LCNG加氣站冷能回收系統(tǒng)

鄧　偉，楊　旭，熊　楊，韋堯鵬

（廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

天然氣作為一種低碳、高效的清潔能源，近年來已經(jīng)開始逐步成為替代傳統(tǒng)石化資源的主力軍。天然氣熱值高，每立方米天然氣燃燒熱值約為8 000 kcal（1 kcal≈4 186 J），相當(dāng)于10 kWh電和1.25 kg標(biāo)準(zhǔn)煤產(chǎn)生的熱值；等熱值下燃燒天然氣排放的CO2、NOx、SO2和粉塵分別是煤的 50%～60%、10%、1/682和1/1479，僅為石油的70%～75%、20%、1/389和1/140[1]，因此國家大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)，確立了能源革命戰(zhàn)略，將天然氣列為中國主力能源。由于氣態(tài)天然氣不便于運(yùn)輸，工業(yè)上將天然氣液化后裝車運(yùn)輸，冷凝后的液體稱之為LNG（Liquid Nature Gas），LNG經(jīng)過槽車運(yùn)輸?shù)诌_(dá)加氣站后，將LNG通過低溫泵加壓成LCNG（Liquid Compressed Natural Gas）后再經(jīng)過處理變?yōu)楦邏禾烊粴猓–NG）儲(chǔ)存銷售，即新型的LCNG加氣站的營業(yè)模式。LCNG加氣站供給末端用戶的CNG通常需要將LCNG加熱氣化為零度以上的氣體，而大多數(shù)加氣站使用空溫式汽化器來加熱LCNG，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)，若將這部分冷能進(jìn)行回收利用，替代加氣站營業(yè)房中央空調(diào)集中供冷，可以獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

目前國內(nèi)回收利用LCNG冷能的主要方式有：冷能發(fā)電[2]，空氣分離[3]，輕烴分離及回收[4]，海水淡化等，這些利用方式適用于大型LNG接收站或衛(wèi)星站，而LCNG加氣站存在占地較小、氣化量不穩(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，本文針對(duì)小型加氣站的工作特性設(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

本文設(shè)計(jì)中采用兩級(jí)循環(huán)系統(tǒng)吸收LCNG冷能。系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1　兩級(jí)冷能回收系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)工作原理：-162℃的LNG從LNG儲(chǔ)罐出來后，經(jīng)過LNG泵加壓后進(jìn)入LCNG換熱器與一級(jí)載冷劑換熱，換熱汽化后的高壓天然氣再進(jìn)入到汽化器進(jìn)一步升溫后進(jìn)入天然氣儲(chǔ)氣罐，準(zhǔn)備供給下游用戶；在LCNG換熱器內(nèi)換熱降溫后的一級(jí)載冷劑流入低溫儲(chǔ)罐，經(jīng)計(jì)量泵加壓后進(jìn)入管殼式換熱器與二級(jí)載冷劑換熱，換熱升溫后的一級(jí)載冷劑再流回到LCNG換熱器換熱降溫，完成一級(jí)循環(huán)回路；二級(jí)載冷劑在管殼式換熱器內(nèi)換熱獲得一級(jí)載冷劑的冷能后，流入到二級(jí)載冷劑低溫儲(chǔ)罐，經(jīng)水泵加壓輸送到水冷式風(fēng)機(jī)盤管，通過水冷式風(fēng)機(jī)盤管將載冷劑所攜帶的冷能傳遞給空氣達(dá)到制冷效果，從風(fēng)機(jī)盤管出來后的二級(jí)載冷劑再留回到管殼式換熱器，完成二級(jí)循環(huán)回路。設(shè)計(jì)中一級(jí)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(jí)循環(huán)的載冷劑為水本系統(tǒng)達(dá)到了對(duì)LCNG冷能兩級(jí)利用的效果，通過兩級(jí)載冷劑的吸收轉(zhuǎn)換，將吸收LCNG汽化釋放的冷能用于加氣站營業(yè)房日常供冷。

2　模擬模型建立

本文建立在熱力學(xué)定律的基礎(chǔ)上，利用軟件Aspen建立了LCNG冷能回收系統(tǒng)模擬模型，如圖2所示。

圖2　兩級(jí)冷能回收模型圖

圖中，HEATX-1為LCNG換熱器，HEATX-2為管殼式換熱器，HEATX-3為風(fēng)機(jī)盤管，P-1為計(jì)量泵，P-2為水泵，F(xiàn)-1為一級(jí)載冷劑低溫儲(chǔ)罐，F(xiàn)-2為二級(jí)載冷劑儲(chǔ)罐，C2為一級(jí)載冷劑所對(duì)應(yīng)物流，Water為二級(jí)載冷劑所對(duì)應(yīng)物流，AIR為風(fēng)機(jī)盤管內(nèi)空氣所對(duì)應(yīng)物流。根據(jù)軟件進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，采用PR方程計(jì)算LNG物性。

3　模擬結(jié)果

基于圖2，對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算，設(shè)定LCNG每小時(shí)汽化量為1 m3，LNG進(jìn)口溫度為-162℃，壓力為1.2 MPa，經(jīng)LNG泵加壓后LCNG的壓力為25 MPa；系統(tǒng)中兩個(gè)泵的等熵效率為80%，一、二級(jí)循環(huán)回路中各換熱器的壓降為20 kPa，LCNG換熱器內(nèi)壓力損失為50 kPa，風(fēng)機(jī)盤管內(nèi)水的進(jìn)出口溫度分別為7℃、12℃，環(huán)境溫度為25℃，不考慮各換熱的換熱損失。根據(jù)軟件計(jì)算得出模擬結(jié)果列于表1.

表1　冷能回收系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

系統(tǒng)的制冷量為Q，則

Q=mAIR（hAIR-1-hAIR-2）

計(jì)算可知LNG冷能回收系統(tǒng)通過兩級(jí)載冷劑吸收換熱后，風(fēng)機(jī)盤管內(nèi)獲得的制冷量62.79 kW.

4　經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)軟件模擬參數(shù)，搭建實(shí)驗(yàn)臺(tái)架并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，表2列出了一些關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)。

表2　關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)

本設(shè)計(jì)中的主要成本投入包括換熱器、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(duì)比得到設(shè)備報(bào)價(jià)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，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，其中每年低溫泵消耗電費(fèi)為1.2萬元，計(jì)量泵及水泵與風(fēng)機(jī)盤管消耗電費(fèi)為0.6萬元，人工費(fèi)用及維護(hù)成本每年為0.3萬元。

設(shè)計(jì)的LCNG冷能回收系統(tǒng)吸收LCNG汽化過程釋放的冷能，用于加氣站營業(yè)房達(dá)到制冷效果，根據(jù)模擬結(jié)果可知，1 m3/h的LNG通過本系統(tǒng)可以獲得62.79 kW的制冷量，按照系統(tǒng)每天工作量10小時(shí)，風(fēng)機(jī)盤管能效比EER為1.8，夏季供冷為5個(gè)月，本地電價(jià)為0.9元/度計(jì)算，整套系統(tǒng)每年可節(jié)約電費(fèi)4.7萬元，參考評(píng)價(jià)工程項(xiàng)目投資的靜態(tài)評(píng)價(jià)方法，對(duì)LCNG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)所節(jié)省電能進(jìn)行比較，求出簡單投資回收期為7.3年，因此該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)回收LCNG的冷能是合理的。

5　結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的LCNG冷能回收系統(tǒng)，將LCNG加氣站內(nèi)LNG轉(zhuǎn)化為CNG過程中釋放的冷能儲(chǔ)存并加以利用，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。