利用LNG梯級冷能的冷庫系統(tǒng)構(gòu)建與載冷劑選擇

1、利用LNG梯級冷能的冷庫系統(tǒng)構(gòu)建與載冷劑選擇摘要分析了LNG 冷能的梯級利用方式，對LNG 冷能冷庫系統(tǒng)從工藝角度進行設(shè)備、流程的研究，并作載冷劑選擇.以LNG 冷能評價分析指標(biāo)，對某小型LNG 冷能利用項目進行了經(jīng)濟性計算. 結(jié)果表明: 與常規(guī)電動壓縮式冷庫相比，在考慮設(shè)備造價與折舊率的情況下，以運行費用減少折算的冷庫系統(tǒng)投資回收期僅為1.11 年. 因此，LNG 冷能的第三級用于低溫冷庫是合理的冷能利用方式，既可以簡化冷庫系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減少設(shè)備投資費用，又能回收大量的LNG 冷能，明顯降低冷庫運行的電耗，具有較高的節(jié)能經(jīng)濟性.0 引言天然氣是三大主要能源之一，為了便于遠洋運輸，往往把氣態(tài)的天

2、然氣進行液化處理，成為液化天然氣( LNG) . 而LNG 氣化成常溫氣體供給用戶使用的過程中將釋放出大量的冷能. 制冷行業(yè)是耗能耗電大戶，據(jù)測算，制冷設(shè)備所消耗的電能約占到社會總用電量的15 % 20 % 左右. 傳統(tǒng)的冷庫大都采用電動壓縮式制冷設(shè)備維持冷庫的低溫，電耗很大，在一般食品生產(chǎn)企業(yè)中，冷庫動力消耗約占全廠總耗電量的50 % 60 %1. 基于充分利用LNG 梯級冷能的目的，本文研究構(gòu)建 LNG 冷能冷庫對食品進行冷凍冷藏. 預(yù)計不僅能夠節(jié)約大量冷庫制冷裝置的設(shè)備投資和運行費用，經(jīng)濟效益顯著，而且可以帶來明顯的節(jié)能與環(huán)保效益.1 LNG 冷能的梯級利用從能量有效利用的角度來看，各種

3、單一利用LNG 冷能的方法，只是考慮了冷能的回收，而沒有考慮冷能利用的能級，從而造成大量高品位冷能的損耗. 因此必須對LNG 冷能進行梯級利用2. 結(jié)合LNG 冷能冷庫所需冷能的能級及制冷工藝的需要，可作如下LNG 冷能級利用設(shè)計: 液化分離空氣制取液化 co2及干冰LNG 冷能冷庫.1) 空氣分離需要在低于-150 的溫度下進行，而LNG 的氣化溫度是-162 ，二者的溫度區(qū)間基本匹配. 因此，利用剛從儲罐出來的LNG 氣化產(chǎn)生的冷能來液化分離空氣，作為LNG 冷能梯級利用的第一級.2) LNG 經(jīng)過空分設(shè)備換熱后的溫度在-100 左右，此溫度與環(huán)境溫度還存在著較大的溫差，可利用的冷能仍然比

4、較可觀. 而co2的液化溫度是-70 ，干冰溫度為-78. 5 ，均與LNG 通過空分設(shè)備后的溫度相匹配. 因此，將液化co2和制取干冰作為LNG 冷能梯級利用的第二級是比較適合的.3) 利用LNG 第二級冷能制取液態(tài)co2和干冰之后，其溫度仍低于-60 . 而一般低溫冷庫的溫度范圍大致在-40 -10 之間，故將LNG 冷能梯級利用的第三級作為低溫冷庫的冷源，是可行且合理的做法.因此，LNG 從儲罐出來，經(jīng)過以上三級的冷能梯級利用后，溫度已接近所需的供氣溫度，再經(jīng)供氣前處理后即可通過ng 城市管網(wǎng)對天然氣用戶進行供氣. 以上梯級利用方案只要匹配好各級熱交換溫度，就能實現(xiàn)充分合理利用LNG 冷

