某LNG接收站冷能用作区域供冷系统冷源探讨

杨晖 张皓兴 董冰艳 孙正阳 王锐 江苑菲

1.北京建筑大学，供热、供燃气、通风及空调工程北京市重点实验室 2.华润置地(北京)股份有限公司

出于经济发展和环境保护的需要，天然气在我国一次能源消费占比将显著增加。据《2019中国能源化工产业发展报告》，我国2018年天然气需求量达2770×108m3，2019年将达3050×108m3，其中进口LNG份额进一步扩大。目前我国已投产LNG接收站22座，总接收能力每年近7000×104t。LNG是常压、低温(-162 ℃)下的液态天然气，在进入管道输送、用作燃料或化工原料之前，需要通过气化器气化后使用。LNG气化时释放出高品位的低温冷能，其理论值约为828 kJ/kg[1]，充分利用这部分冷能，可以提高能源利用率，降低天然气的生产使用成本，减少对周围环境的冷污染，具有相当高的经济效益和环境效益[2-3]。国内有学者对LNG冷能的利用进行了研究，如张自波[4]、张超[5]、陈赓良[6]等分别对LNG冷能制冰、发电、汽车空调系统和低温冷藏车的可行性进行了研究。

空调系统能耗在建筑能耗中所占比重很大，若在拥有大型LNG接收站的地区，将LNG冷能作为区域供冷系统的冷源，则可降低空调系统的能耗。肖星[7]等模拟分析将LNG冷能用于建筑空调的可行性，并提出了一种将LNG冷能用于建筑空调的流程。Xiaojun Shi[8]等人提出了一种LNG冷能和低温余热相结合的组合动力系统，并仿真分析了各关键因素对该循环性能的影响。林苑[9]等设计了一套将LNG冷能用于冰蓄冷空调的两级冷媒传递工艺方案，并根据实际工程模拟得出了该工艺的冷能回收量。王弢[10]、苏鹏[11]等对比分析了将LNG冷能作为冷源分别用于冰蓄冷和直接冷却水的两种区域供冷系统的冷量损失和经济性。

上述工作已表明，冷热源与用户之间的距离是影响区域供冷经济性的重要因素，能量输送距离越长，管道冷损失和输送能耗越高，用户末端实际可利用的冷量随之减少。因此，基于能源利用率考虑，区域供冷系统存在一个合理的室外管网输送距离[12]。然而在本文作者所查阅的文献中，尚未发现已形成得到公认的LNG接收站冷能的典型输送距离，因此本文选取了10个输送距离，研究了LNG冷能用于区域供冷系统的经济性，从而对LNG冷能用于区域供冷系统的合理输送距离进行了研究。本文设计了一套LNG-R410a-循环冷冻水间接换热区域供冷系统，基于天津地区渤海湾某LNG接收站相关设计参数，重点讨论了供冷距离对于采用LNG冷能作为冷源的区域供冷系统的可行性。设置输送距离为2 km、4 km、6 km、8 km、10 km、12 km、14 km、16 km、18 km、20 km，采用Aspen Plus软件对接收站在设计工况下的可利用冷量进行了计算，并分析了该系统用于办公建筑和数据中心空调时相比传统的楼宇分布式电制冷系统的经济性及环境效益，得到了应用LNG冷能区域供冷系统的合理输送距离。

1 工程实例分析

1.1 系统流程

本文以天津地区渤海湾某LNG接收站为研究对象，探讨了LNG冷能作为冷源应用于区域供冷的可行性。为保证LNG冷能供给侧的稳定，采用接收站的最小设计外输气量作为冷能计算基准。根据用户冷负荷的特性，LNG气化所释放的冷能用于承担用户侧的全部或部分空调负荷。

由于LNG气化温度较低，因此本系统采用有相变的中间介质循环系统，以避免水系统凝固堵塞破坏管路，系统流程如图1所示。根据物性及介质温度特性，选择R410a作为中间循环介质，利用Aspen Plus进行系统换热量计算。系统流程为：LNG通过LNG-R410a换热器与R410a进行间接热交换，R410a吸收LNG的冷量冷凝为液态，LNG则气化为天然气(natural gas,NG)；冷凝后液态的R410a通过R410a-循环冷冻水换热器与循环冷冻水进行间接换热，R410a受热气化，循环冷冻水受冷降温；降温后的循环冷冻水经长距离输送至用户端，从而向用户端供冷。承担用户冷负荷后，循环冷冻水温度升高，返回LNG接收站,进入R410a-循环冷冻水换热器。

