LCNG加氣站冷能回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與投資分析

林 東 文 彬 鄧 偉

〔1 中國石化廣西石油分公司 廣西南寧 530021；2 廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 廣西南寧 530004〕

進(jìn)入21世紀(jì)以來，世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展極大地推動了基礎(chǔ)能源的消費(fèi)，同時也帶來了許多環(huán)境問題，雖然人們針對日益惡劣的環(huán)境問題提出了一系列節(jié)能減排的措施，但世界總體能源需求量仍在持續(xù)攀升。根據(jù) BP 世界能源預(yù)測，到2035年，全球一次性能源消費(fèi)將會增長37 %，化石燃料將滿足三分之二的新增能源需求[1]，為了解決能源消耗日益增長以及保護(hù)環(huán)境之間的沖突，人們不斷調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，其中煤炭及石油占能源的比重下降，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。我國作為當(dāng)今世界上最大的能源消費(fèi)國家，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,符合市場與環(huán)境需求的合理選擇。黨的十八大以來，國家大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè),確立了能源革命戰(zhàn)略,將天然氣列為我國主力能源,并正式發(fā)布了能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略(2016—2030年)，明確要求到2030年一次能源結(jié)構(gòu)中天然氣占比達(dá)到15%左右[2]。

天然氣作為低碳、高效的清潔能源，主要運(yùn)用于工業(yè)、交通、發(fā)電等產(chǎn)業(yè)，我國的天然氣行業(yè)雖然基礎(chǔ)薄弱，但在政府大刀闊斧地進(jìn)行了包括油氣體制改革等一系列改革后[3]，天然氣產(chǎn)業(yè)得以迅速發(fā)展。以天然氣汽車為例,由于天然氣汽車在環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等方面的優(yōu)勢[4]，使其在汽車市場得以迅速發(fā)展,而且隨著液化天然氣技術(shù)的不斷提高，LNG汽車加氣時間短、安全性高等優(yōu)勢也日益突出。目前全國壓縮天然氣(CNG)汽車已超過500萬輛,CNG加氣站有6 000座左右[5]。然而氣態(tài)天然氣不便于運(yùn)輸，工業(yè)上將天然氣液化，冷凝后的液體稱之為LNG，相比于傳統(tǒng)的壓縮儲運(yùn)，液態(tài)運(yùn)輸更安全，且LNG的密度是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷的625倍，這樣會提高運(yùn)輸能力[6]。LNG經(jīng)過槽車運(yùn)輸?shù)诌_(dá)加氣站后，通過低溫泵加壓成LCNG后再被加熱汽化成為 CNG 儲存銷售,即新型的LCNG加氣站。這種加氣站具有原料來源便捷和占地面積小等優(yōu)勢，在我國CNG產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的前景下,LCNG加氣站必然會成為加氣站的主流發(fā)展方向。在已建成的 LCNG 加氣站中，其加工方式如下：槽車運(yùn)輸LNG至加氣站儲罐，而后LNG經(jīng)過低溫泵加壓至 25 MPa成為LCNG，LCNG通過汽化器升溫后進(jìn)入CNG 儲罐再銷售給客戶。由于目前大多數(shù)加氣站采用空溫式汽化器對LCNG進(jìn)行升溫,該過程中約有860 kJ/kg的冷能被直接排放到空氣中,造成了巨大的浪費(fèi)。以南寧市新陽加氣站每日加氣站汽化量10m3計(jì)算，每天直接浪費(fèi)的冷能就會有4.15×106kJ，若將這部分冷能進(jìn)行回收利用，可以獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。目前國內(nèi)回收利用LNG的主要方式有冷能發(fā)電[7-8]、空氣分離[9]、輕烴分離及

回收[10]、海水淡化[11]等。這些利用方式適用于大型LNG 接收站或衛(wèi)星站,而LCNG加氣站占地較少，汽化量不穩(wěn)定以及成本限制等因素，導(dǎo)致傳統(tǒng)的冷能利用方式并不適用，因此在這些前提下,本文以新陽加氣站為例設(shè)計(jì)了一套合理利用 LCNG 加氣站冷能的方案。

1 設(shè)計(jì)方案

該LCNG加氣站冷能回收系統(tǒng)，采用兩級換熱方式，將LCNG汽化的冷能通過換熱傳遞給一級載冷劑，二級載冷劑再與一級載冷劑換熱吸收LCNG汽化的冷能，并將所攜帶的冷能通過二級循環(huán)回路中的末端設(shè)備為加氣站營業(yè)房提供冷能。

1.1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

LCNG設(shè)計(jì)方案中主要考慮三方面問題：①LNG每日汽化量與槽車加注頻率有關(guān)，導(dǎo)致加氣站汽化量不穩(wěn)定，因此設(shè)計(jì)的冷能回收系統(tǒng)必須滿足將LNG冷能吸收并儲存進(jìn)行持續(xù)利用的要求；②新陽加氣站占地面積3922m2，其中站點(diǎn)罩棚面積600m2，營業(yè)房面積200m2,可供冷能回收設(shè)備利用的面積不多，因此設(shè)計(jì)的冷能回收系統(tǒng)必須盡可能緊湊③LCNG在低溫泵的出口溫度低至-162℃,出口壓力高至25MPa。為防止天然氣泄漏造成危險(xiǎn)，要選用耐低溫高壓的LCNG換熱器。

