基于液化天然氣冷能的紅細(xì)胞凍干及保存系統(tǒng)分析

畢 成，譚先琳，梁梓原

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

0 引言

天然氣的主要組分為甲烷（CH4）采用天然氣作為能源，可減少煤和石油的用量，因而大大改善環(huán)境污染問題。天然氣作為一種清潔能源，能減少二氧化硫和粉塵排放量近100%，減少二氧化碳排放量60%和氮氧化合物排放量50%，并有助于減少酸雨形成，減緩地球溫室效應(yīng)，從根本上改善環(huán)境質(zhì)量。LNG 蘊(yùn)含大量冷能，將液化天然氣從-150 ℃提升到26 ℃，在此期間每千克液化天然氣需吸收900 多千焦的熱焓[1]。如果這部分冷能被有效回收并利用，將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。因此，對LNG 加氣站冷能利用的研究具有很高的研究價(jià)值。

紅細(xì)胞的冷凍干燥保存法以其重量大大減輕、便于運(yùn)輸、適合室溫保存、易于再水化等優(yōu)勢備受關(guān)注[2]。為此本文將LNG 冷能利用與紅細(xì)胞凍干工藝創(chuàng)造性的結(jié)合，為紅細(xì)胞凍干工藝的普及和LNG 冷能合理利用提供了新的思路。

1 紅細(xì)胞凍干及保存系統(tǒng)

系統(tǒng)基本原理如圖1 所示，LNG 經(jīng)泵加壓進(jìn)入一級換熱器換熱后使凍干室達(dá)到凍干溫度，通過自動(dòng)控制裝置改變冷媒1 流量實(shí)現(xiàn)凍干室控溫。經(jīng)過一級換熱器后的LNG 流經(jīng)二級換熱器，此時(shí)冷媒2 送入二級換熱器中吸收剩余冷能，再進(jìn)入空調(diào)換熱器將冷能傳遞給空調(diào)，交換熱量后經(jīng)泵送回二級換熱器完成循環(huán)，實(shí)現(xiàn)紅細(xì)胞存儲冷庫的制冷。

圖1 系統(tǒng)基本流程

根據(jù)凍干系統(tǒng)和空調(diào)制冷系統(tǒng)的用冷需求不同，采用不同冷媒與LNG 進(jìn)行換熱。此系統(tǒng)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(yùn)行成本，提高能源綜合利用率，實(shí)現(xiàn)了LNG 的二級利用。

2 紅細(xì)胞凍干及保存系統(tǒng)技術(shù)分析

根據(jù)系統(tǒng)兩部分用冷需求不同的特點(diǎn)，結(jié)合加氣站供冷的特性，經(jīng)查閱相關(guān)資料后，凍干系統(tǒng)選取R-123 作為冷媒，冰蓄冷空調(diào)冷媒選擇乙二醇，其冰點(diǎn)能夠達(dá)到要求，另外其經(jīng)濟(jì)性安全性也較好[3]。

2.1 LNG 冷能和火用分析

通過Aspen Plus 模擬軟件對LNG 冷能的釋放情況計(jì)算，并通過計(jì)算結(jié)果對LNG 冷能的釋放規(guī)律進(jìn)行分析，模擬參數(shù)取環(huán)境溫度為20 ℃，環(huán)境壓力為0.1 MPa，LNG 組分為純甲烷，計(jì)算結(jié)果如圖2、圖3所示。

圖2 LNG 冷能釋放規(guī)律

圖3 LNG 冷火用釋放規(guī)律

2.1.1 冷能分析

由圖2 可知，當(dāng)壓力不變時(shí)，LNG 升溫至環(huán)境溫度時(shí)所釋放的冷能隨環(huán)境溫度的升高而上升，且在低溫段的冷能釋放率較大。當(dāng)環(huán)境溫度不變時(shí)，LNG 釋放的冷能隨著壓力的升高而降低。壓力為0.1 MPa、2 MPa、5 MPa 的LNG 溫度升高至環(huán)境溫度時(shí)釋放的冷能分別為898.5 kJ/kg、874.0 kJ/kg、834.9 kJ/kg；5 MPa 為0.1 MPa 條件下LNG 釋放冷能的92.9%。由此可知壓力對LNG 冷能釋放量影響不大。

2.1.2 火用分析

由圖3 可知，當(dāng)壓力不變時(shí)，LNG 溫度火用隨溫度的升高而不斷大，且低溫段溫度火用增長率較大；當(dāng)溫度不變時(shí)，壓力的升高將導(dǎo)致LNG 的溫度火用降低。0.1 MPa 時(shí)，溫度火用為1053.6 kJ/kg；2 MPa 時(shí)，溫度火用為611.2 kJ/kg；5 MPa 時(shí)，溫度火用為492.1 kJ/kg，僅為0.1 MPa 時(shí)溫度火用的46.7%。故壓力對LNG 的壓力火用及溫度火用影響較大。故模擬需選擇LNG 合適壓力，且根據(jù)以上數(shù)據(jù)綜合分析，選定LNG 壓力參數(shù)0.1 MPa。

2.2 系統(tǒng)模擬

利用Aspen plus 軟件對工藝系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算，并列出關(guān)鍵參數(shù)?？紤]到管道運(yùn)輸途中的能量損失等因素，選擇進(jìn)入系統(tǒng)的LNG 流量為421.2 kg/h。模擬過程中假設(shè)LNG 組分為純CH4。設(shè)定環(huán)境溫度25 ℃，LNG 流量421.2 kg/h，進(jìn)口溫度-162 ℃[4]，初步設(shè)定壓力0.1 MPa，泵效率80%，空調(diào)冷媒出口溫度為5 ℃、壓力為0.1 MPa，換熱器最小傳熱溫差為1 ℃。不考慮換熱器內(nèi)的壓力損失以及與外界的熱量交換，也不考慮管道泄漏。圖4 為系統(tǒng)流程模擬圖。

圖4 系統(tǒng)流程模擬

2.2.1 結(jié)果分析

各凍干溫度對應(yīng)的冷媒進(jìn)出口流量與焓差如圖5 所示。系統(tǒng)進(jìn)出口質(zhì)量焓差隨溫度的升高而增大，維持進(jìn)口溫度所需流量隨溫度的升高而減少。

圖5 各制冷溫度下冷媒質(zhì)量流量

2.2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

根據(jù)加氣站工作時(shí)間，按設(shè)備每天工作16 h，每年平均工作8 個(gè)月，系統(tǒng)收益詳情見表1，節(jié)省的電費(fèi)作為設(shè)備投資的成本回收來計(jì)算，初步預(yù)計(jì)系統(tǒng)總投資100 萬元左右，預(yù)計(jì)投資回收期四到五年。

表1 系統(tǒng)收益

3 結(jié)語

本文提出冷能回收裝置，將LNG 加氣站中LNG轉(zhuǎn)化為CNG 過程中釋放的冷量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。通過Aspen Plus 對LNG 冷能及火用進(jìn)行了模擬分析，研究其釋放規(guī)律與壓力及溫度的關(guān)系，分析結(jié)果如下：LNG 的冷能和冷火用均隨著溫度的上升而增大。LNG 的冷能和冷火用均隨著壓力的增大而降低。LNG 的冷能和冷火用在低溫下均有較大的釋放率。并做了經(jīng)濟(jì)性分析，預(yù)計(jì)投資回收年限小于5 年，整套設(shè)備兼具有較高的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性。