LCNG加气站冷能回收系统的设计与投资分析

林 东 文 彬 邓 伟

〔1 中国石化广西石油分公司 广西南宁 530021；2 广西大学机械工程学院 广西南宁 530004〕

进入21世纪以来，世界经济的快速发展极大地推动了基础能源的消费，同时也带来了许多环境问题，虽然人们针对日益恶劣的环境问题提出了一系列节能减排的措施，但世界总体能源需求量仍在持续攀升。根据 BP 世界能源预测，到2035年，全球一次性能源消费将会增长37 %，化石燃料将满足三分之二的新增能源需求[1]，为了解决能源消耗日益增长以及保护环境之间的冲突，人们不断调整能源结构，优化产业结构，其中煤炭及石油占能源的比重下降，可再生能源和非常规化石燃料以及天然气的比重在不断提高。我国作为当今世界上最大的能源消费国家，能源结构也在经历着举世瞩目的变革，大力发展天然气产业是顺应改革趋势,符合市场与环境需求的合理选择。党的十八大以来，国家大力推进生态文明建设,确立了能源革命战略,将天然气列为我国主力能源,并正式发布了能源生产和消费革命战略(2016—2030年)，明确要求到2030年一次能源结构中天然气占比达到15%左右[2]。

天然气作为低碳、高效的清洁能源，主要运用于工业、交通、发电等产业，我国的天然气行业虽然基础薄弱，但在政府大刀阔斧地进行了包括油气体制改革等一系列改革后[3]，天然气产业得以迅速发展。以天然气汽车为例,由于天然气汽车在环保、经济等方面的优势[4]，使其在汽车市场得以迅速发展,而且随着液化天然气技术的不断提高，LNG汽车加气时间短、安全性高等优势也日益突出。目前全国压缩天然气(CNG)汽车已超过500万辆,CNG加气站有6 000座左右[5]。然而气态天然气不便于运输，工业上将天然气液化，冷凝后的液体称之为LNG，相比于传统的压缩储运，液态运输更安全，且LNG的密度是标准状态下甲烷的625倍，这样会提高运输能力[6]。LNG经过槽车运输抵达加气站后，通过低温泵加压成LCNG后再被加热汽化成为 CNG 储存销售,即新型的LCNG加气站。这种加气站具有原料来源便捷和占地面积小等优势，在我国CNG产业蓬勃发展的前景下,LCNG加气站必然会成为加气站的主流发展方向。在已建成的 LCNG 加气站中，其加工方式如下：槽车运输LNG至加气站储罐，而后LNG经过低温泵加压至 25 MPa成为LCNG，LCNG通过汽化器升温后进入CNG 储罐再销售给客户。由于目前大多数加气站采用空温式汽化器对LCNG进行升温,该过程中约有860 kJ/kg的冷能被直接排放到空气中,造成了巨大的浪费。以南宁市新阳加气站每日加气站汽化量10m3计算，每天直接浪费的冷能就会有4.15×106kJ，若将这部分冷能进行回收利用，可以获得可观的经济效益。目前国内回收利用LNG的主要方式有冷能发电[7-8]、空气分离[9]、轻烃分离及

回收[10]、海水淡化[11]等。这些利用方式适用于大型LNG 接收站或卫星站,而LCNG加气站占地较少，汽化量不稳定以及成本限制等因素，导致传统的冷能利用方式并不适用，因此在这些前提下,本文以新阳加气站为例设计了一套合理利用 LCNG 加气站冷能的方案。

1 设计方案

该LCNG加气站冷能回收系统，采用两级换热方式，将LCNG汽化的冷能通过换热传递给一级载冷剂，二级载冷剂再与一级载冷剂换热吸收LCNG汽化的冷能，并将所携带的冷能通过二级循环回路中的末端设备为加气站营业房提供冷能。

