LCNG加氣站冷能回收系統(tǒng)性能分析

徐世龍，王付木，林文勝*

（1-上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-中國石化銷售有限公司河南石油分公司，河南鄭州 450016）

LCNG加氣站冷能回收系統(tǒng)性能分析

徐世龍*1，王付木2，林文勝**1

（1-上海交通大學(xué)制冷與低溫工程研究所，上海 200240；2-中國石化銷售有限公司河南石油分公司，河南鄭州 450016）

在由液化天然氣轉(zhuǎn)化為壓縮天然氣（LCNG）的加氣站中，液化天然氣（LNG）經(jīng)過泵加壓后，進(jìn)入氣化器升溫為壓縮天然氣（CNG），此過程的冷能通常被直接釋放到空氣中，造成浪費(fèi)。本文提出了一種適用于LCNG加氣站的冷能利用裝置，采用耐高壓的繞管式換熱器，以乙二醇水溶液為載冷劑的單級(jí)循環(huán)系統(tǒng)，將冷能傳遞給下游的蓄冰槽裝置，最終冷能用于加氣站的空調(diào)系統(tǒng)。文中分析選取了流程中的關(guān)鍵參數(shù)，并利用HYSYS軟件模擬。根據(jù)模擬與市場調(diào)研的數(shù)據(jù)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，進(jìn)一步證明了系統(tǒng)的可行性。

加氣站；冷能利用；天然氣；蓄冰槽；經(jīng)濟(jì)性分析

0 引言

當(dāng)今世界的能源市場正在發(fā)生著巨大變化，能源結(jié)構(gòu)不斷調(diào)整，其中煤炭石油比重下降，可再生能源和非常規(guī)化石燃料以及天然氣的比重在不斷提高，總體能源需求量仍在持續(xù)攀升。根據(jù)BP世界能源展望預(yù)測(cè)，到2035年[1]，全球一次性能源消費(fèi)將會(huì)增長37%，化石燃料將滿足三分之二的新增能源需求，而天然氣作為增長最快和最清潔的化石燃料，其滿足的需求增量將是煤炭和石油的總和。中國作為當(dāng)今世界上最大的能源消費(fèi)國、生產(chǎn)國和凈進(jìn)口國，其能源結(jié)構(gòu)也在經(jīng)歷著舉世矚目的變革，大力發(fā)展天然氣產(chǎn)業(yè)是順應(yīng)改革趨勢(shì)，符合市場與環(huán)境需求的合理選擇。

天然氣可用在發(fā)電、工業(yè)、民用燃?xì)?、交通等多方面，其中交通業(yè)是使用天然氣增長最快的行業(yè)。在中國，天然氣汽車進(jìn)入市場較晚，但在環(huán)境保護(hù)和政府支持的大背景下，天然氣汽車產(chǎn)業(yè)的成長十分迅速。截至2014年底，我國天然氣汽車保有量已達(dá)459.9萬輛，加氣站近7,000座，均居世界第一[2]。其中CNG汽車占總體比例90%以上，有近80%為“油改氣”的CNG汽車，其技術(shù)相對(duì)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，再加上氣價(jià)相對(duì)低廉，使得在早期的中國天然氣汽車市場得以迅速發(fā)展。隨著液化天然氣技術(shù)的不斷提高，LNG汽車儲(chǔ)氣量大，加氣時(shí)間短，安全性高的優(yōu)勢(shì)日漸突出，同時(shí)，LNG加氣站具有不受管網(wǎng)限制、占地較小、運(yùn)行成本低的特點(diǎn)[3]，同樣備受青睞。如果以槽車運(yùn)輸?shù)腖NG為原料，通過泵加壓并加熱氣化為CNG儲(chǔ)存銷售，則成為新型的由液化天然氣轉(zhuǎn)化為壓縮天然氣（LCNG）的加氣站。該氣站具有原料來源便攜和占地成本小的優(yōu)勢(shì)，并結(jié)合我國CNG汽車保有量較高的國情，在中國很有發(fā)展?jié)摿4]。

在已建成的LCNG加氣站中，其運(yùn)行方式如下：槽車運(yùn)輸LNG至加氣站儲(chǔ)罐，而后LNG經(jīng)過低溫泵加壓至25 MPa，通過氣化器升溫至常溫后進(jìn)入CNG儲(chǔ)罐，該過程中約有870 kJ/kg的冷能被直接排放到空氣中。以一個(gè)日均加注10,000 Nm3CNG的加氣站來說，每天直接浪費(fèi)的冷能就會(huì)有6.5×106kJ，若將這一部分冷能回收利用起來，將會(huì)有很好的節(jié)能效益和經(jīng)濟(jì)效益。

