LNG衛(wèi)星站冷能制冰工藝優(yōu)化及模擬分析①

況岱坪 董事爾 楊沖偉 黃泳碩 楊小博

(1.西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院) (2.上海昆侖新奧清潔能源股份有限公司) (3.中國石油集團東南亞管道有限公司)

LNG衛(wèi)星站冷能制冰工藝優(yōu)化及模擬分析①

況岱坪1董事爾1楊沖偉2黃泳碩3楊小博1

(1.西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院) (2.上海昆侖新奧清潔能源股份有限公司) (3.中國石油集團東南亞管道有限公司)

在現(xiàn)有的利用LNG衛(wèi)星站冷能制冰的技術(shù)中，由于LNG氣化量隨季節(jié)及各時段用氣量不同有很大的波動，會出現(xiàn)LNG氣化量與冰的需求量不匹配的問題，且制冰量不穩(wěn)定。針對這一問題，提出了一種新的聯(lián)合制冰工藝，該工藝把利用相變冷媒(R410A)與LNG換熱制冰的方法和蒸氣壓縮式制冷循環(huán)相結(jié)合，并采用天然氣發(fā)動機為壓縮機提供動力。除了能解決以上問題，還可緩解電力燃氣的季節(jié)不平衡性。運用HYSYS軟件對該工藝進行了模擬分析，并確定了該工藝的關(guān)鍵運行參數(shù)，模擬結(jié)果表明：氣化量為2×104～10×104m3/d的小型LNG衛(wèi)星站，日制冰量約為127 t，相比用普通的制冰方法制取相同的冰最多每天可節(jié)約7 332 kW的能量。若按每100 kg冰塊8元的批發(fā)價計算，年毛收入可達370.36萬元，經(jīng)濟效益非?？捎^。

LNG衛(wèi)星站 冷能利用 制冰工藝 HYSYS模擬 相變冷媒

LNG是在低溫下以液態(tài)形式存在的天然氣，儲存溫度通常為-162 ℃。LNG衛(wèi)星站則是一種小型的LNG接收和氣化站，通常建設(shè)在遠離中心城市的衛(wèi)星城市，站內(nèi)LNG經(jīng)汽化加臭后直接送入城市管網(wǎng)供民用、商用和工業(yè)用，是天然氣氣源的二級氣源站[1]。當1 t LNG在一個大氣壓力下由-162 ℃氣化為常溫時，能釋放出約230 kWh的冷量，對于一個氣化量為10×104m3/d的小型LNG衛(wèi)星站，可利用冷功率近1 MW, 每年折合電能約為數(shù)百萬度, 可節(jié)省近千萬度的制冷電能[2]。隨著我國LNG產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展，LNG衛(wèi)星站如雨后春筍般建立起來，目前已建成的多達200多個[3]。對于LNG衛(wèi)星站冷能利用的研究已涉及發(fā)電[4]、空分[5]、食品冷凍[6]、空調(diào)[7]及梯級利用[8-9]等方面。冰，因其市場需求量大，在食品、空調(diào)、醫(yī)療、電子、建筑、運輸?shù)刃袠I(yè)應(yīng)用廣泛，且制冰的工藝流程簡單，技術(shù)成熟，投資少，占地小且地域限制低等，特別適合小型LNG衛(wèi)星站的冷能利用。然而，將LNG冷能用于制冰的研究則較少，僅在部分文獻[2, 10]和書籍[11]中有所提及，且國內(nèi)直到2012年才有了此類專利[12]。雖然文獻[13]對LNG衛(wèi)星站冷能用于制冰的方案進行了設(shè)計和分析，但仍有很多問題沒能有效解決，其中包括冷媒的選擇、氣化量季節(jié)性不均勻帶來的問題等。因此，LNG冷能制冰值得進一步深入研究。