5、能的目的.2 冷庫系統(tǒng)構(gòu)建與載冷劑選擇2. 1 LNG 冷能冷庫系統(tǒng)組成2. 1. 1 蓄冷裝置及蓄冷介質(zhì)由于LNG 氣化時冷量產(chǎn)生的不均勻性，在利用第三級LNG 冷能作為冷庫的冷源時，必須設(shè)置蓄冷裝置( 蓄冷池) 把冷量儲存起來，以解決冷庫冷量供需的矛盾. 蓄冷裝置的智能化程度要求比較高，可根據(jù)冷庫冷量需求的變化自動調(diào)整冷量輸出，從而提高了冷量利用效率. 而且，設(shè)置蓄冷裝置還可以加快初冷速度，使得庫房溫度更穩(wěn)定，從而保證冷產(chǎn)品的質(zhì)量.蓄冷介質(zhì)一般都采用無相變蓄冷方式. 在選用時，既要保證蓄冷介質(zhì)有較低的凝固點(冰點) ，又應(yīng)具有較強的蓄冷能力. 綜合考慮各種因素，選擇60%乙二醇水溶液作為L

6、NG 冷能冷庫蓄冷介質(zhì)較為理想，其溶液性質(zhì)見表13.2. 1. 2 換熱設(shè)備及液體循環(huán)泵在蓄冷介質(zhì)乙二醇與經(jīng)過第二級冷能利用后的LNG之間，以及冷庫載冷劑與乙二醇之間的換熱設(shè)備均選用板式換熱器，在較小循環(huán)量的情況下，可以提高其傳熱效率. 通過第一板式換熱器把LNG冷量傳遞給蓄冷介質(zhì)，并把冷量儲存在蓄冷池中; 通過第二板式換熱器把蓄冷介質(zhì)冷量傳遞給載冷劑，用于降低并維持庫內(nèi)空氣的溫度，保鮮冷產(chǎn)品. 在兩組換熱器之間分別設(shè)置液體循環(huán)泵，保證蓄冷介質(zhì)和載冷劑的正常循環(huán).2. 1. 3 產(chǎn)冷設(shè)備及液體調(diào)節(jié)站LNG 冷能冷庫的產(chǎn)冷設(shè)備與電動壓縮式冷庫類似，可以根據(jù)冷藏、冷凍的目的不同而選擇冷排管或冷風(fēng)機

7、. 考慮到載冷劑在LNG 冷能冷庫中一般是無相變制冷，宜選用冷風(fēng)機強化庫內(nèi)空氣的流動，提高制冷效果. 常規(guī)低溫冷庫冷藏間(18 ) 、凍結(jié)間 (-23 ) 的庫溫與產(chǎn)冷設(shè)備中制冷劑的傳熱溫差一般取0 ，而LNG 冷能冷庫載冷劑在各產(chǎn)冷設(shè)備中制冷時是顯熱交換，載冷劑吸熱后溫度升高，使傳熱溫差減小，制冷能力不如傳統(tǒng)冷庫中制冷劑在蒸發(fā)器中的潛熱交換大，所以庫溫與載冷劑的傳熱溫差應(yīng)加大，取15 20 較為合適，見表2.與常規(guī)電動壓縮式冷庫不同，LNG 冷能冷庫只需設(shè)置液體調(diào)節(jié)站，當(dāng)庫內(nèi)各冷間負荷變化時，分配調(diào)節(jié)載冷劑的供液量，以滿足各冷間產(chǎn)冷設(shè)備制冷的需要.2. 2 系統(tǒng)工藝流程系統(tǒng)工藝流程如圖1 所

8、示. 經(jīng)過前兩級冷能利用后的LNG 先接入穩(wěn)壓裝置 ( 或增壓裝置) 保壓，再由液體循環(huán)泵輸送至第一板式換熱器，與蓄冷介質(zhì)乙二醇進行熱交換，完全氣化后進入ng 城市管網(wǎng)供用戶使用. 乙二醇得到LNG 釋放的第三級冷能后，溫度從常溫降到-48 ，冷量儲存在蓄冷池中. 在第一板式換熱器上設(shè)置旁通閥，當(dāng)冷量過大時，打開旁通閥減少LNG 進入第一板式換熱器的流量，防止乙二醇水溶液固化. 載冷劑通過第二板式換熱器與蓄冷池中的乙二醇進行熱交換，溫度降至-40 ，并通過液體調(diào)節(jié)站分配到凍結(jié)間和冷藏間，使其庫溫分別降至-23 和-18 . 由于運行過程中載冷劑沒有發(fā)生相變，并且凍結(jié)間庫溫-23 、冷藏間庫溫-

