LNG氣化站冷能利用方式的探討

LNG氣化站冷能利用方式的探討
                             焦　琳1,　王　烜2,　段常貴1,　聶廷哲2
    (1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院,廣東深圳518033; 2.深圳中燃哈工大燃?xì)饧夹g(shù)研究院,廣東深圳518033)
    摘　要：隨著LNG用量的持續(xù)增長,氣化產(chǎn)生的冷量也相繼增多,回收利用這部分冷能具有可觀的經(jīng)濟(jì)和社會效益。通過分析LNG冷能利用的概況及LNG氣化站的特點(diǎn),確定了比較適合氣化站冷能利用的3種方式:低溫集中式空調(diào)系統(tǒng)冷源、冷庫冷源與小型冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相結(jié)合。
    關(guān)鍵詞：液化天然氣;　氣化站;　冷能利用
    中圖分類號：TU996　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B　　文章編號：1000-4416(2007)01-0021-03
    1　概述
    近10 a來,液化天然氣(LNG)技術(shù)在我國日益受到重視,相繼建成了多套生產(chǎn)裝置,已建成天然氣液化工廠有上海的LNG事故調(diào)峰站、河南中原天然氣液化工廠和新疆天然氣液化工廠等[1、2]。同時我國也在積極引進(jìn)液化天然氣,開拓能源供應(yīng)渠道多元化。我國引進(jìn)LNG三大項目———廣東、福建、上海LNG項目近來均獲重要進(jìn)展。其中廣東大鵬灣LNG接收站已于2006年6月底建成投產(chǎn),規(guī)模為370×104t/a。此外,江蘇如東、遼寧大連等城市的LNG項目也都在投資策劃中。截至2020年,我國LNG的年進(jìn)口量將超過6 000×104t/a,使天然氣在一次能源消費(fèi)中所占的比例上升到8%以上[3]。與此同時, LNG氣化站也得到了長足的發(fā)展。
    LNG氣化站是一種小型的LNG接收和氣化設(shè)施,用于接收從LNG終端接收站或液化裝置通過專用汽車槽車或鐵路槽車運(yùn)來的LNG,經(jīng)氣化加臭后,通過管網(wǎng)供應(yīng)給用戶,沒有液化能力[4]。我國的山東、江蘇、河南、浙江和廣東等省的一些城鎮(zhèn)相繼建設(shè)了氣化站,向居民或企業(yè)供應(yīng)天然氣。從2000年開始,淄博、青島、廣東龍川、浙江余姚、江蘇姜堰等城市的氣化站相繼建成投產(chǎn),至今已建成逾80座LNG氣化站。
    通常生產(chǎn)1 tLNG的動力及公用設(shè)施耗電量約850 kW·h,而在LNG接收站,一般又需將LNG通過氣化器氣化后使用,氣化時放出很大的冷量,其值約830 kJ/kg[5]。若LNG擁有的冷能以100%的效率轉(zhuǎn)化為電力,那么1 tLNG的冷能相當(dāng)于230 kW·h電?；厥者@部分可用冷能,不僅有效利用了能源,而且減少了機(jī)械制冷大量的電能消耗,具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
    LNG氣化過程中,其釋放的冷能可采用直接或間接的方法加以利用[6]。直接利用方法有冷能發(fā)電、空氣液化分離、冷凍倉庫、制造液化二氧化碳、海水淡化、空調(diào)和低溫養(yǎng)殖栽培等;間接利用方法有用空分得到的液氮、液氧來進(jìn)行低溫破碎、污水處理、低溫醫(yī)療等。其中,LNG冷能用于發(fā)電是目前LNG冷能利用的主要方式,且技術(shù)較為成熟。在我國,深圳大鵬“冰雪大世界”擬利用廣東LNG大型接收站冷能。福建LNG莆田接收站計劃利用LNG氣化冷能,并進(jìn)行了相關(guān)項目的招標(biāo)工作。目前,有關(guān)小型氣化站冷能利用的報道幾乎是空白。