1.2 各过程换热量与流量分析

本文计算所采用的LNG气化前后压力及温度参数取值参考了工程设计值。根据该工程设计资料，工程建设规模为300×104t/a，供气能力为40×108m3/a，另根据该接收站全年外输气量的负荷预测，气化量不低于160 t/h，设计提出冷能利用项目按照160 t/h的最小外输气量计算冷能利用设备的容量，以保证冷能利用系统的稳定运行，因此，本文计算采用了该流量。

系统中，设计R410a与LNG进行有相变的间接换热。换热前，LNG温度为-150 ℃、压力为10.01 MPa，R410a为纯气相(蒸汽质量分数为1)，温度为3 ℃。换热后，LNG受热气化为压力9.99 MPa、温度1 ℃的NG，纯气相R410a受冷冷凝为温度-8 ℃的纯液相R410a(即蒸汽质量分数为0)。根据输入的LNG换热前后的温度和压力，利用Aspen Plus可模拟计算得出LNG气化过程的最大可用冷能如表1所示。根据输入的R410a换热前后的温度和蒸汽质量分数，通过Aspen Plus模拟可得换热前，3 ℃的纯气相R410a压力为878.49 kPa，换热后，-8 ℃的纯液相R410a压力为617.27 kPa，令R410a的流量为1000 kg/h，R410a单位流量换热量为67.00 kW。取LNG-R410a换热器换热效率为90%[13]，则可计算得出R410a与LNG换热过程单位时间所得冷量及流量如表1所示。

取循环冷冻水供/回水温度为4 ℃/14 ℃[14]。设定R410a-循环冷冻水换热器水系统出口压力为100 kPa，循环冷冻水的流量为1000 kg/h，模拟可得循环冷冻水单位流量换热量为13.49 kW。取R410a-循环冷冻水换热器的换热效率为90%，则单位时间循环冷冻水与R410a换热过程所得冷量及流量可计算得出。各过程换热量及流量如表1所示。

表1 各工质单位时间换热量与流量Table 1 Heat transfer capacity and flow rate per unit time for working fluids工质换热量/kW流量/(t·h-1)LNG30 572.35160.00R410a27 515.11410.68循环冷冻水24 763.601 835.97

循环冷冻水流量为1 835.97 t/h，区域供冷系统管网流速取值范围为2.5～3.5 m/s[14]，由公式(1)可确定输送干管直径为DN500，此时实际流速为2.60 m/s。

(1)

式中：M为质量流量，kg/s；v为流速，m/s；S为水管截面面积，m2；d为水管直径，m；ρ为水密度，kg/m3。

1.3 输送设备与实际供冷量计算

考虑到管路往返，取外网输送总长度为输送距离的2倍。利用鸿业水力计算软件，输入负荷24 763.601 2 kW、管径DN500、供回水温度4 ℃/14 ℃以及管道参数，可得外网单位长度比摩阻约为127.96 Pa/m。设输送距离为x(km)，则外网输送压力损失为255.92x(kPa)。对于不同的方案，均选取1台冷媒泵，冷媒泵型号为300ZX550-55(流量550 m3/h，扬程55 mH2O，功率75 kW)，价格为4.54万元。沿程阻力随输送距离增加而增加，因此，各方案根据输送压力损失和流量选取合适的循环冷冻水水泵(单台水泵或2台水泵串联)来输送循环冷冻水，其参数如表2所示。根据计算出来的管网实际阻力和水泵的特性曲线可确定水泵的实际工况点，从而得到水泵的实际功率。

表2 循环冷冻水泵参数Table 2 Parameters of chilled water circulating pump方案输送距离/km型号数量额定流量/(m3·h-1)扬程/mH2O额定功率/kW实际流量/(m3·h-1)实际功率/kW价格/万元12KQSN500-M9/6211185850355183630642.6624KQSN400-M6W/62011818111800183667255.0336KQSN400-M6W/7251201816012501836105069.5648KQSN400-N4/7751184321916001836128080.13510KQSN400-N4/8351194024018001836140495.16612KQSN400-M6W/72522018160125018361038139.11714KQSN400-N4/70521750200140018361092156.21816KQSN400-N4/77521843219160018361280160.26918KQSN400-N4/83521940240180018361368190.331020KQSN400-N4/90022020260200018361620197.35 注:水泵价格为2018年最新报价。

