摘 要：分析了我國LNG冷能利用的現(xiàn)狀和存在的問題，提出了LNG冷能與冰蓄冷相結(jié)合
的供冷空調(diào)的工藝流程，進行了技術(shù)經(jīng)濟分析。
關(guān) 鍵 詞： 液化天然氣冷能利用； 冷能； 冰蓄冷空調(diào)
Abstract：The current status and problems of LNG cold energy utilization in China are analyzed.The process for cold air—conditioning by combining LNG cold energy and ice storage is proposed，and thetechnical and economic analysis is conducted.
Keywords：LNG cold energy utilization； cold energy； ice storage air—conditioning
1 概述
隨著我國能源安全問題的日益嚴峻，液化天然氣(LNG)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展和節(jié)能工程的全面展開，LNG氣化冷能的高效利用已備受重視[1]。LNG接收站氣化LNG時，釋放約830 kJ/k9的冷量，若將該冷量全部轉(zhuǎn)化為電力，約230 kW·h/t[2-7]。預計到2020年，我國每年將進口LNG 6 000×104 t/a，回收其冷量可節(jié)電約l38×108 kW·h/a，相當于每年燃燒460×104 t/a標準煤所發(fā)電力，其經(jīng)濟效益和社會效益相當可觀。
目前我國可實施LNG冷能利用項目的廠站主要有兩類：一類是沿海的LNG接收站，另一類則是內(nèi)地的LNG氣化站。從2006年底到現(xiàn)在，已建成LNG氣化站200多座，供氣能力達到400×104 m3/d[8－9]。但LNG氣化站冷能利用存在如下問題：由于冷量用戶遠離氣化站，用冷時間與氣化時問不一致，因而存在用冷時間和地域不同步的問題；提高能量利用效率的途徑之一是能量的“高能高用、低能低用”，然而如今除空分項目外，LNG冷能多為超低溫位冷量與次低溫位的冷量匹配，且利用項目單一，缺乏梯級利用，使冷能降質(zhì)利用，能量損失較大，回收率只有8%～20%[10－11]。此外，許多氣化站附近由于LNG氣化冷量未充分回收，對站區(qū)產(chǎn)生很大的冷污染，并且隨著LNG氣化量的增加，冷霧范圍逐漸擴大，濃度逐漸增加，帶來的不良影響越來越嚴重，同時，在站區(qū)內(nèi)的辦公樓需要供冷，消耗掉大量的電力。因此在LNG冷能利用項目大力發(fā)展的情形下，應結(jié)合站區(qū)生活用冷的實際情況，開發(fā)一種新的技術(shù)來回收利用這些寶貴的冷能，減少冷污染。
2 LNG冷能用于冰蓄冷空調(diào)技術(shù)開發(fā)
LNG氣化時對外釋放冷量，為避免造成外界冷污染和能量的浪費，需將此部分冷量回收并用于站區(qū)辦公樓空調(diào)供冷，可采取冰蓄冷空調(diào)的形式。
目前已成熟的空調(diào)蓄冷方式有水蓄冷和冰蓄冷，常規(guī)的水蓄冷系統(tǒng)是利用3～7℃的低溫水進行蓄冷，并且只有5～8℃的溫差可利用，其單位容積蓄冷量較小，使水蓄冷系統(tǒng)的蓄冷水池占地面積較大；冰蓄冷利用水的相變潛熱進行冷量的儲存，除可以利用一定溫差的顯熱外，主要利用的是冰的335kJ/kg相變潛熱，因此與水蓄冷相比，冰蓄冷系統(tǒng)的蓄冷能力提高l0倍以上，并可使蓄冷槽體積減小80%左右[12]。
目前，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)大多利用低谷電制冷，采用蓄冷介質(zhì)將冷量儲存起來，在白天用電高峰時段將冷量釋放出來[13－14]，仍然消耗了電力。據(jù)此，筆者開發(fā)了一種將LNG冷能與冰蓄冷系統(tǒng)供冷相結(jié)合的技術(shù)。該技術(shù)不僅能解決站區(qū)冷污染問題，有效回收LNG氣化釋放的冷能，同時節(jié)省了空調(diào)供冷所耗電力。該冰蓄冷空調(diào)工藝流程見圖1。
通過調(diào)節(jié)閥1和閥2，使LNG(一162℃，質(zhì)量流量為2 000 k9/h)及乙醇溶液(2℃，質(zhì)量流量為14.3 t/h)進人LNG換熱器，LNG在LNG換熱器中與乙醇溶液換熱，溫度升至一10℃進入空溫式氣化器，經(jīng)與空氣換熱溫度升至l0℃左右進入城市燃氣管網(wǎng)；乙醇溶液與LNG換熱后溫度降至一30℃，進入冰蓄冷池中的乙醇溶液盤管，一30℃乙醇溶液與冰蓄冷池中的水換熱，水凝結(jié)成冰；換熱后的乙醇溶液溫度升至2℃，通過離心泵進入乙醇溶液儲罐。該流程通過冷介質(zhì)的循環(huán)供冷，水不斷地凝結(jié)成冰儲存LNG氣化釋放的冷能。
冰蓄冷池中敷設空調(diào)冷水盤管，l2℃的空調(diào)循環(huán)水通過冷水盤管l和冷水盤管2進入冰蓄冷池，與池中冰接觸換熱，冰吸熱后融化，空調(diào)循環(huán)水被冷卻至5℃后出冰蓄冷池進入空調(diào)系統(tǒng)給辦公樓供冷。
在該流程中，冰蓄冷池外的低溫傳輸管道均使用保冷管道，在相應的管道上設有對應的調(diào)節(jié)閥和流量計。為了保證空調(diào)供冷在LNG供冷不足時正常運行，將辦公樓原有的電壓縮制冷裝置的制冷工質(zhì)管道與冰蓄冷池制冷工質(zhì)盤管連接，通過電壓縮制冷供冰蓄冷，從而補充LNG供冷不足時缺乏的冷量。冷水盤管l與乙醇溶液盤管并列設置，冷水盤管2與電壓縮制冷工質(zhì)盤管并列設置，減少盤管占用面積，降低造價。
該工藝每l h可使約3 t的水凝結(jié)成冰；冰蓄冷池中的冰每1 h可提供冷水空調(diào)的冷量約為464kW·h。按制冷系數(shù)COP為2計算，每l h可節(jié)電232 kW·h。
3 技術(shù)經(jīng)濟分析
實際操作運行時，LNG氣化量及環(huán)境溫度存在著波動，同時，辦公樓空調(diào)用冷量也隨環(huán)境變化，因此為了保證該流程穩(wěn)定運行，提出了帶控制點的工藝流程，見圖2。