    2　LNG氣化站的特點(diǎn)
    ①　建設(shè)投資規(guī)模小。一個可供6×104戶居民用氣的氣化站需投資500×104元左右,可大大減少發(fā)展城鎮(zhèn)燃?xì)鈱Y金的需求。
    ②　建設(shè)期短。一般0. 5 a左右就可建成投產(chǎn)。
    ③　可實(shí)現(xiàn)多氣源供氣,從而提高供氣的可靠性。
    ④　具有調(diào)峰功能。建LNG氣化站,可省去城鎮(zhèn)供氣系統(tǒng)中的調(diào)峰設(shè)施,節(jié)省管網(wǎng)建設(shè)造價。
    ⑤　設(shè)計、制造、安裝以及陸上運(yùn)輸技術(shù)已成熟,絕熱技術(shù)的發(fā)展大大提高了LNG運(yùn)輸、儲存和使用的安全性和經(jīng)濟(jì)性,促進(jìn)了LNG氣化站的迅速發(fā)展。
    LNG氣化站規(guī)模的大小一般根據(jù)用戶的規(guī)模而定,用戶用氣量大,則氣化站規(guī)模就大,相應(yīng)產(chǎn)生的冷量也就多;反之,冷量就少。已建成的氣化站的氣化量也是隨時間而變化的,具有年、月、日、小時不均勻性。因此在選擇冷能利用方案和建立冷能利用系統(tǒng)時,要充分考慮這些特點(diǎn),以更加合理地利用冷能。
    3　LNG氣化站的冷能利用
    3.1　用作低溫集中式空調(diào)系統(tǒng)冷源低溫集中式空調(diào)系統(tǒng)是指系統(tǒng)運(yùn)行時送風(fēng)溫度≤11℃的空調(diào)系統(tǒng)。低溫送風(fēng)系統(tǒng)與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相比,在技術(shù)上有了很大進(jìn)步,其造價降低,運(yùn)行費(fèi)用降低,電力需求小,空氣品質(zhì)優(yōu)良,人體舒適感提高。
    利用LNG的潛熱或顯熱直接與空氣進(jìn)行換熱時,換熱溫差達(dá)到160℃左右,容易造成空氣中水蒸氣、CO2等氣體的凍結(jié),阻塞換熱器流道,無法正常工作,從安全角度以及空調(diào)環(huán)境所要求的溫度和濕度來看都是不可行的。因此必須考慮通過中間冷介質(zhì)來降低換熱溫差,即將LNG的冷量先轉(zhuǎn)移至低凝固點(diǎn)的中間冷介質(zhì)上,再通過冷介質(zhì)的循環(huán)把冷量傳遞給需要冷卻的空氣,盡量減小傳熱溫差。由于LNG氣化站冷量產(chǎn)生的不均勻性,在利用氣化冷量作為集中式空調(diào)的冷源時,必須用到蓄冷技術(shù),把冷量儲存起來。利用LNG冷能的低溫中央空調(diào)系統(tǒng)見圖1。
              
    在圖1中,LNG通過換熱器1氣化成氣態(tài)天然氣,然后再通過計量、加臭等過程后供城市工業(yè)、商業(yè)以及居民用戶使用。乙二醇和LNG在換熱器1中完成冷量交換,經(jīng)過蓄冷槽時把冷量儲存起來,待用戶需用冷量時,蓄冷槽又釋放冷量供用戶使用。由于液化天然氣溫度過低,在選用蓄冷劑時,要保證其有較低的凝固點(diǎn),又要有較強(qiáng)的蓄冷能力。綜合考慮各種因素,選用乙二醇溶液作為蓄冷劑。為了防止換熱器2被凍壞,還需在蓄冷槽和換熱器2之間設(shè)置旁通管。冷凍水與乙二醇在換熱器2中換熱后將冷量傳遞給需要降溫的空氣。新風(fēng)和回風(fēng)混合后通過換熱器3,再經(jīng)過除濕、過濾等處理達(dá)到室內(nèi)空氣質(zhì)量要求,送入室內(nèi)。