在冷冻水的输送过程中，冷冻水会通过输送管道向外界散发冷量，造成输送管道的冷损失。同时，循环冷冻水泵和冷媒泵运转所消耗的电能会有一部分转化为热能，从而造成泵的冷损失。输送管道冷损失和泵冷损失会使用户实际得到的冷量减少。LNG冷能区域供冷系统循环冷冻水输送干管采用DN500的直埋保温管，流速为2.6 m/s时，供水管和回水管冷损失分别为56.063 W/m和24.481 W/m[14]。水泵耗电量转换成热量引起的水泵冷损失按照水泵功耗的80%计算[15]，可得各方案用户的实际可用冷量如表3所示，其中，水泵的耗电量以水泵的实际功率计算。

表3 各方案冷损失与实际供冷量Table 3 Cooling loss and actual cooling capacity for each case方案输送距离/km供水管道冷损失/kW回水管道冷损失/kW管道总冷损失/kW泵冷损失/kW实际供冷量/kW12112.1348.96161.09304.2424 271.2724224.2597.92322.18597.6023 816.8236336.38146.89483.26900.0023 353.3448448.50195.85644.351 084.0023 008.25510560.63244.81805.441 183.2022 747.96612672.76293.77966.531 720.0022 050.07714784.88342.731 127.621 807.2021 801.78816897.01391.701 288.702 108.0021 339.909181 009.13440.661 449.792 248.8021 038.0110201 121.26489.621 610.882 652.0020 473.72

2 经济及环境效益分析

2.1 LNG冷能区域供冷系统各方案所需费用

分别以办公建筑和数据中心两种典型建筑为LNG冷能区域供冷系统的用户，分析LNG冷能区域供冷系统的经济性及环境效益。LNG冷能区域供冷系统的初投资主要包括换热设备造价、管道造价、土建施工费和水泵总价，运行成本主要由水泵的运行电费构成，其中水泵的耗电量以实际功率计算。各方案选取相同的LNG-R410a-循环冷冻水换热系统，设备造价为700万元。循环冷冻水输送管道价格折合为450元/m，土建施工费约为400元/m。由于目前国内无成熟的LNG冷能市场价格，因此本文对LNG冷能价格不加以考虑。

由于不同功能建筑空调冷负荷特性不同，可以考虑将LNG冷能作为多能互补区域供冷系统中的优先使用冷源，用于满足用户侧的基本冷能需求；采用其他冷源作为调峰冷源，经耦合与协调满足全年冷负荷变化的需求。数据中心制冷系统全年不间断运行，办公建筑制冷系统仅在空调季节间接运行，因此，两种建筑制冷系统的年运行费用不同。办公建筑制冷系统全年运行150天，每天运行11 h(早7:00-晚18:00)[16-17]，而数据中心根据其功能特性与文韬的相关文献研究[18]，全年运行365天，每天运行24 h。据刘海静等研究[19]，当室外温度低于2 ℃时，数据中心可完全使用自然冷源进行制冷。天津地区属于寒冷地区，每年室外温度低于2 ℃的时间为2028 h，因此，在使用自然冷源的情况下，数据中心每年使用电制冷或区域制冷的时长为6732 h；在不使用自然冷源的情况下，数据中心全年使用电制冷或区域制冷，时长为8760 h。工业用电平均价格为0.876元/kWh，则各方案初投资及输送设备运行电费如表4所示。

2.2 电制冷系统所需费用

以常规的楼宇分布式电制冷系统为比较基准，假设达到表3中各方案的实际供冷量，可计算LNG冷能区域供冷系统的经济性。根据表3中各方案的供冷量，选择采用电制冷系统所需的制冷设备，按照GB 19577—2015《冷水机组能效限定值及能源效率等级》建议方案中水冷式冷水机组的能效要求[20]，参照第3级市场准入等级能效取值，确定制冷机组COP为5.2。与常规电制冷空调系统相比，LNG冷能区域供冷系统只是改变了冷源及输送距离，并不影响建筑空调系统末端设备及系统构造。经过向多家厂商询价并比较后，常规空调用电制冷系统单价取400元/kW制冷量，则电制冷系统的初投资及运行费用如表5所示。