LNG儲罐在原來氣化站流程的基礎上引出一條支路進行LNG冷能回收利用。該支路將LNG換熱器、乙醇溶液儲罐及相應的管路和控制裝置集成于一個橇塊中。一方面節(jié)約設備造價，另一方面，橇裝設備拆卸及安裝過程簡單方便，有利于在不同氣化站之問靈活利用該套裝置進行LNG冷量的回收利用。另外，該橇塊可承受LNG氣化波動范圍約為0～4 000 m3/h，在LNG進橇塊的管道上設置孔板限流器防止LNG過量，同時設置控制閥和流量計控制進入LNG換熱器的LNG流量；通過溫度顯示儀表和壓力顯示儀表監(jiān)測所在物流的溫度及壓力變化，以便調(diào)節(jié)LNG及乙醇溶液的流量。乙醇溶液儲罐的出口處設置2臺離心泵，采取1開1備的形式來輸送冷介質(zhì)乙醇溶液，出口管道上裝有壓力顯示儀表。深圳市燃氣集團梅林LNG氣化站內(nèi)綜合樓用冷規(guī)模為700 kW，每天用冷5 h，每天總需冷量約3 500 kW·h，只需一個容量為l 000 t的冰蓄冷池即可滿足綜合樓的用冷需求。如果這些冷能均由LNG提供，當LNG質(zhì)量流量為2 t/h，每l h回收用于冷水空調(diào)的冷量為464 kW·h，需氣化8 h/d用于冰蓄冷才能滿足辦公樓需冷量。若每年空調(diào)開啟時間以6個月共180 d計，則每年用于冰蓄冷的LNG氣化時問為1 440 h，由于每l h可節(jié)電232 kW·h，則每年可節(jié)電33.4×104 kW·h，按0.8元/(kW·h)電價計算，每年節(jié)電效益為26.72×104元。
當LNG氣化量變化時，為了滿足辦公樓空調(diào)供冷需求，只須改變LNG用于冰蓄冷的氣化時問即可。在LNG氣化規(guī)模為2 t/h流程中，關(guān)鍵設備造價見表1。
表1關(guān)鍵設備造價
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設備
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造價/元
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LNG換熱器
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38×104
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乙醇溶液儲罐
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6×104
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蓄冰槽
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28×104
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調(diào)壓器
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3×104
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流量計
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5×104
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限流器
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5×104
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冷卻水泵
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3×104
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冷水泵
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8×104
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乙醇溶液泵
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8×104
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總計
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104×104
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該技術(shù)將LNG供冷與電壓縮制冷聯(lián)合起來，不論氣化站氣化時間是否與綜合樓空調(diào)工作時間相對應，采用冰蓄冷的形式儲存LNG冷量，當LNG供冷充分時，關(guān)閉電壓縮制冷裝置，當LNG質(zhì)量流量低于2 000 kg/h時，開啟電壓縮制冷裝置，通過兩者的聯(lián)合運行完成蓄冰供冷工藝，冰再與空調(diào)循環(huán)水換熱，利用其潛熱與顯熱冷卻空調(diào)循環(huán)水，供空調(diào)使用。該工藝操作彈性好，LNG冷能利用率高，保證了空調(diào)供冷的穩(wěn)定性，同時緩解了用電壓力。
4 結(jié)語
通過冰蓄冷的形式將LNG氣化所釋放的冷量儲存起來，再經(jīng)過換熱將冷量提供給空調(diào)循環(huán)水。不僅回收了LNG的冷能，避免了氣化站氣化LNG造成的冷污染，同時節(jié)約了空調(diào)制冷所需的電力。通過改變用冷規(guī)模來選取合適的LNG氣化量，起到了氣化調(diào)峰的作用，對于緩解用電壓力也起著積極的促進作用。當LNG質(zhì)量流量為2 000 kg/h時，通過本技術(shù)回收其冷能，每1 h可提供的冷量約464kW·h，若給深圳梅林LNG氣化站內(nèi)的辦公樓供冷使用，每年節(jié)電效益約26.72×104形a，關(guān)鍵設備造價約為104×104元。
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本文作者：陳秋雄1， 徐文東2， 陳敏2
作者單位：1.深圳市燃氣集團股份有限公司；2.華南理工大學化學與化工學院傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室
