摘　要：介紹了一種液化天然氣(LNG)冷能用于冷庫制冷的工藝流程，通過壓力調節(jié)控制冷媒蒸發(fā)溫度使其為冷庫提供不同溫位冷能，模擬冷庫利用LNG冷能工藝流程，總結了LNG冷能用于冷庫技術的發(fā)展優(yōu)勢。

關鍵詞：液化天然氣、冷能、冷庫、能量回收

1　引言

隨著我國LNG產業(yè)的迅猛發(fā)展和節(jié)能工程的全面展開，LNG冷能的高效利用已越來越引起重視。我國自2003年在廣東大鵬興建第一座LNG接收站以來，陸續(xù)規(guī)劃和建設福建莆田、上海、浙江、江蘇、大連、唐山等多個接收站。據統(tǒng)計2007年我國LNG進口量僅為291萬噸，到2011年已達到l220萬噸。國家發(fā)改委預計到2020年我國LNG進口量將達N350億立方米，相當于2500萬噸／年。LNG產業(yè)正以迅猛之勢高速向前發(fā)展。

生產一噸LNG的動力及公用設施耗電量約為850kW·h，而在LNG接收站，其汽化過程中會釋放出大量冷能高達860～830kJ／kg。這部分冷能通常在汽化器中隨海水或空氣被舍棄了，造成能源的極大浪費，甚至還會造成環(huán)境或海水冷污染，影響周圍海域及地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

2　國內外液化天然氣冷能利用現(xiàn)狀

目前世界已有17個國家和地區(qū)建設了56個LNG接收終端，還有一些接收終端正在建設或計劃建設中。日本是世界上最早開發(fā)LNG冷能利用技術的國家，已有近三十年歷史，除了與發(fā)電廠配合使用外，還有26臺獨立的冷能利用設備，其中7臺空氣分離裝置、3臺生產干冰生產裝置、l臺深度冷凍倉庫、l5臺低溫朗肯循環(huán)獨立發(fā)電裝置。常見的LNG冷能利用技術有發(fā)電、空氣分離、低溫粉碎、生產干冰、冷凍倉庫等作為耗能較大的制冷行業(yè)，歐美等發(fā)達國家每年在這方面消耗的電能約占全世界生產電能的l5％左右。以英國為例，其工、農、商業(yè)中制冷裝置每年耗電量合計約為76.35億kW·h，其中冷庫耗電量估計約為9.1億kW·h，可見耗能量之大。遺憾的是，盡管這些國家LNG使用量可觀，但回收LNG冷能用于冷庫的實例并不太多。

目前，國內LNG冷能利用技術尚在起步階段。全國冷庫的總容量達500多萬噸，基本上都是采用多級電壓縮制冷裝置維持冷庫的低溫，而利用LNG冷能作為冷庫的冷源，則既可以減少壓縮制冷系統(tǒng)的投資，又可以回收LNG的冷能，減少耗電量，節(jié)約能源。

3　冷庫的分類及能耗

3．1　冷庫分類

冷庫是指對易腐物品進行冷凍貯存，或對易腐物品進行冷凍加工的庫房建筑。根據冷庫溫度的不同，冷庫可以分為冷卻庫、凍結庫和冷藏庫。冷卻庫又稱高溫庫，用于果蔬之類食品的儲藏，庫內溫度一般控制在不低于食品汁液的凍結溫度，通常保持在0℃左右；凍結庫又稱低溫冷庫，一般庫內溫度在-20℃～-30℃左右，通過冷風機或專用凍結裝置來實現(xiàn)對肉類食品的凍結；冷藏間，即冷卻或凍結食品的儲藏庫，用于把不同溫度的冷卻食品和凍結食品在不同溫度的冷藏間和凍結間內作短期或是長期的儲存。

據統(tǒng)計，我國冷庫總耗電量為10億kW·h／年以上，冷庫的動力費用占整個冷庫倉儲成本的25％～30％；而一般食品工廠，冷庫動力耗電量約占全廠總耗電量的50％～60％。冷藏企業(yè)耗電考核標準規(guī)定：

(a)冷庫凍結物冷藏單位產品耗電量指標為0.3kW·h／(t·d)：

(b)冷卻物冷藏單位產品耗電量為0.9kW·h／(t·d)：

(c)冷凍加工單位產品耗電量為120kW·h／t。

3．2　冷庫用冷特性

為便于計算，本文以總容量為1.5萬噸的冷庫為例進行具體計算，并將此冷庫設計成三座庫容量均為5000噸庫房溫度分別為30℃、-l8℃、-l0℃的冷庫。根據蒸發(fā)溫度與庫房溫度的關系，三座冷庫的蒸發(fā)溫度分別為-42℃、-28℃和-l5℃。其基本設計參數(shù)如表l。