1.1 设计难点

LCNG设计方案中主要考虑三方面问题：①LNG每日汽化量与槽车加注频率有关，导致加气站汽化量不稳定，因此设计的冷能回收系统必须满足将LNG冷能吸收并储存进行持续利用的要求；②新阳加气站占地面积3922m2，其中站点罩棚面积600m2，营业房面积200m2,可供冷能回收设备利用的面积不多，因此设计的冷能回收系统必须尽可能紧凑③LCNG在低温泵的出口温度低至-162℃,出口压力高至25MPa。为防止天然气泄漏造成危险，要选用耐低温高压的LCNG换热器。

1.2 流程设计

市场上符合LCNG换热器换热要求的换热器有U 型管换热器[12]和绕管式换热器[13]。这两种换热器由于管道自身的弯曲可以很好地克服压力和温度巨大变化产生的形变,但U型管换热器一般应用于大型的换热系统中，占地面积较大，而本设计中加气站场地有限,因此设计中LCNG换热器采用绕管式换热器。系统流程设计时考虑在一级循环系统和两级循环系统中选择，虽然一级循环对吸收LCNG冷能优势明显[14]，但是也存在几点缺陷：①回路中温度很低，系统长时间处于低温高压的工作环境，会大大损耗设备寿命，对整个系统的工艺要求很高；②为达到一级循环系统设计中储存冷能的要求，设计的冰蓄冷装置调试相对复杂，而且蓄冰槽本身成本过高且占地面积大。相比较而言虽然二级循环系统管路、设备多于前者,但是除去蓄冰槽及调试的成本,两者的投资相差无几,同时二级循环回路中的载冷剂能快速带走一级循环回路中载冷剂所携带的冷能并储存在二级循环回路中的冷冻水箱,减小了一级循环回路内的温差,大大提升了设备寿命。因此，本设计中采用二级循环系统吸收LCNG冷能。两级循环系统示意图见图1:

图1两级循环系统示意

1—LNG储罐；2—低温泵；3—液体流量计；4—CNG储罐5—LCNG换热器；6—水浴加热器；7—低温储罐；8—计量泵；9—管壳式换热器；10—液体流量计；11—水浴加热器；12—冷冻水箱；13—水泵；14—风机盘管；15—液体流量计；P01～P05—压力传感器；T01～T10温度传感器

2 设计参数

本文使用的Aspen软件是一个供生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统,根据设计的示意图1在软件中模拟流程。储罐内LNG组分见表1。

表1 LNG组分

2.1 载冷剂的选取

对一、二级循环回路中载冷剂进行选取，一级循环的载冷剂选择标准是流动性和安全性：由于一级载冷剂与LCNG在换热器内直接换热，温度快速下降，而系统设计的是便于控制和维护的开式系统,原理是利用冷热流体间的温差而产生的非相变制冷,因此一级循环应选择常压下冰点很低的载冷剂,同时还要考虑系统运行过程中不可避免的泄漏问题,所以载冷剂还应满足低毒性、低可燃性和低腐蚀性，满足以上条件的载冷剂常见的有氨水、氯化钙水溶液、乙二醇水溶液等。由于前两者对不锈钢管道腐蚀性大,因此，选择乙二醇水溶液作为一级循环载冷剂,考虑到乙二醇水溶液轻微的腐蚀性,在乙二醇水溶液可加入少量的三乙醇胺防蚀剂。设计中一级循环的载冷剂采用质量分数为50%乙二醇水溶液, 二级循环的载冷剂考虑成本条件，选用水。

2.2 流程参数

根据设计要求，列出两级循环回路系统流程参数要求如下：

(1)设定LNG在储罐中的压力保持在0.12MPa，其对应的饱和温度为-160℃。南宁市新阳加气站每天的加气量约6255 m3，LNG加液机工作设计压力1.6MPa，CNG加气机设计最大工作压力25MPa。参照体积约为同量气态天然气体积的1/625来计算，每日加气站LNG汽化量为10 m3，实际情况中LNG 汽化成 CNG 的流量一定是不稳定的，白天的流量较大，夜间流量减小甚至停止工作，在本设计中作简化处理,假设加气站连续工作时间为10 h，LCNG汽化量为10 m3，因此，加气站每小时汽化量为1 m3。

