LNG冷能梯級利用

李雪瑩，張萬里，程金亮，羅 參，徐 瑩

(哈爾濱商業(yè)大學(xué) 能源與建筑工程學(xué)院，哈爾濱 150028)

LNG 氣化時能夠釋放出大量的冷能.但迄今為止國內(nèi)外對小型LNG 冷能的回收利用的研究較少.隨著城市的發(fā)展，LNG 氣化站隨著城市的規(guī)劃建設(shè)，小型LNG氣化站也被一同規(guī)劃發(fā)展，本研究擬將LNG冷能以梯級形式利用與冷庫系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)，利用LNG與中間冷媒進(jìn)行熱交換，中間冷媒帶著冷能一同進(jìn)入冷庫或空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)制冷.現(xiàn)有的制冷方式多數(shù)情況下采用螺旋桿式制冷裝置和多級壓縮機(jī)來維持低溫.同現(xiàn)有冷卻方式進(jìn)行比較，利用LNG冷能的冷庫不僅能夠節(jié)省購買大型的制冷機(jī)組的花銷，降低投資成本[1]，也充分利用了冷能.

1 研究背景

1.1 研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外對LNG氣化站冷能回收利用的技術(shù)越來越重視，但是絕大部分只重視對大型氣化站冷能回收的研究，忽略了對現(xiàn)在使用較為廣泛的小型氣化站冷能回收系統(tǒng).通過借助大型LNG氣化器的產(chǎn)生的冷能，使之用于空分裝置、海水淡化、制取干冰、高效發(fā)電等[2].到目前為止，國內(nèi)外針對小型LNG氣化站的冷能回收方式單一，使冷能得不到充分的利用.

1.2 研究意義

隨著我國和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，綠色能源將在未來能源的構(gòu)成中發(fā)揮舉足輕重的作用，天然氣的需求量也將大幅度增加.據(jù)此本研究提出將其冷能用于高速公路沿線的冷庫系統(tǒng).此外，可以通過建立空調(diào)系統(tǒng)來利用LNG剩余的冷能.

本研究充分利用小型LNG氣化站的冷能，將其梯級利用于冷庫與站內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)，同時響應(yīng)了國家對清潔能源高效利用的號召[3].

2 LNG冷能分析

由于LNG氣化過程中不僅有能量的釋放，還對外界做了有用功，為了綜合分析，本研究采用分析法.分析法結(jié)合了熱力學(xué)第一定律與第二定律，能有效分析能量的變化與對外界做功的情況[4].即系統(tǒng)與環(huán)境溫度達(dá)到平衡在條件下能夠獲得的最大有用功.低于環(huán)境溫度時，系統(tǒng)溫度所做的最大有用功被稱為冷量.

從卡諾循環(huán)中可以得知，在熱源放熱的同時，冷源也在吸熱，這是就做功的過程.可用能隨溫度變化過程如圖1所示.

圖1 冷量在溫變過程中在T-S的表示

進(jìn)行熱吸收時，工質(zhì)溫度從T1狀態(tài)不斷上升至T2狀態(tài)，根據(jù)計算得出在此過程中的最大有用能為：

(1)

其中：δWmax為溫變過程最大有用能(kJ/kg)；δq為溫變過程總吸收冷量(kJ/kg)；T0為環(huán)境溫度(K)；T為系統(tǒng)溫度(K).

對式(1)進(jìn)行積分，推算出吸熱過程有用能為：

(2)

為了方便進(jìn)行計算，可以將系統(tǒng)視為穩(wěn)定流工況.可得每單位質(zhì)量的工質(zhì)由初始溫度上升到系統(tǒng)溫度時，其冷量為：

ex,h=wmax=(h-h0)-T0(s-s0)

(3)

其中：ex,h為冷量(kJ/kg)；h為平衡焓值(kJ/kg)；h0為初始焓值(kJ/kg)；s平衡熵(kJ/(kg·K))；s0為初始熵值(kJ/(kg·K)).

由熱力學(xué)知，理想氣體的焓是關(guān)于溫度的函數(shù)：

(4)

(5)

其中：cp為比熱(kJ/(kg·K))；R為熱力學(xué)常數(shù)(kJ/(kg·K))；p為環(huán)境平衡壓強(qiáng)(Pa)；p0為初始壓強(qiáng)(Pa).

綜上可得：

(6)

(7)

其中：ex,t為低溫(kJ/kg).

(8)

其中：ex,p為壓力(kJ/kg).

LNG并不是純凈物，物性參數(shù)具有不確定性.LNG中甲烷含量為80%～85%[5]，為了簡化計算，采用甲烷的物性參數(shù)進(jìn)行計算.則有：

(9)

1)環(huán)境溫度T0

系統(tǒng)壓強(qiáng)P一定時，LNG主要與環(huán)境溫度T0有關(guān)，其影響如圖2所示.

