用于冰雪世界的LNG冷能換冷站技術(shù)分析

江 蓉，向潤清，賴勇杰，金 滔

（1.浙江大學(xué) 制冷與低溫研究所，浙江省制冷與低溫技術(shù)重點實驗室，浙江 杭州 310007；2.四川空分設(shè)備（集團）有限責任公司，四川 簡陽 641400）

隨著天然氣在能源結(jié)構(gòu)中占比的逐步提高，中國已成為全球第一大天然氣進口國，2020年液化天然氣（LNG）進口量達 6890 × 104t，在天然氣總供應(yīng)量中占比約28%，預(yù)計到2035年進口量將達到1.15 × 108～1.45 × 108t[1]。為滿足天然氣管網(wǎng)輸送要求，在大型LNG接收站中，LNG經(jīng)高壓泵加壓氣化為常溫氣體后送入天然氣管網(wǎng)。LNG在氣化過程中會釋放大量冷能，對于一座接收能力為 300 × 104t/a的接收站，可利用冷功率為65 MW，折合電能為10 × 108kW·h/a[2]。傳統(tǒng)的LNG接收站多采用海水開架式氣化器（ORV）或浸沒燃燒式氣化器（SCV）來氣化LNG，不僅浪費了寶貴的冷能，還會對附近海域和環(huán)境產(chǎn)生冷污染[3]。隨著我國LNG進口量的持續(xù)增長，大型接收站可利用的LNG冷能相當可觀，合理高效利用這些冷能具有十分重要的意義。

LNG冷能利用的方式可以分為直接利用和間接利用。直接利用指將LNG冷能直接用于空氣分離、低溫發(fā)電、輕烴分離、冷庫、制冰和冰雪世界等領(lǐng)域；間接利用則是將LNG冷能生產(chǎn)的液氮和液氧等介質(zhì)，用于低溫破碎、污水處理、冷凍食品和低溫醫(yī)療等領(lǐng)域[3-8]。作為LNG進口大國，中國目前正處于LNG接收站的建設(shè)高峰時期。至2021年底，已有22座LNG接收站建成投運，但僅有6座建有冷能利用項目。其中，5座為LNG冷能空分，1座為LNG冷能輕烴分離。整體上看，我國LNG接收站的冷能利用率偏低，急需將LNG冷能與下游各類用冷需求結(jié)合起來，開發(fā)出高效合理的LNG冷能綜合利用技術(shù)。目前我國沿海很多地區(qū)規(guī)劃有大型冰雪世界、冷庫、大數(shù)據(jù)中心等需要利用冷能的項目。在大型LNG接收站附近集中建設(shè)LNG冷能換冷站，將LNG冷能傳遞給不同的冷媒介質(zhì)，可以滿足下游不同用冷溫區(qū)項目的需求。

隨著北京冬奧會的成功舉辦，我國冰雪運動較快普及，大型冰雪世界的需求也日益增長。本文針對大型冰雪世界的用冷需求及負荷變化特點，提出一種利用LNG冷能的換冷站技術(shù)方案，并對其中的冷媒選擇、工藝參數(shù)以及變負荷供冷方案等進行分析。

1 冰雪世界用冷需求分析

大型冰雪世界的用冷負荷一般為10～50 MW，用冷溫區(qū)可分為低溫區(qū)和高溫區(qū)。低溫區(qū)用于制冰、造雪等，用冷溫度范圍為-18～-13 ℃；高溫區(qū)用于空調(diào)供冷，用冷溫度范圍為5～13 ℃。同時，冰雪世界內(nèi)的用冷負荷隨著季節(jié)、晝夜和人流量的不同呈現(xiàn)周期性變化。大型LNG接收站的外輸量一般為 300 × 104～500 × 104t/a，且在一段時間內(nèi)保持連續(xù)穩(wěn)定，LNG冷能供應(yīng)溫區(qū)在-155～-130 ℃。大型接收站的LNG冷能可用于冰雪世界，但因LNG冷能的溫度與冰雪世界的用冷溫區(qū)存在差距，因此需要選擇合適的冷媒進行冷量傳遞。