表4 区域供冷各方案初投资及输送设备运行费用Table 4 Initial investments and operating costs for different district cooling distance cases方案换热设备造价/万元管道造价/万元施工费用/万元泵总价格/万元初投资/万元每小时运行电费/元办公建筑年运行电费/万元无自然冷源的数据中心年运行电费/万元有自然冷源的数据中心年运行电费/万元1234567891070070070070070070070070070070018016047.201 087.20333.1454.97291.83224.27 36032059.571 439.57654.37107.97573.23440.52 54048074.101 794.10985.50162.61863.30663.44 72064084.672 144.671 186.98195.851 039.79799.0790080099.702 499.701 295.60213.771 134.95872.20 1080960143.652 883.651 883.40310.761 649.861 267.9012601120160.753 240.751 978.88326.521 733.501 332.1814401280164.803 584.802 308.26380.862 022.041 553.9216201440194.873 954.872 462.44406.302 157.091 657.7118001600201.894 301.892 903.94479.152 543.851 954.93

表5 电制冷系统的初投资及运行费用估算Table 5 Initial investments and operating costs for electricity-driven refrigeration system方案实际供冷量/kW制冷系统初投资/万元每小时运行电费/元办公建筑年运行电费/万元无自然冷源的数据中心年运行电费/万元有自然冷源的数据中心年运行电费/万元124 271.27970.854 088.78674.653 581.772 752.57 223 816.82952.674 012.22662.023 514.702 701.03 323 353.34934.133 934.14649.133 446.312 648.46 423 008.25920.333 876.00639.543 395.382 609.32 522 747.96909.923 832.16632.313 356.972 579.81 622 050.07882.003 714.59612.913 253.982 500.66 721 801.78872.073 672.76606.013 217.342 472.50 821 339.90853.603 594.95593.173 149.182 420.12 921 038.01841.523 544.10584.783 104.632 385.89 1020 473.72818.953 449.03569.093 021.352 321.89

2.3 经济性分析

根据以上计算的各方案初投资和运行费用，相比传统电制冷系统，LNG冷能区域供冷系统初投资较高，但在一定的输送距离内，其运行费用较低，可以算得各方案的投资回收期如表6所示。

由表6可以看出，随着输送距离的增加，采用LNG冷能作为冷源的区域供冷系统节省的能耗逐渐降低，投资回收期快速增加，其中供冷对象为数据中心的投资回收期小于办公建筑。当输送距离小于等于20 km时，LNG冷能区域供冷系统的运行能耗小于传统楼宇电制冷系统的运行能耗。但对于办公建筑来说，在输送距离大于等于16 km时，采用LNG冷能区域供冷系统进行供冷时，相比传统电制冷系统的投资回收期时间较长，并不经济；当输送距离小于14 km时，LNG冷能区域供冷系统用于办公建筑是较为可行的。

对于没有使用自然冷源的数据中心来说，当输送距离小于等于20 km时，LNG冷能区域供冷系统用于数据中心供冷是可行的，输送距离为20 km时的投资回收期为7.29年。对于使用自然冷源的数据中心来说，输送距离在18 km时，LNG冷能区域供冷系统的投资回收期为4.28年；输送距离在20 km时，LNG冷能区域供冷系统的投资回收期为9.49年。

2.4 环境效益

与传统电制冷系统相比，在合适的输送距离内，LNG冷能区域供冷系统既可以达到相同的供冷效果，还可以提高能源利用效率，减少碳排放，同时减少LNG冷能对接收站附近的冷污染，更加节能、环保、经济。按1 kW·h电能折合0.404 kg标准煤(1 kg标准煤=29.271 MJ)，排放0.997 kg CO2[21]计算，数据中心和办公建筑采用LNG冷能区域供冷系统时，各方案的节能减排量如表7所示。由表7可以看出，随着输送距离的增加，LNG冷能区域供冷系统的节约标煤量与减排CO2降低，LNG冷能区域供冷系统用于数据中心供冷时的环境效益大于该系统用于办公建筑供冷时的环境效益。