3．3　冷庫能耗計算

(1)冷庫維護結構的耗冷量計算

(a)庫內外溫差傳熱的耗冷量

Qa＝K·F(tw-tn)

式中：K——冷庫維護結構的傳熱系數(shù)

F——冷庫維護結構的傳熱面積

tw——庫外計算溫度

tn——庫內計算溫度

式中：傳熱系數(shù)取l.005J／(m²·h·℃)，冷庫按方形設計，墻高5m，庫外溫度按城市的室外平均溫度計算，本設計取庫外計算溫度為36℃。計算可得三座冷庫庫房內外溫差傳熱耗冷量分別為424.44MJ／h、347.27MJ／h、295.82MJ／h(101376kcal／h、82944kcal／h、70656kcal／h)。

(b)由于陽光輻射進入室內的熱量

式中：J——夏季陽光輻射的計算強度

A——維護結構外表面太陽輻射吸收率

由于陽光輻射而進入室內的熱量也可采用補償溫度差的方法來計算，面向南和西南的強陽光輻射的傳熱量可看作是室內外為5～10℃的傳熱，對于屋頂可看作增加室內外l5～20℃的傳熱。計算可得三座冷庫由于陽光輻射產生的耗冷量分別l07.52MJ／h、96.06MJ／h、  78.88MJ／h(25680kCal／h、22944kcat／h、18840kcal／h)。

(2)貨物的耗冷量

Qc＝G(il-i2)gbcb(tl-t2)

式中：G——平均每小時入庫的貨物量

i1，i2——貨物入庫時、在庫內降溫后的含熱量

gb，cb——包裝材料的重量、比熱

t1，t2——包裝材料入庫、出庫時的溫度

按年處理水產品25萬噸計算，貨物平均每小時入庫量為250000÷365÷24×1.3=37.1t／h?？紤]到貨物每次進入冷庫開始時熱負荷較大，為使最初階段易于降溫，增加系數(shù)1.3，包裝材料的耗冷能按貨物耗冷能的10％倍計算。

冷庫l中貨物的入庫溫度為20℃，出庫溫度為-20℃；

冷庫2的入庫溫度為-10℃，出庫溫度為-18℃：

冷庫3入庫溫度為20℃，出庫溫度為0℃。

計算可得三座冷庫貨物產生的耗冷量分為14523.38MJ／h、1213.13MJ／h、3106.61MJ／h(3468850kcal／h、28975lkcal／h、742000kcal／h)。

(3)庫房照明耗冷量

Qd＝0.86WZ／24

式中W：——室內點燈總瓦數(shù)，本文按70w計算

Z——照明時間，一般按3小時考慮

計算可得庫房照明產生的耗冷量均為27.09MJ／h(6471kcal／h)。

(4)庫房開門耗冷量

Q＝nvr(iw-in)／24

式中n——每晝夜因開門造成的換氣次數(shù)

v——冷藏間的容積

r——庫內空氣的比重

iw，in——室外、室內空氣的含熱量

大型冷庫n取0.7。冷庫的庫外溫度均為30℃，冷庫的庫內空氣溫度分別為-30℃、-18℃、-10℃。計算可得三座冷庫庫房開門產生的耗冷量分別為98.93MJ／h、85.51MJ／h、  77.25MJ／h(23628kcal／h、20424kcal／h、18450kcal／h)。

(5)庫房內工作人員的耗冷量

Qf＝nQsZ／24

式中n——工作人員數(shù)

Qs——每個工作人員單位時間內產生的熱量

Z——工作人員每晝夜在庫房內的操作時間，可按3小時考慮

每個工作人員產生的熱量與庫房溫度有關。凍結間按l.59MJ／h(355kcal／h)，低溫冷藏間按1.26MJ／h(300kcal／h)，高溫冷藏庫按1.00MJ／h(240kcal／h)考慮。工作人員按50人考慮。計算可得三座冷庫庫房內工作人員產生的耗冷量分別為9.29MJ／h、8.63MJ／h、6.28MJ／h(2218kCal／h、2062kCal／h、1500kcal／h)。將各個冷庫耗冷量的計算結果匯總，列于表2。