LNG冷能換冷站基本原理如圖1所示。根據(jù)下游冰雪世界、數(shù)據(jù)中心和冷庫等用冷需求的不同溫區(qū)，采用不同的冷媒與LNG進行換熱，通過冷媒將LNG的冷能傳遞給下游的冷能用戶。LNG冷能換冷站不僅能有效地減少LNG氣化過程中對周圍環(huán)境造成的冷污染，還能減少下游用冷用戶的制冷電耗，降低下游用冷用戶的運行成本，提高能源綜合利用率。

圖1 LNG冷能換冷站Fig.1 LNG cold energy exchange station

某沿海城市規(guī)劃建設(shè)大型冰雪世界，結(jié)合該地區(qū)已建成的1座大型LNG接收站，需要建設(shè)1座LNG冷能換冷站，將LNG接收站冷能用于冰雪世界。根據(jù)當?shù)貙嶋H情況確定LNG換冷站選址，距離LNG接收站1.5 km，距離冰雪世界4.0 km。該LNG接收站外輸量約為 500 × 104t/a，最大外輸量 1180 t/h，依照生產(chǎn)經(jīng)驗，LNG外輸量變化區(qū)間為 130～700 t/h。LNG操作溫度為-155～-130 ℃，正常運行時操作壓力為 6.6～7.5 MPa，最高可達 8.5 MPa。

規(guī)劃建設(shè)的大型冰雪世界的設(shè)計用冷負荷見表1，單日用冷變化系數(shù)見表2。由表1和表2可知，冰雪世界的用冷負荷呈周期性變化，與LNG冷能的穩(wěn)定供應(yīng)存在矛盾，因此需要制定合適的變負荷供冷方案，解決LNG冷能供應(yīng)與冰雪世界時空不匹配的問題。

表1 冰雪世界設(shè)計用冷負荷Table 1 Cooling load of Ice and Snow World for design

表2 冰雪世界單日用冷變化系數(shù)Table 2 Coefficient of cooling load change per days of Ice and Snow World

2 LNG冷能換冷站技術(shù)分析

根據(jù)冰雪世界用冷需求及負荷變化特點，結(jié)合大型LNG接收站的冷能供應(yīng)特性，首先分析適用于LNG與冰雪世界之間冷量傳遞的冷媒，并在此基礎(chǔ)上確定用于冰雪世界的LNG冷能換冷站系統(tǒng)方案，然后根據(jù)冰雪世界的用冷負荷變化，分析換冷站的變負荷供冷方案。

2.1 冷媒分析

冷媒是整個LNG冷能換冷系統(tǒng)的關(guān)鍵因素。根據(jù)循環(huán)冷媒的相態(tài)，一般可分為冷媒有相變流程和冷媒無相變流程[9]。無相變流程是指，運行過程中冷媒一直以液態(tài)存在，靠顯熱來傳遞冷量，冷媒循環(huán)量較大，但由于全程液態(tài)運行，可采用泵來輸送，換熱器和管道尺寸合理，系統(tǒng)可靠性高；有相變流程是指，冷媒在換熱器內(nèi)蒸發(fā)，靠氣化潛熱來傳遞冷量，相對于無相變過程，冷媒循環(huán)量小，但氣體返回需要壓縮機輸送，換熱器和管道尺寸較大，系統(tǒng)較復(fù)雜。本項目換冷站與冰雪世界距離較遠，且冰雪世界用冷負荷變化頻繁，導(dǎo)致冷媒的運行工況隨之變化，因此選擇冷媒無相變流程。采用液體泵輸送冷媒，有效控制換熱器和設(shè)備尺寸，以滿足冰雪世界的用冷需求。

