LNG冷能梯级利用

李雪莹，张万里，程金亮，罗 参，徐 莹

(哈尔滨商业大学 能源与建筑工程学院，哈尔滨 150028)

LNG 气化时能够释放出大量的冷能.但迄今为止国内外对小型LNG 冷能的回收利用的研究较少.随着城市的发展，LNG 气化站随着城市的规划建设，小型LNG气化站也被一同规划发展，本研究拟将LNG冷能以梯级形式利用与冷库系统和空调系统，利用LNG与中间冷媒进行热交换，中间冷媒带着冷能一同进入冷库或空调系统循环制冷.现有的制冷方式多数情况下采用螺旋杆式制冷装置和多级压缩机来维持低温.同现有冷却方式进行比较，利用LNG冷能的冷库不仅能够节省购买大型的制冷机组的花销，降低投资成本[1]，也充分利用了冷能.

1 研究背景

1.1 研究现状

国内外对LNG气化站冷能回收利用的技术越来越重视，但是绝大部分只重视对大型气化站冷能回收的研究，忽略了对现在使用较为广泛的小型气化站冷能回收系统.通过借助大型LNG气化器的产生的冷能，使之用于空分装置、海水淡化、制取干冰、高效发电等[2].到目前为止，国内外针对小型LNG气化站的冷能回收方式单一，使冷能得不到充分的利用.

1.2 研究意义

随着我国和经济的发展，绿色能源将在未来能源的构成中发挥举足轻重的作用，天然气的需求量也将大幅度增加.据此本研究提出将其冷能用于高速公路沿线的冷库系统.此外，可以通过建立空调系统来利用LNG剩余的冷能.

本研究充分利用小型LNG气化站的冷能，将其梯级利用于冷库与站内空调系统，同时响应了国家对清洁能源高效利用的号召[3].

2 LNG冷能分析

由于LNG气化过程中不仅有能量的释放，还对外界做了有用功，为了综合分析，本研究采用分析法.分析法结合了热力学第一定律与第二定律，能有效分析能量的变化与对外界做功的情况[4].即系统与环境温度达到平衡在条件下能够获得的最大有用功.低于环境温度时，系统温度所做的最大有用功被称为冷量.

从卡诺循环中可以得知，在热源放热的同时，冷源也在吸热，这是就做功的过程.可用能随温度变化过程如图1所示.

图1 冷量在温变过程中在T-S的表示

进行热吸收时，工质温度从T1状态不断上升至T2状态，根据计算得出在此过程中的最大有用能为：

(1)

其中：δWmax为温变过程最大有用能(kJ/kg)；δq为温变过程总吸收冷量(kJ/kg)；T0为环境温度(K)；T为系统温度(K).

对式(1)进行积分，推算出吸热过程有用能为：

(2)

为了方便进行计算，可以将系统视为稳定流工况.可得每单位质量的工质由初始温度上升到系统温度时，其冷量为：

ex,h=wmax=(h-h0)-T0(s-s0)

(3)

其中：ex,h为冷量(kJ/kg)；h为平衡焓值(kJ/kg)；h0为初始焓值(kJ/kg)；s平衡熵(kJ/(kg·K))；s0为初始熵值(kJ/(kg·K)).

由热力学知，理想气体的焓是关于温度的函数：

(4)

(5)

其中：cp为比热(kJ/(kg·K))；R为热力学常数(kJ/(kg·K))；p为环境平衡压强(Pa)；p0为初始压强(Pa).

综上可得：

(6)

(7)

其中：ex,t为低温(kJ/kg).

(8)

其中：ex,p为压力(kJ/kg).

LNG并不是纯净物，物性参数具有不确定性.LNG中甲烷含量为80%～85%[5]，为了简化计算，采用甲烷的物性参数进行计算.则有：

(9)

1)环境温度T0

系统压强P一定时，LNG主要与环境温度T0有关，其影响如图2所示.

图2 与温度的关系(P=1.013 25 MPa)

2)系统压强P

在环境温度T0保持不变时，系统压强P是影响LNG的主要因素，其影响如图3所示.

图3 随压力的变化(T0=283 K)

2.2 小型LNG气化站冷能释放量分析

作为一种低温混合物，LNG的主要成分是甲烷，它在标准大气压下的沸点一般为-157 ℃.为了方便计算，我们将甲烷的物理性质作为LNG的物理性质，甲烷的定压比热容为110～ 300 K，且波动很小，可以忽略不计[8-9]，取均值比热容cp=2.20×103J/(kg·℃).LNG的加热气化过程可以分为以下两部分：液相至气相的相变潜热和从沸点温度到输送条件温度的内能.其释放的冷量为：

(10)

LNG的气化压力约为0.6 MPa，气化潜热r为443.8 kJ/kg.标准气压下，LNG的沸点约为111 K，而至少需要提升至5 ℃[10]才可输入到城市用户的燃气管网，即278 K，得出LNG蕴含的冷量的最大理论值：

Q=r+cp(T0-Ts)=443.8+2.20×(278-

111)=811.2 kJ/kg

3 LNG冷能梯级利用

3.1 小型LNG冷能利用方式

表1 主要的LNG冷能利用方案

如表1所示，适合小型LNG气化站冷能利用的方式有很多，其中空气分离装置存在单位业态产品能耗高的缺点，冷能发电、制造干冰的利用效率低，一些研究将回收CO2与冷能发电结合为复合循环系统，但是其回收效率远不如冷库与空调系统的梯级回收利用效率高.