傳統(tǒng)LNG的冷能利用方式有：冷能發(fā)電及CO2回收[5-6]，空氣分離[7-9]，輕烴分離及回收[10-11]等。這些利用方式主要適用于LNG接收站或衛(wèi)星站，LNG流量相對(duì)穩(wěn)定，可回收冷量大。但由于LCNG加氣站占地較小，氣化量不穩(wěn)定，再加上LNG轉(zhuǎn)化CNG存在超高壓段，使得傳統(tǒng)的冷能利用方式不能適用，且之前的研究也很少涉及到LCNG加氣站冷能回收應(yīng)用裝置方面的內(nèi)容。因此本文將在該部分展開相應(yīng)的研究，提出合理利用LCNG加氣站冷能的流程方案。

1 流程設(shè)計(jì)

1.1 主要限制

與傳統(tǒng)的冷能回收裝置相比，LCNG加氣站冷能回收的限制主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：首先，氣化量的不穩(wěn)定性。在LCNG加氣站中，LNG到CNG的轉(zhuǎn)化不是時(shí)刻進(jìn)行，這與槽車加注頻率、CNG銷售量有直接的關(guān)系，這種不穩(wěn)定性加大了利用冷能的難度，必須先將其轉(zhuǎn)化成可持續(xù)利用的方式。其次，若想利用冷能必須有適當(dāng)?shù)膿Q熱器提供交換冷量的場所，而LNG溫度在?162 ℃，CNG需要保持在25 MPa的狀態(tài)，目前極少有小型換熱器可以承載如此低溫和超高壓，因此需要尋找符合這種特殊工況形式的換熱器。最后，LCNG加氣站一般規(guī)模不大，占地有限，同時(shí)考慮到投資和維護(hù)成本，整個(gè)冷能利用裝置應(yīng)該緊湊簡潔。此外，還要充分考慮冷能的利用方式，盡量應(yīng)用在加氣站內(nèi)，使得整個(gè)冷能回收系統(tǒng)更加實(shí)用可行。

1.2 解決措施

將間斷的冷能轉(zhuǎn)變?yōu)榭沙掷m(xù)利用的冷能，最切實(shí)可行的方式就是選取合適的相變儲(chǔ)能材料（PCM），將冷能儲(chǔ)存后再加以利用。相變儲(chǔ)能材料的選取一方面要從安全性考慮，要保證其低腐蝕性、低毒性及低可燃性。另一方面，為了配合下游用冷設(shè)備，最好選擇較為常見性價(jià)比高的儲(chǔ)能材料。陳秋雄等[12]和李曼等[13]在LNG衛(wèi)星站及冷藏車的冷能回收的研究中，將冷能通過循環(huán)流程傳遞到蓄冰槽內(nèi)，利用水作相變材料儲(chǔ)存冷能。而冰蓄冷的方式同樣適用LCNG加氣站的冷能回收，不僅滿足上述安全性要求，而且冰蓄冷設(shè)備在市場較為常見，設(shè)備定制采購相對(duì)容易，此外，冰蓄冷所得到的冷水可以直接用于LCNG加氣站的空調(diào)設(shè)備，可減少LCNG站需冷用電，實(shí)用節(jié)能。因此在本設(shè)計(jì)中，采用冰蓄冷的方式將冷量儲(chǔ)存并利用。

換熱器在整個(gè)系統(tǒng)中起著十分關(guān)鍵的作用，是實(shí)現(xiàn)冷能傳遞的場所。傳統(tǒng)的CNG加氣站選擇的是空溫式氣化器，此類型氣化器只有高壓管程，沒有殼程，冷能被直接釋放到空氣中，無法實(shí)現(xiàn)冷能的回收利用。因此需要選擇適合在LCNG加氣站，可以在高壓低溫工況下工作的換熱器。在已知的換熱器類型里，滿足LCNG加氣站冷能回收工況的換熱器主要有U型管換熱器和繞管式換熱器，這兩種換熱器都可在管程內(nèi)走高壓低溫的流體工質(zhì)，管自身的彎曲可以很好地克服壓力和溫度巨大變化產(chǎn)生的形變。根據(jù)市場調(diào)研，U型管換熱器一般都是應(yīng)用在較大型的換熱設(shè)備中，而繞管式換熱器在大中小型設(shè)備中均有應(yīng)用，且相同換熱量下，繞管式換熱器占地要小于U型管換熱器。在換熱效率上，繞管式換熱器也略高于U型管換熱器。因此，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中選用的是繞管式換熱器[14-15]。