1 LNG衛(wèi)星站冷能用于制冰的工藝優(yōu)化

1.1 現(xiàn)有工藝流程及其存在的問題

圖1為現(xiàn)有的利用LNG衛(wèi)星站冷能制冰的工藝流程[13]。因小型LNG衛(wèi)星站主要負責(zé)城市天然氣的供應(yīng)，所以其氣化量隨季節(jié)及各時段用氣量不同波動很大。冬季和白天的天然氣需求量大，所以可供利用的LNG冷量也大；夏季和夜晚的天然氣需求量小，可以利用的LNG冷量也相應(yīng)減小[11]。但是，夏季的冰需求量卻很大，冬季的冰需求量則較小。因此，該工藝流程在運行過程中會存在LNG氣化量與冰的需求量不匹配的問題，且制冰量不穩(wěn)定。雖然在專利[12]和文獻[13]中都采用了低溫冷媒儲罐來減少氣化量不均勻帶來的影響，但因冷媒儲罐不可能做得太大，其只能解決氣化量的小時不均勻性或周不均勻性，對于氣化量季節(jié)性不均勻帶來的問題一直沒能很好解決。

1.2 優(yōu)化后工藝流程

圖2為優(yōu)化后LNG衛(wèi)星站冷能用于制冰的工藝圖。LNG儲罐中的LNG經(jīng)LNG泵1后分為A、B兩股，兩股的流量分配由調(diào)節(jié)閥2、5確定，B股經(jīng)空氣加熱型汽化器3汽化后，再經(jīng)調(diào)壓器4調(diào)壓后進入城市燃氣管網(wǎng)；A股在LNG換熱器7中與氣態(tài)混合制冷劑R410A換熱，換熱后送入空氣加熱型汽化器6升溫，再與汽化器3汽化后的天然氣匯合進入城市燃氣管網(wǎng)。

在LNG換熱器7中與LNG換熱后的R410A將變?yōu)橐簯B(tài)，溫度降為-35～-28 ℃，然后將液態(tài)R410A送入低溫冷媒儲罐8中，再由離心泵9增壓至0.6～0.8 MPa后經(jīng)調(diào)壓閥10調(diào)壓為0.36～0.48 MPa，調(diào)壓后的R410A和節(jié)流閥18節(jié)流后的R410A匯合，匯合之后進入制冰設(shè)備11中與水換熱，水凝結(jié)為冰，再將冰以塊冰或片冰的形式產(chǎn)出。

在制冰設(shè)備11中與水換熱后的R410A將變?yōu)闅鈶B(tài)，溫度升高為-16～-10 ℃，壓力為0.3～0.45 MPa，氣態(tài)R410A將分為C、D兩股，兩股的流量分配由調(diào)節(jié)閥12、13確定。C股經(jīng)過調(diào)節(jié)閥12后再次進入LNG換熱器7中與LNG換熱，構(gòu)成循環(huán)；D股經(jīng)過調(diào)節(jié)閥13后進入壓縮機14，壓縮后壓力為1.7～2.5 MPa，再進入換熱器16中與冷卻水換熱，換熱后的R410A液化為25～40 ℃的液體，液化后的R410A將送入常溫冷媒儲罐17中，再經(jīng)節(jié)流閥18節(jié)流后與調(diào)壓閥10調(diào)壓后的R410A匯合進入制冰設(shè)備11，構(gòu)成循環(huán)。節(jié)流閥18節(jié)流后的R410A的壓力與調(diào)壓閥10調(diào)壓后的R410A的壓力相同。

將調(diào)壓器4調(diào)壓后的常溫天然氣引一小部分，由調(diào)壓器19調(diào)壓至適合天然氣發(fā)動機的壓力，再送入天然氣發(fā)動機15作為燃料。天然氣發(fā)動機15為壓縮機14提供動力。

