是簡明直接、不需二次工藝處理，回收的汽油不會混入其他雜質成分，餾分優于原汽油指標。吸附法、膜法等工藝的油氣回收處理技術，采用噴淋吸收的二次工藝處理富集和提濃的油氣，難免會影響回收汽油的餾分指標。表1為原汽油餾分與回收汽油餾分的比較（當地大氣壓：102.33kPa）。
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2.3 冷凝法油氣回收處理的單位能耗最低
隨著制冷技術革命性的進步，壓縮機新型產品體積縮小、排量提高、能耗減少，新型制冷劑增加了單位質量制冷量，提高了制冷系統能效比，降低了冷凝法處理每立方米油氣的配置功率指標（見表2）。
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從表2可見，冷凝法處理油氣的單位能耗為0.225～ 0.27kW·h/m3。特別要說明的是：因為制冷壓縮機的實際運行功率只是配置功率的85%～90%，實際的工況能耗比表2中的數據還要低。冷凝法與其他方法的單位能耗（kW·h/m3）比較見表3。
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3 發揮制冷技術優勢推進冷凝法油氣回收技術的發展
在四種油氣回收技術方法中，冷凝法的安全防爆技術措施要求提高、凝結器結構設計及制作的技術難度增大。冷凝法處于油氣回收技術的高端。
3.1 冷凝法裝置的安全防爆技術措施要求提高
油氣回收處理裝置的應用場合是煉油廠、石油成品油庫、加油站等，屬于具有可燃可爆氣體的危險環境。因此，產品設計必須執行國家防火防爆規范，裝置制造必須符合防火防爆的技術標準、設備出廠必須通過國家防爆電氣產品質量監督檢驗中心檢測合格并頒發《防爆合格證》。
冷凝法油氣回收處理裝置在低溫狀態下處理油氣，油氣通過的凝結器是非電構件，工藝本身具有較高安全系數。但冷凝法油氣回收工藝與其他的油氣回收技術工藝的明顯差別是采用的電氣原件非常多。一臺三級降溫的冷凝法油氣回收處理裝置，采用數千只零部件，大的如制冷壓縮機，小的如溫度探頭。如果對每一個元件都要求防爆，不但成本劇增，而且有的元件從技術上就很難做到防爆（如大屏幕觸摸屏）。采用正壓房間防爆方式，對上千個電氣元件集中防爆，是成熟的防爆技術。但正壓房間內機組多，控制柜多層結構，強電弱電線纜重疊，儀表種類繁雜，因此要保證強電弱電線纜及各類儀表分箱分道、保證機房內正壓均衡、防止監測可燃氣體濃度和正壓壓力出現“死角”等，都比其他技術工藝的裝置要求更高。要以防爆電氣標準為準繩，以煉油廠及儲油庫系統曾經發生過的教訓為經驗，完善設計、嚴格制作，確保防爆安全的可靠性。
3.2 凝結器結構設計及制作的技術難度增大
冷凝法的基本原理是對油氣進行降溫，使油氣從氣相轉變為液相。油庫向火車油罐、汽車油罐、油輪油艙灌裝油品時，置換出來的油氣源源不斷地輸送入油氣回收處理裝置內。這些油氣不可能囤積存留在在油氣回收處理裝置內，像空調房間那樣關窗閉門慢慢降溫。要保證發油的流轉速度，油氣處理的過程與發油灌裝油品的過程必須做到兩個同時，即：發油鶴管開始發油的同時啟動對油氣的冷凝處理，發油灌裝結束的同時完成對油氣的降溫處理。要精確計算和設計冷凝油氣的換熱器（冷箱）結構，以及符合氣液相平衡特性和油氣遷移特性的油氣流轉路徑，保證油氣相變有足夠的換熱負荷，流轉過程不會對發油系統管道產生阻力。
3.3 發揮制冷技術優勢，加快冷凝法油氣回收技術的進展
冷凝法油氣回收處理裝置的制造，涉及電氣自動化、結構、儀表、焊接、制冷、精加工等多個工種技術。在生產流程中，不乏細節決定成敗的案例。油氣回收設備廠家應加大研發投入，努力提高企業素質，在油氣回收處理裝置生產過程各個環節中做到質量控制、型式檢測、整機技術指標考核等手段齊全，設計制造出更完美的冷凝法油氣回收處理裝置，以向用戶提供質量優異的油氣回收產品。
（本文作者來自江蘇中川通大環保設備制造有限公司）
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