表6 各方案投资回收期Table 6 Investment payback periods for different district cooling distance cases方案采用LNG冷能为冷源的区域供冷系统传统楼宇电制冷系统初投资/万元办公建筑年运行电费/万元无自然冷源的数据中心年运行电费/万元有自然冷源的数据中心年运行电费/万元初投资/万元办公建筑年运行电费/万元无自然冷源的数据中心年运行电费/万元有自然冷源的数据中心年运行电费/万元办公建筑投资回收期/年无自然冷源的数据中心投资回收期/年有自然冷源的数据中心投资回收期/年11 087.2054.97291.83224.27970.85674.653 581.772 752.570.190.040.0521 439.57107.97573.23440.52952.67662.023 514.702 701.030.880.170.2231 794.10162.61863.30663.44934.13649.133 446.312 648.461.770.330.4342 144.67195.851 039.79799.07920.33639.543 395.382 609.322.760.520.6852 499.70213.771 134.95872.20909.92632.313 356.972 579.813.800.720.9362 883.65310.761 649.861 267.90882.00612.913 253.982 500.666.621.251.6273 240.75326.521 733.501 332.18872.07606.013 217.342 472.508.481.602.0883 584.80380.862 022.041 553.92853.60593.173 149.182 420.1212.862.423.1593 954.87406.302 157.091 657.71841.52584.783 104.632 385.8917.443.294.28104 301.89479.152 543.851 954.93818.95569.093 021.352 321.8938.727.299.49

表7 LNG冷能区域供冷系统节能减排量计算Table 7 Energy saving rates and emission reduction rates for different district cooling distance cases using LNG cold energy方案节约电量/(kW·h·h-1)节约标煤量/(kg·h-1)CO2减排量/(kg·h-1)办公建筑供冷季总节约标煤量/(t·a-1)无自然冷源的数据中心供冷季总节约标煤量/(t·a-1)有自然冷源的数据中心供冷季总节约标煤量/(t·a-1)办公建筑供冷季CO2减排量/(t·a-1)无自然冷源的数据中心供冷季CO2减排量/(t·a-1)有自然冷源的数据中心供冷季CO2减排量/(t·a-1)14 287.251 732.054 274.392 857.8815 172.7611 660.167 052.7437 443.6728 775.2023 833.161 548.603 821.662 555.1813 565.7010 425.156 305.7433 477.7325 727.4133 366.031 359.883 355.932 243.7911 912.519 154.685 537.2829 397.9322 592.1143 069.661 240.143 060.452 046.2410 863.668 348.655 049.7526 809.5820 602.9852 895.611 169.832 886.921 930.2110 247.687 875.274 763.4225 289.4319 434.7562 090.40844.522 084.131 393.467 398.005 685.323 438.8118 256.9514 030.3471 933.65781.191 927.851 288.976 843.275 259.003 180.9516 887.9712 978.2981 468.83593.411 464.42979.125 198.233 994.812 416.2912 828.329 858.4891 234.77498.851 231.07823.104 369.903 358.242 031.2610 784.148 287.5410622.25251.39620.39414.792 202.181 692.361 023.645 434.5914 176.45

3 结论

本文以渤海湾某规模为300×104t/a 的LNG接收站为例，设计了LNG-R410a-循环冷冻水间接换热区域供冷系统，利用Aspen Plus模拟计算了系统各换热过程的换热量，并探讨了不同输送距离下LNG冷能作为区域供冷冷源的经济性及相应的环境效益，为实际应用提供了参考。

(1)对于数据中心和办公建筑，相比传统分布式电制冷系统，LNG冷能区域供冷系统的投资回收期随输送距离的增加而快速增长，其中供冷对象为数据中心的投资回收期小于办公建筑。

(2)当输送距离在20 km以下时，采用本系统比采用传统分布式电制冷系统更节约能源。当用户类型为办公建筑，输送距离分别为6 km、12 km、16 km时，投资回收期分别为1.77年、6.62年、12.86年；当供冷对象为使用了自然冷源进行供冷的数据中心时，供冷系统全年运行时间为6732 h，其经济效益更加显著。当输送距离为2 km时，投资回收期仅为0.05年；输送距离为12 km和20 km时的投资回收期分别为1.62年和9.49年。

(3)LNG冷能区域供冷系统可通过降低能耗减少CO2排放，具有一定的环境效益。当输送距离从2 km增加到20 km时，对于办公建筑，CO2减排量从7 052.74 t/a降至1 023.64 t/a；对于使用了自然冷源进行供冷的数据中心，CO2减排量从28 775.2 t/a减少到4 176.45 t/a。

论文中计算了投资回收期，比较了管道和节能与制冷设备之间的关系，未考虑实际工程应用时的折旧等因素，在实际工程中要根据实际情况进行具体的可行性研究。