LCNG加氣站由于占地和投資資金有限，冷能回收系統(tǒng)要盡量簡潔緊湊。因此，冷能回收系統(tǒng)流程應(yīng)該在單級(jí)循環(huán)和二級(jí)循環(huán)中選擇。對(duì)于目的僅在于冷量回收的系統(tǒng)來說，單級(jí)循環(huán)的優(yōu)勢(shì)十分明顯，換熱器、載冷劑儲(chǔ)罐、泵及蓄冰槽就構(gòu)成了一套循環(huán)，較少的設(shè)備不僅減少初始投資以及維護(hù)相對(duì)簡便，而且循環(huán)中冷量散失也少于復(fù)雜系統(tǒng)，因此選取單級(jí)循環(huán)將冷量傳遞到蓄冰槽內(nèi)，系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 冷能利用裝置示意圖

2 流程參數(shù)

根據(jù)前面設(shè)計(jì)的流程，下面開始進(jìn)行流程模擬和參數(shù)設(shè)置。模擬依靠的是HYSYS軟件，它是一款化工流程動(dòng)態(tài)模擬軟件，可以幫助設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)概念上的模擬并簡化流程。首先根據(jù)設(shè)計(jì)的示意圖在HYSYS中畫出模擬流程，然后對(duì)基本工質(zhì)進(jìn)行選取，流程中有3種工質(zhì)，分別是LNG、載冷劑和水。模擬中采用某典型LNG組分，見表1。

中間循環(huán)的載冷劑選擇標(biāo)準(zhǔn)是流動(dòng)性和安全性，在保證中間循環(huán)暢通的同時(shí)還要盡量滿足低毒性、低可燃性和低腐蝕性。載冷劑分為相變和無相變兩類，由于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是便于控制和維護(hù)的開式系統(tǒng)，因此需選用非相變載冷劑。常見的有氨水、鹽水、乙二醇水溶液等，其中乙二醇水溶液是較常選作與蓄冰槽設(shè)備搭配的工質(zhì)。

表1 天然氣組分

如表2所示，乙二醇水溶液的凝固點(diǎn)先是隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而下降，當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到70%時(shí)，凝固點(diǎn)達(dá)到最低點(diǎn)?65 ℃。其后凝固點(diǎn)隨質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而升高?？梢?，高濃度的乙二醇水溶液可以很好地滿足本流程對(duì)載冷劑的要求，凝固點(diǎn)低不易凍堵，安全性好，能很好地匹配蓄冰槽設(shè)備。除了考慮凝固點(diǎn)外，還應(yīng)該考慮到載冷劑的流動(dòng)性，確保其循環(huán)通暢。乙二醇水溶液的粘度隨著質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而增大，而同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乙二醇水溶液，其粘度隨溫度降低而增大，其關(guān)系可見圖2。

表2 乙二醇水溶液凝固質(zhì)量分?jǐn)?shù)關(guān)系

圖2 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乙二醇水溶液粘度隨溫度的變化關(guān)系

根據(jù)雷諾數(shù)Re可判斷管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)，光滑管道流體的雷諾數(shù)在1,600～2,100，其中流體的粘度不宜超過50 mPa·s，在這樣的前提下凝固點(diǎn)越低，效果越好。因此模擬中選用50%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的乙二醇水溶液作為載冷劑。

根據(jù)所設(shè)計(jì)的流程選取參數(shù)，選取標(biāo)準(zhǔn)如下：

1）設(shè)定LNG在儲(chǔ)罐中的壓力保持在0.12 MPa，其對(duì)應(yīng)的飽和溫度為-159.8 ℃，組分如表1所示。典型CNG加氣站每天的加氣量在10,000 Nm3到15,000 Nm3，換算成LNG的體積大概在每天16.7 m3～25.0 m3，為了便于計(jì)算和分析，本設(shè)計(jì)選取的流量為每天24.0 m3，且假設(shè)24 h持續(xù)工作。但在實(shí)際情況中，LNG氣化成CNG的流量一定是不穩(wěn)定的，白天的流量較大，夜間流量減小甚至停止工作，因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可以簡單統(tǒng)計(jì)每天各個(gè)時(shí)段氣化流量，人工調(diào)整冷量回收裝置循環(huán)的大小，在本設(shè)計(jì)中只是作簡化處理；