4　冷庫利用LNG冷能制冷技術

為了有效利用液化天然氣的冷能，可以將食品凍結及加工裝置、冷凍庫、冷藏庫及預冷裝置等按不同的溫度帶連成一串。按LNG的不同溫度帶，用不同的冷媒與之換冷后分別送入低溫凍結庫或低溫凍結裝置(-60℃)、冷凍庫(-35℃)、冷藏庫(0℃以下)以及果蔬冷藏庫(0～10℃)。這樣可以使LNG的冷能幾乎無浪費的得以利用，利用效率大大提高，冷庫運行成本下降37.5％。與傳統(tǒng)低溫冷庫相比，采用LNG冷能的冷庫具有占地少、投資省、溫度梯度分明、維護方便等優(yōu)點。

4．1　工藝流程設計

圖l為LNG冷能用于冷庫技術的流程示意圖。儲罐中-162℃的LNG經泵加壓到天然氣高壓輸氣管網所需的壓力，溫度上升至約-150℃，由于LNG溫度液化天然氣；冷能；冷媒；冷庫；能量轉換；經濟性非常低，冷能的品位非常高，故可用于一些深冷用戶，如廢舊輪胎的深冷粉碎、二氧化碳制干冰等。LNG的冷能通過深冷用戶的一次利用后，溫度從-150℃上升到約-70℃左右，LNG全部汽化成為低溫的高壓天然氣。

在冷庫中蒸發(fā)的冷媒蒸汽在高效換熱器中同約-70℃的高壓天然氣換冷，冷媒獲得冷能而全部液化，而高壓天然氣獲得熱量溫度升高。冷媒泵將液化的冷媒升壓后通過保溫管線輸送到冷庫。在庫房的蒸發(fā)器內冷媒蒸發(fā)放出冷能，通過庫房內的抽風機與庫房內循環(huán)流動的空氣換冷，帶走庫房內空氣的熱量，使冷庫的庫房溫度保持在需要的低溫。同時，蒸發(fā)后的冷媒再通過管線輸送到高效換熱器中同低溫的高壓天然氣換熱，由此形成載冷循環(huán)。

4．2　冷媒篩選

冷媒的主要功能就是將LNG中的冷能攜帶到冷庫中為冷庫提供冷量，本技術采用R410A作為冷媒。

R410A是一種共沸冷混合物，可以通過調節(jié)壓力來調節(jié)其蒸發(fā)溫度，為冷庫提供多種不同溫位的冷能。R410A熱容和汽化熱較大；有較高的導熱系數(shù)；動力粘度?。换瘜W穩(wěn)定性較好；對金屬無腐蝕；容易制取，能夠即時供應，而且價格低廉；無毒；不燃燒，與空氣混合也不會爆炸，是一種優(yōu)質的環(huán)保型制冷劑，目前在國外廣泛用于冰箱和空調的制冷。

4．3　流程模擬與計算

本設計采用如下圖2所示的LNG冷能用于冷庫技術流程。

一股R401A冷媒與LNG換冷液化，經泵加壓輸送至冷庫區(qū)域后再分成三股，分別為冷凍庫、低溫冷藏庫、高溫冷藏庫提供冷能。壓力調節(jié)器分別將三股R40lA控制在0.486MPa、0.294MPa、0.16MPa壓力下，得到溫度為-42℃、-28℃、-l5℃的氣相冷媒為各個冷庫提供其所需溫位的冷能。

采用流程模擬軟件ASPEN對冷庫的冷能利用過程進行模擬，得出流程中-80℃嫻腖的流量為70t／h，  冷媒R401A的流量為70t／h。

5　結束語

目前國內LNG汽化主要采用海水加熱方式，大量的冷能沒有被利用。將LNG的冷能用于冷庫能夠大大減少耗電量，節(jié)省投資，降低冷庫的生產成本，同時冷藏品質量提高，具有良好的前景。如果在冷庫利用LNG冷能的基礎上，根據LNG接收站附近港口資源和產業(yè)布局的特點，適當增加冷凍產品深加工項目，擴大港口經營范圍，大力發(fā)展冷物流加工產業(yè)和儲運產業(yè)，可使冷庫的效益更加突出，同時還可以提升港口的生存競爭力，促進港口地區(qū)的經濟發(fā)展。

本文作者：杜琳琳

作者單位：深圳市燃氣集團股份有限公司