(2)设置低温泵的效率为80%，LNG经低温泵加压至25MPa(LCNG)。

(3)换热器厂家一般以-10 ℃作为低温设备和常温设备的分界标准，低温设备需要采用耐低温材料并进行低温测试，使其价格远高于常温设备，综合考虑设备成本和换热效果，将CNG出口温度设定在-8 ℃。

(4)一、二级循环回路中泵提供的动力仅能满足载冷剂循环的正常运转；假定一、二级循环回路中各换热器的压降为20kPa，假设LCNG在LCNG换热器内换热压力损失为50kPa。

(5)参考常水型风机盘管进出口温差标准，设置风机盘管内水的进出口温度分别为7℃、12℃。

(6)模拟采用的物性方程为RSK方程，所有参数均由Aspen plus计算得出。表2列出了Aspen plus模拟冷能回收系统的关键参数。

表2 Aspen plus模拟冷能回收系统关键参数

3 经济性分析

本设计中新阳LCNG加气站所有的基础配套设施齐全，因此在对冷能回收装置主要设备的成本进行投资估算时，统计的对象是主要用于冷能回收系统而新增的设备，包括换热器、低温泵、乙二醇工质、循环泵、风机盘管等。根据厂家对比得到设备报价为：换热器9万元，低温泵4万元，乙二醇工质及循环泵1万元，其他小型设备和零件1万元，管道安装及管道保温费4万，总计投资19万元。

冷能回收系统的运行费用包括电费、人工费用及维护成本等，根据ASPEN 模拟结果,低温泵消耗电费占比最大每年约为1.7万元,计量泵及水泵与风机盘管消耗电费每年约为0.1万元, 人工费用及维护成本每年为0.3万元。系统设计时在一级循环回路载冷剂中添加了少量缓蚀剂,因此减弱了乙二醇溶液对载冷剂管道的腐蚀,参照常见乙二醇水溶液水系统使用年限估算,整套设备的使用年限最低为10年。

本系统设计的LCNG 冷能回收系统吸收的冷能通过水冷式风机盘管为加气站内营业房提供冷能,节省了常规加气站营业房中使用中央空调系统达到制冷效果所消耗的电量，可作为设备投资的成本回收来计算。根据 ASPEN的模拟结果可知,1m3/h的LNG通过本系统可以获得62.79kW的制冷量,那么风机盘管每天可以得到冷量为627.9 kW·h,水冷式风机盘管制冷系数 COP 为1.8左右,那么冷能回收系统每天实际节省的电量为348.8kW·h, 按照夏季供冷每年5个月供冷时间，本地电价为0.9元/度计算,整套系统每年可以节约空调电费4.7万元,南宁新阳加气站营业房面积为200m2,按照公共场所每平米250W供冷量、工作时间8 h计算,营业房每天需要400 kW·h的冷量,由此可得,冷能回收装置提供的冷能可以完全替代中央空调制冷的效果。

参考评价工程项目投资的静态评价方法，对冷能回收系统的投资及运行费用与冷能回收系统节省的电能进行比较，求出简单投资回收期。

设投资回收期为n年,列出关系式如下:

IC+OC×n=n×RC

式中:IC——初始投资19万元;

OC——年运行费2.1万元;

RC——年电能成本回收4.7万元。

计算可得,此工程的投资回收期为7.3年,因此运用两级循环冷能回收装置回收LNG的冷能是合理可行的。

4 结语

本文设计的LCNG冷能回收系统，将LCNG 加气站中LNG 转化为CNG 过程中释放的冷能储存并加以利用，LCNE为加气站节约了用冷成本，具有可观的节能效益和经济效益，系统投资回收期为7.3年。