圖2 與溫度的關(guān)系(P=1.013 25 MPa)

2)系統(tǒng)壓強(qiáng)P

在環(huán)境溫度T0保持不變時，系統(tǒng)壓強(qiáng)P是影響LNG的主要因素，其影響如圖3所示.

圖3 隨壓力的變化(T0=283 K)

2.2 小型LNG氣化站冷能釋放量分析

作為一種低溫混合物，LNG的主要成分是甲烷，它在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的沸點(diǎn)一般為-157 ℃.為了方便計算，我們將甲烷的物理性質(zhì)作為LNG的物理性質(zhì)，甲烷的定壓比熱容為110～ 300 K，且波動很小，可以忽略不計[8-9]，取均值比熱容cp=2.20×103J/(kg·℃).LNG的加熱氣化過程可以分為以下兩部分：液相至氣相的相變潛熱和從沸點(diǎn)溫度到輸送條件溫度的內(nèi)能.其釋放的冷量為：

(10)

LNG的氣化壓力約為0.6 MPa，氣化潛熱r為443.8 kJ/kg.標(biāo)準(zhǔn)氣壓下，LNG的沸點(diǎn)約為111 K，而至少需要提升至5 ℃[10]才可輸入到城市用戶的燃?xì)夤芫W(wǎng)，即278 K，得出LNG蘊(yùn)含的冷量的最大理論值：

Q=r+cp(T0-Ts)=443.8+2.20×(278-

111)=811.2 kJ/kg

3 LNG冷能梯級利用

3.1 小型LNG冷能利用方式

表1 主要的LNG冷能利用方案

如表1所示，適合小型LNG氣化站冷能利用的方式有很多，其中空氣分離裝置存在單位業(yè)態(tài)產(chǎn)品能耗高的缺點(diǎn)，冷能發(fā)電、制造干冰的利用效率低，一些研究將回收CO2與冷能發(fā)電結(jié)合為復(fù)合循環(huán)系統(tǒng)，但是其回收效率遠(yuǎn)不如冷庫與空調(diào)系統(tǒng)的梯級回收利用效率高.

3.2 冷量回收計算

LNG的氣化吸收顯熱也可表示為：

E=Δh·m

(11)

(12)

其中：Δh為焓差，kJ/kg；m為質(zhì)量，kg；d為時間，s；E為冷量，kJ；W為冷能，kW.

液態(tài)天然氣在一級氣化器的入口溫度為-162 ℃，通過一級氣化器的殼程過程中，在液態(tài)二氧化碳作為制冷劑的情況下持續(xù)工作，到達(dá)出口時溫度為-86 ℃，接著進(jìn)入二級氣化器中繼續(xù)工作.在二級氣化器的工作過程中，天然氣到達(dá)管程入口時溫度為-86 ℃，在乙二醇溶液作為制冷劑的情況下持續(xù)加熱并通過二級氣化器的殼程，到達(dá)出口時溫度為5 ℃之后再進(jìn)入燃?xì)夤芫W(wǎng)[11-13].在此過程中，參數(shù)值見表2.

表2 回收冷量工況參數(shù)

一級冷量回收部分中含有氣化潛熱，其冷能為W′=(217 000×30)/(3 600×24)=75.35 kW,所以一級氣化器回收的冷能為：W1=W′+Δh·m1/d1=133.2 kW

二級冷能回收過程中無相變，其回收的冷量為：W2=Δh2·ρ2·V2/d2=62 kW.

產(chǎn)生的總冷能為：W=W1+W2=195.27 kW

根據(jù)計算，12 750 kg的LNG可以產(chǎn)生高達(dá)16.8×106kJ的冷量，而這些冷能如果沒有被有效的利用起來，將是巨大的浪費(fèi)，若是排放到大氣中，更是污染了環(huán)境.

3.3 冷能回收系統(tǒng)流程

許多研究都針對于對小型LNG氣化站冷能進(jìn)行單一的回收和利用，沒有找到更好的利用方式，造成了浪費(fèi)，但對冷能的利用效率并不高.本研究LNG在單一回收方式的基礎(chǔ)上提出將其進(jìn)行梯級回收利用.

-162 ℃的LNG經(jīng)過一級氣化器cu1在冷庫系統(tǒng)載冷劑(液態(tài)二氧化碳)作用下變?yōu)?86 ℃；-86 ℃的LNG經(jīng)過二級氣化器cu2在蓄冷空調(diào)載冷劑(乙二醇溶液)的作用下，最后以5 ℃進(jìn)入燃?xì)夤芫W(wǎng).小型LNG氣化站冷能回收系統(tǒng)運(yùn)行流程如圖4所示.