本項目冷媒在安全、環(huán)保的前提下，要滿足系統(tǒng)的熱力學(xué)特性以及經(jīng)濟性，包括以下要求：冷媒的常壓沸點溫度應(yīng)與冰雪世界供冷溫區(qū)（-20 ℃）匹配；冷媒應(yīng)具有較低凝固點，防止冷媒與LNG換熱過程中凝固；冷媒應(yīng)無毒、不易燃易爆、環(huán)保，保證冷媒輸送過程的安全性和可靠性[10]。常用的冷媒特性如表3所列。結(jié)合冰雪世界用冷需求，初選乙二醇溶液、R744（CO2）和R134a 3 種冷媒進行比較分析。

表3 常用冷媒的物理性質(zhì)Table 3 Physical properties of common refrigerants

根據(jù)換冷站LNG供應(yīng)溫度、壓力等條件，以及冰雪世界冷量設(shè)計要求，通過物料平衡及能量平衡計算，得出不同冷媒的相關(guān)參數(shù)，見表4。

表4 不同冷媒下的系統(tǒng)運行參數(shù)Table 4 System operating parameters under different refrigerants

由表4可知：（1）制冷劑R134a的循環(huán)量大，冷媒泵功率大，系統(tǒng)運行成本較高；同時冷媒輸送管徑較大，冷媒填充量較大，長距離輸送管道和冷媒成本較高。（2）R744（CO2）的循環(huán)量與乙二醇溶液接近，系統(tǒng)阻力小，但采用無相變流程，CO2系統(tǒng)循環(huán)壓力高，輸送管徑較大，長距離輸送管道和冷媒成本較高。（3）乙二醇溶液循環(huán)量較小，冷媒輸送管道較小，系統(tǒng)運行壓力和冷媒輸送泵能耗合理；同時，乙二醇溶液價格適中，系統(tǒng)投資和運行維護費用合理。

因此，冰雪世界LNG冷能換冷站冷媒宜采用乙二醇溶液。乙二醇溶液的質(zhì)量分數(shù)可根據(jù)需要進行調(diào)整，一般在50%～60%。

2.2 工藝系統(tǒng)主要參數(shù)分析

采用乙二醇溶液作為冷媒，設(shè)計了用于冰雪世界的LNG冷能換冷站工藝系統(tǒng)方案，如圖2。由圖2可知，來自接收站的高壓LNG在LNG-乙二醇換熱器內(nèi)與乙二醇溶液換冷后，進入空溫式復(fù)熱器加熱至1 ℃，然后返回接收站天然氣外輸管線。與LNG換冷后的高壓低溫乙二醇溶液輸送至冰雪世界，依次提供低溫冷量（-20/-14 ℃）和高溫冷量（-14/-6 ℃），之后經(jīng)輸送管道返回換冷站，經(jīng)輸送泵加壓后送入LNG-乙二醇換熱器與LNG換冷，完成乙二醇溶液供冷循環(huán)[11]。為防止LNG供應(yīng)不穩(wěn)定，在冰雪世界內(nèi)單獨設(shè)置一套備用的電制冷系統(tǒng)。

圖2 換冷工藝系統(tǒng)Fig.2 Cold exchange process system

計算工藝系統(tǒng)的物料平衡及能量平衡，主要參數(shù)見表5。LNG冷能換冷站為冰雪世界提供用冷負荷 25 MW，換冷站LNG氣化量為 150 t/h，乙二醇溶液循環(huán)量為2000 t/h。換冷站用電量僅為1000 kW，包括乙二醇輸送泵電耗750 kW和公用工程用電250 kW。備用電制冷系統(tǒng)以R507作為冷媒，采用的冷媒有相變流程，在同樣的供冷負荷下，用電量約 1.4 × 104kW。