如圖2所示，本工藝流程的創(chuàng)新之處在于把利用相變冷媒(R410A)與LNG換熱制冰的方法和蒸氣壓縮式制冷循環(huán)相結(jié)合，并采用天然氣發(fā)動機為壓縮機提供動力，能很好地解決LNG衛(wèi)星站的氣化量與冰的需求量之間不匹配的問題。在夏季，利用富余的天然氣作為天然氣發(fā)動機的燃料帶動壓縮機制冷補充不足的冷量，可解決夏季LNG氣化量小而冰需求量大的矛盾；在冬季，LNG氣化量大，只利用R410A與LNG換熱制冰就可滿足冰的需求量；在過度季節(jié)，則盡量利用LNG氣化時的冷量，當冷量不足時則開啟蒸氣壓縮式制冷循環(huán)以補充不足的冷量。

2 工藝模擬分析

2.1 工藝模型建立

本文選擇的是氣化量為2×104～10×104m3/d的小型LNG衛(wèi)星站。采用HYSYS軟件進行工藝模擬分析，建立了工藝流程模擬圖(見圖3)。

結(jié)合不同季節(jié)氣化量波動的特性，選擇了氣化量分別為2×104m3/d、5×104m3/d、8×104m3/d和10×104m3/d的4種典型工況。為了便于各工況能耗的對比分析，本文將冬季氣化量為10×104m3/d時只利用LNG冷能制冰的制冰量作為每種工況的冰需求量。LNG組分選用國內(nèi)某LNG氣源組分，其摩爾分數(shù)分別為：甲烷91.17%,乙烷7.03%,丙烷1.26%,異丁烷0.16%,正丁烷0.21%,異戊烷0.01%，氮0.16%。LNG的存儲溫度為-159 ℃，壓力為0.2 MPa，經(jīng)LNG換熱器汽化后的LNG溫度設(shè)定為-18 ℃。壓縮機絕熱效率為75%，選用R410A作為冷媒。計算中，LNG和R410A的物性包分別為Peng-Robinson和PRSV。

2.2 運行參數(shù)模擬分析

2.2.1 蒸發(fā)溫度對壓縮機能耗的影響

由于實際工程中一般都通過調(diào)節(jié)物流5的壓力來控制蒸發(fā)溫度，所以筆者通過改變物流5的壓力來進行分析。結(jié)果表明(見圖4)，壓縮機能耗隨蒸發(fā)溫度(物流5溫度)的升高而降低?？紤]到制冷劑在制冰換熱器中的溫差要求，最終選擇0.42 MPa作為節(jié)流閥節(jié)流后(物流5壓力)的設(shè)計壓力。

2.2.2 冷凝溫度對壓縮機能耗的影響

模擬結(jié)果表明(見圖5)，壓縮機能耗隨冷凝溫度(物流9溫度)的升高而升高，所以應(yīng)盡量降低冷凝溫度。但由于冷凝溫度受冷凝方式和環(huán)境溫度的影響非常大，并不能設(shè)計得太低。本文參照國內(nèi)某大型制冰機生產(chǎn)商的設(shè)備選型和設(shè)計資料，選用蒸發(fā)式冷凝器作為物流9的冷卻設(shè)備，并根據(jù)其運行參數(shù)，最終將冷凝溫度設(shè)計為35 ℃。

2.2.3 冷媒與LNG換熱后的溫度對壓縮機能耗及冷媒流量的影響

由模擬結(jié)果可見(見圖6)，LNG換熱后的溫度(物流2溫度)對壓縮機能耗基本沒有影響，隨著物流2溫度的上升，冷媒流量(物流5流量)會有增加，但其增加量并不大。又因物流2 的溫度直接影響管道和冷媒儲罐的保溫成本，所以本文將物流2的溫度設(shè)計為-30 ℃。