3.2 冷量回收计算

LNG的气化吸收显热也可表示为：

E=Δh·m

(11)

(12)

其中：Δh为焓差，kJ/kg；m为质量，kg；d为时间，s；E为冷量，kJ；W为冷能，kW.

液态天然气在一级气化器的入口温度为-162 ℃，通过一级气化器的壳程过程中，在液态二氧化碳作为制冷剂的情况下持续工作，到达出口时温度为-86 ℃，接着进入二级气化器中继续工作.在二级气化器的工作过程中，天然气到达管程入口时温度为-86 ℃，在乙二醇溶液作为制冷剂的情况下持续加热并通过二级气化器的壳程，到达出口时温度为5 ℃之后再进入燃气管网[11-13].在此过程中，参数值见表2.

表2 回收冷量工况参数

一级冷量回收部分中含有气化潜热，其冷能为W′=(217 000×30)/(3 600×24)=75.35 kW,所以一级气化器回收的冷能为：W1=W′+Δh·m1/d1=133.2 kW

二级冷能回收过程中无相变，其回收的冷量为：W2=Δh2·ρ2·V2/d2=62 kW.

产生的总冷能为：W=W1+W2=195.27 kW

根据计算，12 750 kg的LNG可以产生高达16.8×106kJ的冷量，而这些冷能如果没有被有效的利用起来，将是巨大的浪费，若是排放到大气中，更是污染了环境.

3.3 冷能回收系统流程

许多研究都针对于对小型LNG气化站冷能进行单一的回收和利用，没有找到更好的利用方式，造成了浪费，但对冷能的利用效率并不高.本研究LNG在单一回收方式的基础上提出将其进行梯级回收利用.

-162 ℃的LNG经过一级气化器cu1在冷库系统载冷剂(液态二氧化碳)作用下变为-86 ℃；-86 ℃的LNG经过二级气化器cu2在蓄冷空调载冷剂(乙二醇溶液)的作用下，最后以5 ℃进入燃气管网.小型LNG气化站冷能回收系统运行流程如图4所示.

图4 冷能梯级回收流程示意图

LNG从罐体出来后通过图4所示的二级汽化器进行冷能的梯级利用，而后LNG的温度即可输入城市管网进行供气，与传统LNG单一的冷能利用方式相比，梯级利用方案对LNG冷能可以更加合理的回收利用，大大提高了冷能利用效率.

3.4 冷能梯级利用的可行性分析

3.4.1 冷库系统冷量负荷

进行对冷库系统的冷负荷计算.设计结构尺寸为18 m×10 m×5 m的单层冷库冷负荷主要是：库房与环境换热量，以及进行食物加工消耗的冷量和其他的耗冷量(设备运行耗冷量、库内通风耗冷量等等)[14-15].

1)库房与环境传热量

Q1=K·F·Δt1·a

(13)

其中：Q1为墙面、地板以及屋顶传热量(kW)；K为平均传热系数(kJ/(m2·h·℃))，1.32 kJ/(m2·h·℃)；F1为总传热面积(m2)，取1 300 m2；Δt1为库内外平均温差(℃)，取15 ℃；a为库内外温差修正系数，取1.1.所以库房与环境传热量为

Q1=K·F·Δt1·a=28.31 kW

2)食品加工耗冷量

(14)

其中：Q2为食品加工耗冷量(kW)；G为冷冻食品加工量(kg)，取50 000 kg；Δt2为食品入库出库平均温差(℃)，取12 ℃；C为食品平均比热容(kJ/(kg·℃))，取3.25 kJ/(kg·℃)；n为加工周转次数，取n=2；Z为食品加工时间(h)，取24 h；b为食品包装差异修正系数，取1.05.

3)其他耗冷量

例如库内通风所消耗的冷量、设备运行所消耗的冷量等等，这些因素耗冷量相加得到的综合耗冷量不可忽略，按上述耗冷量的15%计算，即Q3=(Q1+Q2)20%=10.65 kW，所以冷库系统总耗冷量为Q=Q2+Q2+Q3=81.62 kW.

由此推算本站的冷库系统所需冷量为81.62 kW，而一级冷能回收的总冷量为133.27 kW，利用效率为61.2%.因此，将LNG一级回收系统的冷量用于冷库系统是可行的.

3.4.2 站内空调系统冷量负荷

本系统拟设置小型LNG气化站的休息区与休闲区的建筑模型，休闲区182 m2、休息区300 m2，空调温度设置为27 ℃，按制冷换热面积为总建筑面积的80%算，总需冷量约为30 000 W.

若空调系统换热效率按传统空调算，约为60%，则制冷量为37 200W，因此二级汽化器回收于空调系统足以满足其冷量需求，其利用效率为48.4%.

4 结 语

基于对小型LNG气化站冷能资源的高效利用，本文提出对该冷能进行更加高效率的梯级利用于冷库系统与空调系统.采用分析法，结合热力学第一定律与第二定律，有效分析能量的变化与对外界做功的情况.再通过对LNG冷量影响相对较大的系统压力和所处环境的温度两个因素进行分析和研究，得出LNG气化站冷能释放量.将LNG的冷能以梯级方式进行回收利用，分别用于冷库系统与站内空调系统，这是现在小型LNG气化站冷能利用的高效率方式之一.再通过对LNG气化回收的冷量与站内生产生活的冷负荷的进行对比，得出结果如下：冷库系统对一级回收系统冷量的利用率为61.2%，站内空调系统对二级回收系统冷量的利用率为48.4%，小型LNG气化站所供给的冷量十分庞大，已经能充分满足站内生产与日常生活的需求，节省了资源.