2）設(shè)低溫泵的效率為75%，LNG經(jīng)低溫泵加壓到25 MPa；

3）換熱器的效率主要由換熱器類型和制造工藝決定，根據(jù)常見的繞管式換熱器使用效果估算，換熱效率可達(dá)90%，壓降在50 kPa以內(nèi)；

4）設(shè)換熱器管程段出口CNG的溫度為-8 ℃。原因是冷源經(jīng)過換熱后，溫度越高說明被回收的冷量越多，但由于下游是采用冰蓄冷設(shè)備回收冷能，限定了冷源的出口溫度不能過高，一般要在0 ℃以下；另一方面，一般的換熱器生產(chǎn)廠家會(huì)以-10 ℃作為低溫設(shè)備和常溫設(shè)備的溫度分界標(biāo)準(zhǔn)，低溫設(shè)備需要采用耐低溫材料并進(jìn)行低溫測(cè)試，使其價(jià)格遠(yuǎn)高于常溫設(shè)備。綜合考慮設(shè)備成本和換熱效果，出口溫度設(shè)定在-8 ℃左右較為適合；

5）換熱器端乙二醇水溶液的出口溫度受其凝固點(diǎn)限制，溫度越低，單位體積所能吸收的冷能越多。由前面的比較選出質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%，并為保證其流動(dòng)性，經(jīng)過換熱器出口的溫度不宜低于-30 ℃；蓄冰槽端乙二醇溶液的出口溫度一般設(shè)置在-5 ℃～-3 ℃，與水換熱效果最佳；

6）離心泵保證乙二醇水溶液循環(huán)的正常運(yùn)行即可，無需高壓；考慮到實(shí)際管路中有許多閥門和彎角，將其產(chǎn)生的壓降（20 kPa）設(shè)置在蓄冰槽上；

7）設(shè)進(jìn)水溫度為常溫15 ℃，在蓄冰槽出口處為冰水混合物，溫度為0 ℃，且由于HYSYS軟件無法計(jì)算固液比，因此給定水流量為100 kmol/h，手動(dòng)計(jì)算出冰水相應(yīng)比例；

8）模擬采用的是PR方程，其余所有參數(shù)均由HYSYS自行計(jì)算。

表3 HYSYS模擬冷能回收系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析

通過市場調(diào)查，對(duì)冷能回收裝置主要設(shè)備的成本進(jìn)行了投資概算，統(tǒng)計(jì)的對(duì)象是用于冷能回收而新增設(shè)備，具體費(fèi)用如下。

新增的設(shè)備及工質(zhì)包括換熱器、低溫泵、蓄冰槽、乙二醇工質(zhì)及循環(huán)泵等，根據(jù)多家廠家對(duì)比得到設(shè)備報(bào)價(jià)為：換熱器8萬元，低溫泵4萬元，蓄冰槽2萬元，乙二醇工質(zhì)及循環(huán)泵1萬元，其他小型設(shè)備和零件1萬元，總計(jì)需要投資16萬元。

裝置運(yùn)行費(fèi)用包括電費(fèi)、人工費(fèi)用及維護(hù)成本等，每年大約需要2萬元，整套設(shè)備的生命周期在10年左右。此外，LCNG冷能回收這樣的回收裝置是屬于能源整合利用的創(chuàng)新項(xiàng)目，很有可能得到政府的補(bǔ)貼支持，成本可能會(huì)進(jìn)一步降低。

前面提到，LCNG冷能回收得到的冰水可以用于下游的空調(diào)系統(tǒng)，這樣就可以節(jié)省電能，可作為設(shè)備投資的成本回收來計(jì)算。根據(jù)HYSYS的模擬結(jié)果可知，蓄冰槽每天可以得到冷量為1428 kW·h，對(duì)于冰蓄冷空調(diào)，其制冷的COP為2左右[16]，則每天可以得到實(shí)際節(jié)電量為718 kW·h。再考慮加氣站辦公房間，設(shè)其大小為100 m2，以1 m2需要約冷量200 W計(jì)算，空調(diào)每天需要提供480 kW·h的冷量，說明加氣站氣化LNG產(chǎn)生的冷量足以滿足加氣站的空調(diào)需冷量。由于各月份需冷量不一，晝夜需冷量也不同，因此估算全年需冷主要集中在5月～9月，因此設(shè)定需冷天數(shù)為150天整，再由平均電價(jià)0.8元/度計(jì)算，整套設(shè)備每年可以節(jié)省空調(diào)用電5.76萬元。