2.3 模擬結(jié)果分析

本工藝流程關(guān)鍵運行參數(shù)模擬結(jié)果見表1。從表1可以看出，隨著LNG氣化量的增加，冷媒R410A的總流量(物流5)和進入壓縮機的流量(物流7)都在降低，而流經(jīng)LNG換熱器的冷媒量(物流1)則有較大的增加。在氣化量不斷變化的情況下，為達到相同的制冰量(即相同的制冰換熱量)，本工藝主要是通過調(diào)節(jié)物流1和物流7的流量來實現(xiàn)。

表1 工藝關(guān)鍵運行參數(shù)模擬結(jié)果Table1 Simulationresultsofprocesskeyoperatingparameters參數(shù)名稱氣化量/(m3·d-1)2×1045×1048×10410×104t1(R410A)/℃-15-15-15-15p1(R410A)/MPa0.370.370.370.37q1(R410A)/(kg·h-1)1924480976959618t4/℃-29.72-29.72-29.72-29.72p4/MPa0.420.420.420.42q4/(kg·h-1)1924480976959618t5/℃-19.13-19.14-19.15-29.72p5/MPa0.420.420.420.42q5/(kg·h-1)1475212827109029618t7/℃-15-15-15-p7/MPa0.370.370.37-q7/(kg·h-1)12829801832070t9/℃353535-p9/MPa2.162.162.16-q9/(kg·h-1)12829801832070t10/℃-19.13-19.13-19.13-p10/MPa0.420.420.42-q10/(kg·h-1)12829801832070制冰換熱量/kW711.6711.6711.6711.6壓縮機能耗/kW253.7158.563.420

3 工藝能耗的理論分析

結(jié)合模擬結(jié)果對新工藝的能耗進行了理論分析，其結(jié)果見表2。其中，qLNG為LNG的氣化量；m1為只利用LNG冷能部分制取冰(將30 ℃的水制成-10 ℃的冰)的冰量；W1為用普通制冰方法制取和m1相同冰量所需的能耗；m2為每種工況下的冰需求量(計劃制冰量)；W2為該工藝中壓縮機的能耗；COP值是該工藝中壓縮制冷循環(huán)制冰量(m2-m1)所吸收的能量與W2的比值，即能耗比；qNG為天然氣發(fā)動機的天然氣消耗量。理論分析中，根據(jù)國內(nèi)某LNG氣源組分，該天然氣的低位熱值為40.67 MJ/m3。根據(jù)文獻[14]對天然氣發(fā)動機熱效率的研究，本工藝天然氣發(fā)動機熱效率選為35%。

表2 工藝能耗的理論分析結(jié)果Table2 Theoreticalanalysisresultsoftheprocessenergyconsumption工況qLNG/(m3·d-1)m1/(kg·h-1)W1/kWm2/(kg·h-1)W2/kWCOP值qNG/(m3·h-1)12×104105761.15285253.702.24464.1625×1042642152.75285158.502.24440.1038×1044228244.4528563.422.24416.04410×1045285305.552850-0

從表2可以看到，對于氣化量為2×104～10×104m3/d的小型LNG衛(wèi)星站，采用本工藝可以制冰5 285 kg/h，日制冰量約為127 t，相比用普通的制冰方法制取相同的冰最多每天可節(jié)約7 332 kW的能量。年毛收入按目前每100 kg冰塊8元的批發(fā)價，日制冰量為127 t的情況計算，可達370.36萬元。

以工況1為例，壓縮制冷循環(huán)的制冰量為4 228 kg/h(m2-m1)，天然氣消耗量為64.16 m3/h，天然氣價格按每標方3.25元計算，則每天的氣費為5 004.48元。按國內(nèi)某大型制冰機生產(chǎn)廠商提供的能耗資料，平均每產(chǎn)1 t冰的日耗電量為80～85 kWh。若采用電制冰方法制取相同量的冰，即每天101 t，按每噸日耗電量為82 kWh計算，每天的用電量為8 282 kWh，電價取0.65元/ kWh，則每天的電費為5 383.3元?？梢姡竟に嚪桨赶啾扔秒娭票姆椒?，經(jīng)濟效益較明顯，所以采用天然氣發(fā)動機為壓縮機提供動力是經(jīng)濟可行的。如果將圖2中空氣加熱型汽化器6改為水浴式汽化器，用來預(yù)冷制冰用的水，則本工藝的能耗會更低，經(jīng)濟效益會更好，其具體能達到多大的效果還有待進一步研究。