表5 換冷站運行參數(shù)Table 5 Operating parameters of cold exchange station

采用LNG冷能為冰雪世界提供冷量，與備用電制冷系統(tǒng)相比節(jié)約電耗 1.3 × 104kW。根據(jù)冰雪世界單日最大冷負荷變化系數(shù)計算，每天節(jié)約電耗 1.768 ×105kW·h；按年運行 340 天計算，每年可節(jié)約電耗 6 × 107kW·h。以火電廠供電標準煤耗304.9 g/(kW·h)[12]，以及標準煤CO2排放值 2.54 t計算[13]，LNG冷能換冷站每年可節(jié)約標準煤 1.97 × 104t，減少CO2排放 5 × 104t。按照沿海地區(qū)工業(yè)用電0.6 CNY/(kW·h)，碳排放配額交易價格 50 CNY/t計算[14]，LNG冷能換冷站每年可節(jié)約電費 4200 × 104CNY，碳減排價值 250 × 104CNY?？梢姡瑢NG冷能用于冰雪世界，可有效降低冰雪世界運行電耗，節(jié)能減排效益顯著。

2.3 蓄冷和用冷相結(jié)合的變負荷供冷方案分析

LNG供應(yīng)量和乙二醇溶液循環(huán)量需隨冰雪世界用冷負荷頻繁變化，如圖3。而大型LNG接收站要求高壓LNG氣化和天然氣外輸保持連續(xù)穩(wěn)定。提出蓄冷和用冷相結(jié)合的變負荷供冷方案，解決LNG冷能供應(yīng)與冰雪世界用冷負荷時空不匹配的問題。

圖3 LNG需求量和冷媒循環(huán)量隨用冷負荷的變化Fig.3 Change of LNG demand and refrigerant circulation with cooling load

設(shè)置乙二醇溶液蓄冷和用冷儲罐，通過“削峰填谷”實現(xiàn)冰雪世界用冷負荷和接收站LNG輸出的匹配[15]，如圖4。LNG供應(yīng)量保持穩(wěn)定，當冰雪世界用冷負荷降低時，剩余的冷量通過冷媒儲存于蓄冷貯罐，蓄冷貯罐液位上升，用冷貯罐中液位下降；當用冷負荷增加時，蓄冷貯罐中低溫冷媒與冰雪世界返回的冷媒混合后，通過冷劑輸送泵為冰雪世界供冷，此時蓄冷貯罐液位下降，用冷貯罐液位上升。

圖4 換冷站變負荷系統(tǒng)Fig.4 Variable load system of cold exchange station

根據(jù)以上換冷站變負荷供冷方案，LNG供應(yīng)量和冷媒總蓄冷量隨用冷負荷的變化如圖5所示。由圖5可知，單日內(nèi)兩個時間段LNG供應(yīng)穩(wěn)定，從20時至次日6時，LNG供應(yīng)量為75 t/h；從8時至16時，LNG供應(yīng)量為95 t/h。凌晨4時冷媒蓄冷總量達最大值 4400 t，需要 4500 m3的蓄冷和用冷儲罐各1臺。該方案可滿足接收站LNG穩(wěn)定供應(yīng)和冰雪世界用冷負荷變化的需求。

圖5 LNG供應(yīng)量和冷媒總蓄冷量隨用冷負荷的變化Fig.5 Change of LNG supply and total refrigerant storage with cooling load

3 結(jié)論

針對某大型冰雪世界的用冷需求，通過比較確定了換冷站冷媒，提出了換冷站系統(tǒng)方案，并對系統(tǒng)工藝參數(shù)及變負荷方案進行了分析，得到以下主要結(jié)論。

（1）采用乙二醇溶液為冷媒，LNG冷能換冷站為冰雪世界提供用冷負荷25 MW，換冷站LNG氣化量為 150 t/h，乙二醇溶液循環(huán)量為 2000 t/h，換冷站用電量僅為1000 kW。

（2）與傳統(tǒng)電制冷系統(tǒng)相比，用于冰雪世界的LNG冷能換冷站技術(shù)方案節(jié)約電耗 6 × 107kW·h/a，減少CO2排放 5 × 104t/a，節(jié)能減排效益顯著。

（3）提出的蓄冷和用冷相結(jié)合的變負荷供冷方案，解決了LNG供應(yīng)量與冰雪世界用冷量時空不匹配的問題。