9、18 是依次升高的，在熱負荷相近且比較穩(wěn)定的情況下，流量相同的載冷劑通過凍結(jié)間和冷藏間時產(chǎn)生的溫升也差別不大. 因此，系統(tǒng)采用串聯(lián)形式，使載冷劑串聯(lián)通過凍結(jié)間和冷藏間時分別釋放冷量. 這種連接方式，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，充分利用了LNG 的冷能，也實現(xiàn)了冷量在冷庫內(nèi)的梯級利用. 同時，由于蓄冷裝置的自適應(yīng)性，當(dāng)凍結(jié)間的負荷增大或減少時，蓄冷池提供的冷量也會根據(jù)負荷的不同自動調(diào)節(jié)冷量輸送，從而避免了冷藏間制冷效果可能由于凍結(jié)間負荷的變化而受到影響，保證了凍結(jié)間和冷藏間的制冷效果4 -5.2. 3 載冷劑選擇載冷劑選擇的適當(dāng)與否直接影響冷庫系統(tǒng)的制冷效果. 基于LNG 冷能冷庫與常規(guī)電動壓縮式冷庫的制冷方

10、式差異，比較理想的載冷劑應(yīng)該滿足以下幾點要求:1) 選擇中溫載冷劑，以滿足低溫冷庫的要求;2) 由于和載冷劑換熱的乙二醇溫度較低，宜選擇共晶溫度低的載冷劑，否則容易阻塞管路;3) 不燃不爆、無毒無腐蝕、安全環(huán)保;4) 比熱大、密度小、粘度小;5) 導(dǎo)熱系數(shù)大.在低溫冷庫制冷系統(tǒng)中，常用的中溫載冷劑是鹽水溶液和有機化合物水溶液. 鹽水溶液主要指nacl 和cacl2水溶液，其具有無毒性、比熱較大、凝固點較低以及導(dǎo)熱系數(shù)大等優(yōu)點; 有機化合物水溶液雖然可以得到更低的溫度，但價格昂貴，運行管理不方便，成本也較高. 因為在LNG 冷能冷庫各冷間中循環(huán)制冷的載冷劑溫度均低于nacl 水溶液的共晶溫度-2

11、1. 2 ，所以不能選用nacl 水溶液. 而cacl2水溶液的共晶溫度是-55 ，滿足庫溫-30 以下的低溫冷庫及載冷劑工作溫度的要求，且cacl2水溶液對產(chǎn)冷設(shè)備及管道的腐蝕性也較小. 另一方面，選擇cacl2水溶液并不是濃度越高越好，雖然濃度增高，可降低凝固點，但其密度增大、比熱減小，會增加載冷劑泵的功率消耗.綜上所述，所構(gòu)建的LNG 冷能冷庫系統(tǒng)宜選擇濃度為30%的cacl2水溶液為載冷劑.3 經(jīng)濟效益分析3. 1 大型LNG 項目冷能利用的經(jīng)濟效益迄今已經(jīng)完成的大型LNG 項目冷能利用情況表明，如果下游市場能夠合理配套，大規(guī)模LNG 項目冷能利用的經(jīng)濟效益潛力巨大. 例如，某3. 5

12、106t/ 年 LNG 項目，因位于一個特大型循環(huán)經(jīng)濟區(qū)之內(nèi)，有包括大規(guī)模空分、油田伴生氣輕烴分離以及通過冷媒循環(huán)系統(tǒng)，向下游低溫粉碎、干冰、冷庫等規(guī)模大、溫位分布適宜的重化工業(yè)及其他低溫冷能等用戶. 其總供冷負荷大于70 mw，其中70 % 以上冷能獲得了梯級利用，總經(jīng)濟效益約4108元/年. 其冷能下游用戶LNG 冷能冷庫可用比傳統(tǒng)耗電制冷低的價格購入LNG 冷能，因而內(nèi)部收益率提高到15 %6，比沒有利用冷能的項目提高了5 個百分點，經(jīng)濟效益顯著.3. 2 小型LNG 項目冷能利用的經(jīng)濟效益小型LNG 項目冷能利用同樣具有明顯的經(jīng)濟效益. 例如，某縣級小型LNG 衛(wèi)星站冷能利用項目，一期