另外，在氣化量不斷變化的情況下，本工藝方案相比電制冷更容易調(diào)節(jié)制冷量,且使用的是站內(nèi)的天然氣，不僅可以降低電力增容等費用，還可以緩解電力燃氣的季節(jié)不平衡性。

4 結(jié) 論

(1) 在現(xiàn)有的利用LNG衛(wèi)星站冷能制冰的技術(shù)中，存在著LNG氣化量與冰的需求量不匹配的問題，筆者把利用相變冷媒(R410A)與LNG換熱制冰的方法和蒸氣壓縮式制冷循環(huán)相結(jié)合，設(shè)計了一套新的工藝流程，能很好解決這一問題。

(2) 對不同運行參數(shù)進行模擬分析后得出：該工藝中壓縮機能耗隨蒸發(fā)溫度的升高而降低，冷凝溫度的升高而升高；并且冷媒(R410A)與LNG換熱后的溫度對壓縮機能耗基本沒有影響。

(3) 氣化量為2×104～10×104m3/d的小型LNG衛(wèi)星站，日制冰量約為127 t，年毛收入可達370.36萬元，經(jīng)濟效益非常可觀。

(4) 用天然氣發(fā)動機為壓縮機提供動力，并使用站內(nèi)天然氣作為發(fā)動機燃料，不僅可以降低電力增容等前期投資費用，還可以緩解電力燃氣的季節(jié)不平衡性。

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Process optimization and simulation of ice-making utilizing cold energy from LNG satellite station

Kuang Daiping1, Dong Shier1, Yang Chongwei2, Huang Yongshuo3, Yang Xiaobo1

(1.SchoolofCivilEngineeringandArchitecture,SouthwestPetroleumUniversity,Chengdu610500,Sichuan,China; 2.ShanghaiKunlunENNCleanEnergyCo.,Ltd,Shanghai200235,China; 3.SoutheastAsiaPipelineCo.,Ltd,Beijing100028,China)

Owing to the vaporizing quantity of LNG changing a lot in different seasons and times, some problems occur in the existing ice-making process by utilizing cold energy from LNG satellite station, including the mismatch between LNG vaporizing quantity and ice requirement, with the unstable output of ice-making. To solve these problems, a novel associated ice-making process was proposed. This process combines the ice-making method of utilizing cold energy from LNG with phase transition refrigerant (R410A) and the vapor compression refrigeration cycle, adopting natural gas engine to provide the power for compressor. In addition to solve the above problem, the new process also can alleviate the seasonal imbalance of electricity and gas. Simulations were carried out with the process software HYSYS, and the key operational parameters of the new process have been determined. The simulation results show that the output of ice-making is about 127 t for the small LNG satellite station that vaporizing quantity is 20×103-100×103m3/d. Compared with the ordinary ice-making method, the new process can save energy up to 7 332 kW per day. If the wholesale price of ice is 8 yuan per 100 kg, the annual gross income will amount to 3 703 600 yuan. The new process has considerable economic benefit.

LNG satellite station, cold energy utilization, ice-making process, HYSYS simulation, phase transition refrigerant

況岱坪(1987-)，男，重慶涪陵人，西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院在讀碩士研究生，主要從事液化天然氣應(yīng)用技術(shù)方面的研究。E-mail：kuangdaiping@163.com。地址：(610500)四川省成都市新都區(qū)新都大道8號西南石油大學(xué)明志樓A525辦公室。

TE626.7

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2014.02.007

2013-11-01；

2014-01-13;編輯：康 莉