    該系統(tǒng)有以下4種工作模式:
    ①　單蓄冷:低溫集中式空調(diào)不工作,只有LNG氣化放出冷量,蓄冷槽蓄冷,工作的只有換熱器1和蓄冷槽。
    ②　單融冰: LNG不氣化,蓄冷槽只把本身儲存的冷量釋放出來供低溫集中式空調(diào)使用。
    ③　邊蓄邊供:換熱器1、蓄冷槽和換熱器2同時工作,但LNG氣化釋放冷量大于低溫集中式空調(diào)負(fù)荷,多余的冷量通過蓄冷槽儲存起來。
    ④　邊供邊融:換熱器1、蓄冷槽和換熱器2同時工作,但LNG氣化釋放冷量不足以滿足低溫集中式空調(diào)負(fù)荷,于是蓄冷槽就釋放自身冷量滿足低溫集中式空調(diào)冷量。
    3.2　用作冷庫冷源
    冷庫是在特定的溫度和相對濕度條件下,對食品、工業(yè)原料等進(jìn)行加工或儲存的建筑物。利用LNG冷能的冷庫系統(tǒng)(見圖2)流程與低溫集中式空調(diào)冷能利用系統(tǒng)相似,不同的是冷庫庫房溫度一般為-60~-25℃,換熱溫差要小一些。
             
    通過換熱, LNG氣化成氣態(tài)天然氣供用戶使用,乙二醇通過換熱器獲得冷量,并將其儲存在蓄冷槽中,滿足冷庫用冷需要。為了保證冷庫的制冷品質(zhì),氣化冷量必須先經(jīng)過一種中間載冷劑再傳遞給氨液,然后再供用戶使用。該過程表明氣化所得冷量必須經(jīng)過蓄冷系統(tǒng),故工作模式只有3種:單蓄冷、單融冰、蓄冷融冰同時進(jìn)行。
    本循環(huán)中蓄冷槽的采用不但可以彌補(bǔ)LNG氣化站冷量不均,而且加快了初冷速度,使得庫房溫度穩(wěn)定,冷卻設(shè)備不需要化霜,降低了基建造價和氨液泄漏量,也保證了冷藏產(chǎn)品的品質(zhì)。
    通過初步計算,冷量回收效率已達(dá)到40%左右,可作為氣化站冷能利用的一個重要研究方向。
    3.3　同小型冷熱電三聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)相結(jié)合
    對LNG氣化站,一般在設(shè)計時會設(shè)計柴油發(fā)電機(jī)之類的備用發(fā)電設(shè)施?？紤]到氣化站自身氣源的充足性,為保證站廠用電可靠性及操作控制室的空調(diào)及供暖需要,可選取合適的燃?xì)廨啓C(jī)建立小型冷熱電三聯(lián)產(chǎn)(CCHP)系統(tǒng),見圖3。
               
    根據(jù)文獻(xiàn)[7],燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口空氣溫度對系統(tǒng)出力的影響很大。隨著燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)口空氣溫度的降低,系統(tǒng)出力明顯提高。尤其是當(dāng)環(huán)境溫度高于30℃時,空氣溫度每降低10℃,系統(tǒng)出力平均增加10%?？諝鉁囟葹?0℃時的系統(tǒng)出力僅為5℃時的75%。這是由于環(huán)境溫度的升高使空氣的密度減小,空氣質(zhì)量流量下降引起輸出功率的下降,效率隨進(jìn)口空氣溫度的變化也較大。當(dāng)環(huán)境溫度由30℃降低到5℃時,系統(tǒng)效率增加近4%。
參考文獻(xiàn):
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[7]王強(qiáng),厲彥忠.基于液化天然氣冷能的燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電循環(huán)[J].西安交通大學(xué)學(xué)報, 2003, 37(5): 531-534.