LNG汽化过程中冷量回收的研究及优化

林 东 ，王祥保 ，马芝玉 ，邓 伟

（1.中国石化销售有限公司广西石油分公司，广西 南宁530021；2.广西大学 机械工程学院，广西 南宁530004）

LNG汽化过程中冷量回收的研究及优化

林 东1，王祥保1，马芝玉1，邓 伟2

（1.中国石化销售有限公司广西石油分公司，广西 南宁530021；2.广西大学 机械工程学院，广西 南宁530004）

普通LNG汽化工艺流程中LNG直接通入汽化器汽化造成极大浪费，且低温环境会减少设备的使用寿命。据此设计了一种吸收LNG汽化过程中浪费的冷能的回收装置，通过两级冷媒的吸收转换将LNG的冷量运用于水冷式风机盘管。并对系统进行模拟计算，分析LNG的进口压力、出口温度对效率的影响。

LNG汽化；冷能回收；两级冷媒；炬用效率

LNG在常压下为无色、无味、无毒且无腐蚀的液体，温度约为-162℃，然而液化天然气最终大多是以气态形式加以利用，这就需要把LNG再次汽化，汽化过程中所创造的低温环境广泛的运用到各个领域，通常情况下LNG汽化到零度以上，这一过程放出的冷能大约为830～860 kJ/kg[1]，工业条件常使用空温式汽化器对LNG作升温处理，浪费了极大的冷量。因此提供一种能够吸收LNG汽化过程冷量的系统是本发明的技术背景。

1 系统设计

本文设计了一种LNG汽化过程中的冷量回收系统，如图1所示。

图1 系统示意图

1.1 系统流程

LNG经过法兰1进入系统，阀门2关闭，4打开，LNG进入换热器5内与工质A换热，换热汽化后的LNG进入到汽化器进一步升温后进入到收集装置；1级回路工质A在换热器5内被冷却至液态后，流回到低温储蓄罐，经泵7加压后，进入到换热器6内与2级回路工质B换热，换热升温后的工质A再次进入换热器5内完成循环；2级回路循环工质B流经换热器6降温后，进入到流回储蓄罐，从储蓄罐出来的工质B经泵12加压后送入到风机盘管达到制冷效果。

1.2 工质选择

2级回路中使用风机盘管达到对室内环境的制冷，所以工质B选择为水；对于工质A的选取，应考虑其安全性、环境友好性，对于设计的系统，由于换热器5内温度较低，制冷循环需采用凝固点较低的环境友好型工质，本文使用了质量分数为25%CaCl2水溶液。

2 效率计算

20世纪80年代，首次提出了炬用传递的概念[2]，项新耀[3]建立了炬用传递方程，引用“炬用阻”的概念，以热力学与传输原理相结合的方法为基础，提出了炬用传递分析，以揭示传递过程中能质的变化规律，本文通过炬用传递的概念来分析整个系统的炬用效率。

工质在某一点的炬用可以表示为：

式中：Ei为工质某一状态下的炬用；m为工质的质量；T0为环境温度，本文取35℃；hi、h0为工质在某一状态、环境状态的比焓值；Si、S0为工质在某一状态、环境状态的比熵值。

炬用传递过程的由炬用平衡的定义有：

换热器换热过程可视为一个炬用传递过程，所以换热器炬用效率等于换热器换热过程中收益炬用与换热过程的输入炬用的比值。换热器5炬用效率：

E2，0、E2，i分别为换热器热端输出炬用、输入炬用，E1，i、E1，0分别为换热器冷端输入炬用、输出炬用。

整个系统的输入炬用由液氮进入到换热器5的进出口炬用值的差值 E1，i-E1，0，系统风机盘管功率 W、两个泵功率P1、P2组成；系统收益炬用为工质B进出水冷式风机盘管的炬用的差值，当系统稳定运行时，等于工质B在换热器6内获得的炬用。系统收益炬用：