1.2 流程設(shè)計(jì)

市場上符合LCNG換熱器換熱要求的換熱器有U 型管換熱器[12]和繞管式換熱器[13]。這兩種換熱器由于管道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,但U型管換熱器一般應(yīng)用于大型的換熱系統(tǒng)中，占地面積較大，而本設(shè)計(jì)中加氣站場地有限,因此設(shè)計(jì)中LCNG換熱器采用繞管式換熱器。系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)時考慮在一級循環(huán)系統(tǒng)和兩級循環(huán)系統(tǒng)中選擇，雖然一級循環(huán)對吸收LCNG冷能優(yōu)勢明顯[14]，但是也存在幾點(diǎn)缺陷：①回路中溫度很低，系統(tǒng)長時間處于低溫高壓的工作環(huán)境，會大大損耗設(shè)備壽命，對整個系統(tǒng)的工藝要求很高；②為達(dá)到一級循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中儲存冷能的要求，設(shè)計(jì)的冰蓄冷裝置調(diào)試相對復(fù)雜，而且蓄冰槽本身成本過高且占地面積大。相比較而言雖然二級循環(huán)系統(tǒng)管路、設(shè)備多于前者,但是除去蓄冰槽及調(diào)試的成本,兩者的投資相差無幾,同時二級循環(huán)回路中的載冷劑能快速帶走一級循環(huán)回路中載冷劑所攜帶的冷能并儲存在二級循環(huán)回路中的冷凍水箱,減小了一級循環(huán)回路內(nèi)的溫差,大大提升了設(shè)備壽命。因此，本設(shè)計(jì)中采用二級循環(huán)系統(tǒng)吸收LCNG冷能。兩級循環(huán)系統(tǒng)示意圖見圖1:

圖1兩級循環(huán)系統(tǒng)示意

1—LNG儲罐；2—低溫泵；3—液體流量計(jì)；4—CNG儲罐5—LCNG換熱器；6—水浴加熱器；7—低溫儲罐；8—計(jì)量泵；9—管殼式換熱器；10—液體流量計(jì)；11—水浴加熱器；12—冷凍水箱；13—水泵；14—風(fēng)機(jī)盤管；15—液體流量計(jì)；P01～P05—壓力傳感器；T01～T10溫度傳感器

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

本文使用的Aspen軟件是一個供生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬系統(tǒng),根據(jù)設(shè)計(jì)的示意圖1在軟件中模擬流程。儲罐內(nèi)LNG組分見表1。

表1 LNG組分

2.1 載冷劑的選取

對一、二級循環(huán)回路中載冷劑進(jìn)行選取，一級循環(huán)的載冷劑選擇標(biāo)準(zhǔn)是流動性和安全性：由于一級載冷劑與LCNG在換熱器內(nèi)直接換熱，溫度快速下降，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是便于控制和維護(hù)的開式系統(tǒng),原理是利用冷熱流體間的溫差而產(chǎn)生的非相變制冷,因此一級循環(huán)應(yīng)選擇常壓下冰點(diǎn)很低的載冷劑,同時還要考慮系統(tǒng)運(yùn)行過程中不可避免的泄漏問題,所以載冷劑還應(yīng)滿足低毒性、低可燃性和低腐蝕性，滿足以上條件的載冷劑常見的有氨水、氯化鈣水溶液、乙二醇水溶液等。由于前兩者對不銹鋼管道腐蝕性大,因此，選擇乙二醇水溶液作為一級循環(huán)載冷劑,考慮到乙二醇水溶液輕微的腐蝕性,在乙二醇水溶液可加入少量的三乙醇胺防蝕劑。設(shè)計(jì)中一級循環(huán)的載冷劑采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%乙二醇水溶液, 二級循環(huán)的載冷劑考慮成本條件，選用水。

2.2 流程參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，列出兩級循環(huán)回路系統(tǒng)流程參數(shù)要求如下：

(1)設(shè)定LNG在儲罐中的壓力保持在0.12MPa，其對應(yīng)的飽和溫度為-160℃。南寧市新陽加氣站每天的加氣量約6255 m3，LNG加液機(jī)工作設(shè)計(jì)壓力1.6MPa，CNG加氣機(jī)設(shè)計(jì)最大工作壓力25MPa。參照體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/625來計(jì)算，每日加氣站LNG汽化量為10 m3，實(shí)際情況中LNG 汽化成 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，在本設(shè)計(jì)中作簡化處理,假設(shè)加氣站連續(xù)工作時間為10 h，LCNG汽化量為10 m3，因此，加氣站每小時汽化量為1 m3。