根據(jù)評(píng)價(jià)工程項(xiàng)目投資的靜態(tài)評(píng)價(jià)方法[17]，對(duì)冰蓄冷冷能回收系統(tǒng)的投資與運(yùn)行費(fèi)用，和蓄冰系統(tǒng)所節(jié)省的電能進(jìn)行比較，求得簡單投資回收期。一般回收期小于5年是可取的，若大于10年就需要進(jìn)一步多方面分析利弊。

設(shè)投資回收期為n年，可列關(guān)系式：

式中：

IC——初始投資16萬元；

OC——年運(yùn)行費(fèi)2萬元；

RC——年電能成本回收5.76萬元。

經(jīng)計(jì)算，此工程的投資回收期n為4.25年，小于5年，說明應(yīng)用冰蓄冷裝置回收冷能是合理可行的。

4 結(jié)論

1）本文提出增加冷能回收裝置，將LCNG加氣站中LNG轉(zhuǎn)化為CNG過程中釋放的冷量儲(chǔ)存并加以利用，可以提高能量的利用效率，同時(shí)可為加氣站用冷節(jié)約成本，具有可觀的節(jié)能效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2）本文提出了LCNG加氣站冷能利用方案。冷能回收裝置采用耐高壓的繞管式換熱器，以乙二醇水溶液為載冷劑的單級(jí)循環(huán)系統(tǒng)，將冷能傳遞給下游的蓄冰槽裝置，將間斷的高品位冷能轉(zhuǎn)化成可持續(xù)利用的空調(diào)用冷。此方案設(shè)備緊湊，能耐受低溫高壓，解決了冷能產(chǎn)生不連續(xù)而用戶需要連續(xù)供冷的問題。

3）使用HYSYS軟件，通過合理的參數(shù)選擇，將整個(gè)流程進(jìn)行模擬，并根據(jù)模擬得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。通過靜態(tài)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)算得回收年限小于5年，證明了整套設(shè)備兼具環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性。本研究可為LCNG加氣站冷能回收的實(shí)際應(yīng)用提供一定的參考價(jià)值。但仍有不足之處，其中模擬和分析主要建立在以往文獻(xiàn)和市場調(diào)研上，對(duì)冷能回收的真實(shí)效率尚不準(zhǔn)確，需要開展實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究，以證明LCNG冷能回收裝置的可行性。

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Analysis on Performance of Cold Energy Utilization in LCNG Fueling Stations

XU Shilong*1, WANG Fumu2, LIN Wensheng**1
(1-Institute of Refrigeration and Cryogenics, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China; 2-Henan Petroleum Branch, SinoPec Sales Co. Ltd., Zhengzhou, Henan 450016, China)

In a fueling station which converts liquefied natural gas to compressed natural gas (LCNG), liquefied natural gas (LNG) is pressured by pump then heated by vaporizer to be compressed natural gas (CNG), the cold energy of which is usually released into the air. In the present study, a device of utilizing LNG cold energy of a LCNG station was presented, and it used coil-wound heat exchanger withstanding high pressure and water-ethylene glycol solution (EGS) as intermediate fluid to transfer cold energy to the ice storage tank in a single circulation. The cold energy was finally applied to the air conditioning system in the station. Some important parameters of the process were defined and simulated by HYSYS. Economic analysis of the whole process based on simulation and market investigation was performed to demonstrate the feasibility of the system.

Fueling station; Cold energy utilization; Natural gas; Ice storage tank; Economic analysis

10.3969/j.issn.2095-4468.2017.01.208

*徐世龍（1990-），男，碩士研究生。研究方向：液化天然氣技術(shù)。

**林文勝（通信作者），男，副教授，博士。研究方向：液化天然氣技術(shù)。聯(lián)系地址：上海市閔行區(qū)東川路800號(hào)上海交通大學(xué)，郵編：200240。聯(lián)系電話：021-34206533。E-mail：linwsh@sjtu.edu.cn。

本論文選自2016年第九屆全國制冷空調(diào)新技術(shù)研討會(huì)。