E3、E4分别为工质B进出换热器6的炬用值，则系统炬用效率：

3 实验结果及分析

LNG由高压钢瓶储存，流量为500 kg/h，工质A流量为2 000 kg/h，工质B流量为2 000 kg/h，根据温度、压力传感器测量出的各数据求得对应的炬用值，本文给出了一种计算情况，LNG进出换热器5的温度为-162℃、-120℃，压力不变为1.2 MPa；工质A进出换热器5的温度为10℃、-10.3℃，压力不变为1.5 MPa；工质B进出换热器6的温度为25℃、11.8℃，压力不变为3 MPa，根据以上数据查询Refprop软件，再根据公式 1 可求得 E2，0-E2，i=15 484 kJ/h，E1，i-E1，0=146 910 kJ/h，η5=10.54%，此时 E3-E4=6 842.5 kJ/h，η=6 842.5/（146 910+2.2×3 600）=4.4%.

图2给出了LNG在换热器5内换热后的出口温度的变化对系统炬用效率的影响规律。

图2 天然气的出口温度对换热器5及系统炬用效率的影响

由图2可知，随着天然气出口温度的升高，换热器5及系统的炬用效率升高，这是因为氮气在5内的进出口温差增大，造成了换热器5内的收益炬用及输入炬用升高，且收益炬用的增速大于输入炬用的增速，所以换热器5的炬用效率随出口温度升高而增加；此时二级回路温差小效率高，经过二级回路吸收利用的系统收益炬用（制冷量）的增速大于系统输入炬用的增速，因此系统的炬用效率随着温度的升高而增大。

图3给出了天然气进口压力对系统炬用效率的影响。

图3 天然气的进口压力对换热器5及系统炬用效率的影响

由图3可知氮气进口压力越大，换热器5及系统的炬用效率越高。这是由于氮气进口压力升高，造成了换热器5内的收益炬用及输入炬用降低，且收益炬用降低的速度低于后者，所以换热器5的炬用效率随着压力的升高而增大；此时二级回路温差小换热效率高，系统输入炬用降低的速度大于输出炬用的速度，所以系统的炬用效率随着压力的升高而增大。

4 结论

（1）与LNG换热的换热器5的炬用效率最高为20.4%，效率较低，这是由于换热器5的温差过大导致的不可逆炬用损失过大。

（2）系统炬用效率最高为9.9%，效率很低，主要是因为换热器5不可逆损失过大。

（3）提升LNG进口压力、天然气在换热器5内的出口温度能够提升换热器5及系统的炬用效率。

[1]李 静，李志红，华 贲.LNG冷能利用现状及发展前景[J]．天然气工业，2005，25（5）：103-105．

[2]Soma J.Exergy transfer-A new field of energy endeavor[J].EnergyEngineering，1985，82（4）：225-219.

[3]项新耀.炬用传递方程及炬用传递分析[J].大庆石油学院学报，1998，22（2）：416-418.

Study and Optimization of Cooling Recovery in LNG Vaporization Process

LIN Dong1，WANG Xiang-bao1，MA Zhi-yu1，DENG Wei2
（1.China Petrochemical Sales Co.，Ltd.，Guangxi Petroleum Branch，Nanning Guangxi 530021，China；2.Collegeof Mechanical Engineering，Nanning Guangxi 530004，China）

Ordinary LNG vaporization process directly to the LNG into the vaporizer resulting in a great waste.In this paper，a cold energy recovery device for absorbing LNG vaporization is designed，and the cooling capacity of LNG is applied to the water-cooled fan coil through the absorption conversion of two-stage refrigerant.The influence of inlet pressure and outlet temperature on the efficiency of LNG was analyzed.

LNG vaporization；cold energy recovery；two-stage refrigerant；exergy efficiency

TK01.9

A

1672-545X（2017）10-0146-03

2017-07-02

林 东（1964-），男，广西博白人，大专，研究方向：LNG冷能回收；马芝玉（1983-），女，广西资源人，硕士，研究方向：LNG冷能回收；邓 伟（1992-），男，湖北神农架人，硕士生，研究方向：LNG冷能回收。