(2)設(shè)置低溫泵的效率為80%，LNG經(jīng)低溫泵加壓至25MPa(LCNG)。

(3)換熱器廠家一般以-10 ℃作為低溫設(shè)備和常溫設(shè)備的分界標(biāo)準(zhǔn)，低溫設(shè)備需要采用耐低溫材料并進(jìn)行低溫測試，使其價格遠(yuǎn)高于常溫設(shè)備，綜合考慮設(shè)備成本和換熱效果，將CNG出口溫度設(shè)定在-8 ℃。

(4)一、二級循環(huán)回路中泵提供的動力僅能滿足載冷劑循環(huán)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；假定一、二級循環(huán)回路中各換熱器的壓降為20kPa，假設(shè)LCNG在LCNG換熱器內(nèi)換熱壓力損失為50kPa。

(5)參考常水型風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)出口溫差標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置風(fēng)機(jī)盤管內(nèi)水的進(jìn)出口溫度分別為7℃、12℃。

(6)模擬采用的物性方程為RSK方程，所有參數(shù)均由Aspen plus計(jì)算得出。表2列出了Aspen plus模擬冷能回收系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。

表2 Aspen plus模擬冷能回收系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

3 經(jīng)濟(jì)性分析

本設(shè)計(jì)中新陽LCNG加氣站所有的基礎(chǔ)配套設(shè)施齊全，因此在對冷能回收裝置主要設(shè)備的成本進(jìn)行投資估算時，統(tǒng)計(jì)的對象是主要用于冷能回收系統(tǒng)而新增的設(shè)備，包括換熱器、低溫泵、乙二醇工質(zhì)、循環(huán)泵、風(fēng)機(jī)盤管等。根據(jù)廠家對比得到設(shè)備報(bào)價為：換熱器9萬元，低溫泵4萬元，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，管道安裝及管道保溫費(fèi)4萬，總計(jì)投資19萬元。

冷能回收系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用包括電費(fèi)、人工費(fèi)用及維護(hù)成本等，根據(jù)ASPEN 模擬結(jié)果,低溫泵消耗電費(fèi)占比最大每年約為1.7萬元,計(jì)量泵及水泵與風(fēng)機(jī)盤管消耗電費(fèi)每年約為0.1萬元, 人工費(fèi)用及維護(hù)成本每年為0.3萬元。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時在一級循環(huán)回路載冷劑中添加了少量緩蝕劑,因此減弱了乙二醇溶液對載冷劑管道的腐蝕,參照常見乙二醇水溶液水系統(tǒng)使用年限估算,整套設(shè)備的使用年限最低為10年。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的LCNG 冷能回收系統(tǒng)吸收的冷能通過水冷式風(fēng)機(jī)盤管為加氣站內(nèi)營業(yè)房提供冷能,節(jié)省了常規(guī)加氣站營業(yè)房中使用中央空調(diào)系統(tǒng)達(dá)到制冷效果所消耗的電量，可作為設(shè)備投資的成本回收來計(jì)算。根據(jù) ASPEN的模擬結(jié)果可知,1m3/h的LNG通過本系統(tǒng)可以獲得62.79kW的制冷量,那么風(fēng)機(jī)盤管每天可以得到冷量為627.9 kW·h,水冷式風(fēng)機(jī)盤管制冷系數(shù) COP 為1.8左右,那么冷能回收系統(tǒng)每天實(shí)際節(jié)省的電量為348.8kW·h, 按照夏季供冷每年5個月供冷時間，本地電價為0.9元/度計(jì)算,整套系統(tǒng)每年可以節(jié)約空調(diào)電費(fèi)4.7萬元,南寧新陽加氣站營業(yè)房面積為200m2,按照公共場所每平米250W供冷量、工作時間8 h計(jì)算,營業(yè)房每天需要400 kW·h的冷量,由此可得,冷能回收裝置提供的冷能可以完全替代中央空調(diào)制冷的效果。

參考評價工程項(xiàng)目投資的靜態(tài)評價方法，對冷能回收系統(tǒng)的投資及運(yùn)行費(fèi)用與冷能回收系統(tǒng)節(jié)省的電能進(jìn)行比較，求出簡單投資回收期。

設(shè)投資回收期為n年,列出關(guān)系式如下:

IC+OC×n=n×RC

式中:IC——初始投資19萬元;

OC——年運(yùn)行費(fèi)2.1萬元;

RC——年電能成本回收4.7萬元。

計(jì)算可得,此工程的投資回收期為7.3年,因此運(yùn)用兩級循環(huán)冷能回收裝置回收LNG的冷能是合理可行的。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)的LCNG冷能回收系統(tǒng)，將LCNG 加氣站中LNG 轉(zhuǎn)化為CNG 過程中釋放的冷能儲存并加以利用，LCNE為加氣站節(jié)約了用冷成本，具有可觀的節(jié)能效益和經(jīng)濟(jì)效益，系統(tǒng)投資回收期為7.3年。