13、規(guī)模為每年4104t LNG，通過冷媒循環(huán)系統(tǒng)向下游LNG 冷能冷庫、室內(nèi)滑冰場、建筑物空調(diào)等用戶提供冷負荷. 以每噸LNG 汽化釋放出830 mj 的冷量折算，該衛(wèi)星站每日將產(chǎn)生總冷量90958.9 mj，取LNG 冷能冷庫系統(tǒng)的冷量利用占總釋放冷量的比例為33% ，則每日可用于冷庫的有效冷負荷為347. 7 kw，產(chǎn)生的冷量足以滿足中等規(guī)模的冷庫需要.在不考慮制冷所需的投資、折舊費用情況下，溫度下單位冷價計算公式7為:其中:cqt為t 溫度下的單位冷價;ce為電價;exp為制冷耗電量;q 為總制冷量.對于電驅(qū)動壓縮式制冷:其中cop 為制冷系數(shù).如取工業(yè)電價為0.8 元kw- 1h- 1，

14、則以常規(guī)電動壓縮式制冷方式，在制冷系數(shù)cop 取3 的情況下，得到同樣冷量折算的單位冷價5為0.07 元mj- 1. 以此冷價為依據(jù)，根據(jù) LNG 冷能冷庫所利用的冷量份額，計算得到該冷庫年冷量收益為76. 7 萬元. 以目前市場行情，LNG 冷能冷庫設(shè)備投資以2000 元kw- 1計算，則該 LNG 冷庫系統(tǒng)需投資69. 5 萬元，假設(shè)LNG 冷能冷庫年運行費用按設(shè)備造價的20 % 計算，設(shè)備年折舊率以3% 計算，則LNG 冷能冷庫系統(tǒng)投資回收期僅為1.11 年，見表3.4 結(jié)論1) 對LNG高品位冷能進行梯級利用，將其第三級釋放出來的可回收冷量，作為中大規(guī)模低溫冷庫的冷源是合理可行的. 該

15、方案不僅具有很大的節(jié)能潛力，還能平衡電網(wǎng)負荷.2) 在LNG冷能冷庫中設(shè)置蓄冷裝置，增強了冷庫系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性與可靠性. 由于載冷劑溫度較低，選擇cacl2水溶液作為載冷劑較為合適. 必須增大庫溫與載冷劑之間的傳熱溫差，以提高載冷劑在各產(chǎn)冷設(shè)備中的制冷量.3) LNG冷能冷庫較傳統(tǒng)電驅(qū)動冷庫減少了制冷壓縮機、冷凝器、節(jié)流裝置及各種輔助設(shè)備，冷庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單. 既節(jié)省了冷庫制冷裝置大量的投資費用，又明顯減少了壓縮式制冷設(shè)備工作時所必需的運行費用. 根據(jù)對某小型LNG冷能利用項目下游LNG冷能冷庫進行的計算結(jié)果，其投資回收期僅為1.11 年，因此，經(jīng)濟效益十分顯著.參考文獻1 billiard f. 制冷與可持續(xù)發(fā)展 j. 制冷學(xué)報，2003，24( 2) : 17-18.2 王強，厲彥忠，張朝昌. 液化天然氣 ( LNG) 冷能回收及其利用 j. 低溫工程，2002，128( 4) : 38-42.3 盛青青，章學(xué)來，葉金，等. 利用 LNG 冷能的冷凍冷藏庫設(shè)計 j. 能源技術(shù)，2007，28( 6) : 322-324.4 黃美斌，林文勝，顧安忠. 利用 LNG 冷能的低溫冷庫流程比較 j. 制冷學(xué)報，2009，30( 4) : 58-62.5 吳集迎，馬益民，陳仕清. LNG 冷能用于冷庫的系統(tǒng)設(shè)計及分析