圖4 冷能梯級回收流程示意圖

LNG從罐體出來后通過圖4所示的二級汽化器進(jìn)行冷能的梯級利用，而后LNG的溫度即可輸入城市管網(wǎng)進(jìn)行供氣，與傳統(tǒng)LNG單一的冷能利用方式相比，梯級利用方案對LNG冷能可以更加合理的回收利用，大大提高了冷能利用效率.

3.4 冷能梯級利用的可行性分析

3.4.1 冷庫系統(tǒng)冷量負(fù)荷

進(jìn)行對冷庫系統(tǒng)的冷負(fù)荷計算.設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸為18 m×10 m×5 m的單層冷庫冷負(fù)荷主要是：庫房與環(huán)境換熱量，以及進(jìn)行食物加工消耗的冷量和其他的耗冷量(設(shè)備運(yùn)行耗冷量、庫內(nèi)通風(fēng)耗冷量等等)[14-15].

1)庫房與環(huán)境傳熱量

Q1=K·F·Δt1·a

(13)

其中：Q1為墻面、地板以及屋頂傳熱量(kW)；K為平均傳熱系數(shù)(kJ/(m2·h·℃))，1.32 kJ/(m2·h·℃)；F1為總傳熱面積(m2)，取1 300 m2；Δt1為庫內(nèi)外平均溫差(℃)，取15 ℃；a為庫內(nèi)外溫差修正系數(shù)，取1.1.所以庫房與環(huán)境傳熱量為

Q1=K·F·Δt1·a=28.31 kW

2)食品加工耗冷量

(14)

其中：Q2為食品加工耗冷量(kW)；G為冷凍食品加工量(kg)，取50 000 kg；Δt2為食品入庫出庫平均溫差(℃)，取12 ℃；C為食品平均比熱容(kJ/(kg·℃))，取3.25 kJ/(kg·℃)；n為加工周轉(zhuǎn)次數(shù)，取n=2；Z為食品加工時間(h)，取24 h；b為食品包裝差異修正系數(shù)，取1.05.

3)其他耗冷量

例如庫內(nèi)通風(fēng)所消耗的冷量、設(shè)備運(yùn)行所消耗的冷量等等，這些因素耗冷量相加得到的綜合耗冷量不可忽略，按上述耗冷量的15%計算，即Q3=(Q1+Q2)20%=10.65 kW，所以冷庫系統(tǒng)總耗冷量為Q=Q2+Q2+Q3=81.62 kW.

由此推算本站的冷庫系統(tǒng)所需冷量為81.62 kW，而一級冷能回收的總冷量為133.27 kW，利用效率為61.2%.因此，將LNG一級回收系統(tǒng)的冷量用于冷庫系統(tǒng)是可行的.

3.4.2 站內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)冷量負(fù)荷

本系統(tǒng)擬設(shè)置小型LNG氣化站的休息區(qū)與休閑區(qū)的建筑模型，休閑區(qū)182 m2、休息區(qū)300 m2，空調(diào)溫度設(shè)置為27 ℃，按制冷換熱面積為總建筑面積的80%算，總需冷量約為30 000 W.

若空調(diào)系統(tǒng)換熱效率按傳統(tǒng)空調(diào)算，約為60%，則制冷量為37 200W，因此二級汽化器回收于空調(diào)系統(tǒng)足以滿足其冷量需求，其利用效率為48.4%.

4 結(jié) 語

基于對小型LNG氣化站冷能資源的高效利用，本文提出對該冷能進(jìn)行更加高效率的梯級利用于冷庫系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng).采用分析法，結(jié)合熱力學(xué)第一定律與第二定律，有效分析能量的變化與對外界做功的情況.再通過對LNG冷量影響相對較大的系統(tǒng)壓力和所處環(huán)境的溫度兩個因素進(jìn)行分析和研究，得出LNG氣化站冷能釋放量.將LNG的冷能以梯級方式進(jìn)行回收利用，分別用于冷庫系統(tǒng)與站內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)，這是現(xiàn)在小型LNG氣化站冷能利用的高效率方式之一.再通過對LNG氣化回收的冷量與站內(nèi)生產(chǎn)生活的冷負(fù)荷的進(jìn)行對比，得出結(jié)果如下：冷庫系統(tǒng)對一級回收系統(tǒng)冷量的利用率為61.2%，站內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)對二級回收系統(tǒng)冷量的利用率為48.4%，小型LNG氣化站所供給的冷量十分龐大，已經(jīng)能充分滿足站內(nèi)生產(chǎn)與日常生活的需求，節(jié)省了資源.