液化天然氣冷能的冷凍庫利用

摘 要

摘要：介紹了液化天然氣冷能利用方式及利用過程中的注意事項，探討了LNG冷能應用于冷凍庫項目的設置方案及經濟性分析。關鍵詞：液化天然氣；冷能；冷凍庫Utilization of LNG Cold Ene
摘要：介紹了液化天然氣冷能利用方式及利用過程中的注意事項，探討了LNG冷能應用于冷凍庫項目的設置方案及經濟性分析。
關鍵詞：液化天然氣；冷能；冷凍庫
Utilization of LNG Cold Energy in Cold Store
LI Xijie，LIU Jianhai
Abstract：The utilization mode of LNG cold energy and some matters needing attention during the utilization are introduced.The design plan and economic analysis of LNG cold energy used in eoht store are discussed.
Key words：LNG；cold energy；cold store
    天津市的天然氣應用在十二五期間將有突飛猛進的發(fā)展。隨著中海油天津港液化天然氣(LNG)接收項目的建設，LNG將作為陸上天然氣的重要補充，同時，LNG冷能的回收將對LNG的應用產生很大的經濟成本影響。
    LNG由天然氣經深冷加工液化后獲得，屬超低溫載能液體，其主要成分是甲烷。液化1m3天然氣需耗電0.6～1.0kW·h，耗能很大。因此，如果在LNG氣化過程中不對其冷能進行回收，將造成很大的能源浪費。
    本文對LNG冷能應用于冷凍庫項目的方案及經濟性進行探討，為LNG冷能的利用提供參考。
1 LNG冷能利用方式及注意事項
    對LNG氣化時產生的冷量進行分析，可知LNG氣化時產生的冷量約為830kJ/kg[1]，包括LNG的氣化潛熱和氣化后的天然氣從儲存溫度恢復至常溫的顯熱。
1.1 LNG冷能利用方式[2～6]
    LNG冷能可用于發(fā)電、空氣液化分離、冷凍或冷藏倉庫、制造液態(tài)C02、低溫破碎等領域。
   ① 冷能發(fā)電
   冷能發(fā)電以電能的形式回收LNG冷能，發(fā)電方式有：a.中間介質的朗肯循環(huán)方式，每噸LNG的發(fā)電量約為20kW·h。b.直接膨脹方式。c.上述兩種方式的組合形式，每噸LNG的發(fā)電量約為45kW·h[7]。
   ② 冷凍或冷藏倉庫
   冷凍或冷藏倉庫利用LNG與蓄熱或換熱介質進行熱交換，利用冷卻介質在倉庫內循環(huán)冷卻。這種冷卻方式與傳統(tǒng)方式相比，不用大型冷凍機，建設費用少，建設難度小，電力消耗大幅度下降，節(jié)能效果顯著。
   ③ 低溫破碎
   直接利用LNG或制備的低溫物質，在低溫下破碎一些在常溫下難以破碎的物質。與常溫破碎相比，它能把物質破碎成極小的微粒，這些微?？梢员贿M一步精細分離，這種方法不存在微粒爆炸和氣味污染。如將橡膠冷卻到-70℃的玻璃化溫度以下，使之完全脆化，然后利用機械粉碎制成精細膠粉。
1.2 LNG冷能利用過程中的注意事項
① 選擇利用LNG冷能的工藝過程，應充分利用其-160～-150℃的低溫，工藝過程溫度越低越好。
② LNG主要用于城市燃氣和工業(yè)企業(yè)，晝夜負荷變化很大，因此必須考慮小時穩(wěn)定的負荷供應量。為了充分利用LNG冷能，必須使用一個能容易調節(jié)的系統(tǒng)，隨著LNG負荷的變化調節(jié)系統(tǒng)的負荷。因此必須在LNG冷能利用和燃氣供應之間，對燃氣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行足夠的考慮。
③ 冷能利用工廠的位置盡可能靠近LNG接收站或氣化站，以節(jié)約高昂的低溫管道建設成本，減少壓力損失以及過程冷能損失。
④ LNG冷能利用要保證足夠的安全性，應避免泄漏的LNG形成爆炸性混合氣體，設計和施工中要充分考慮配套防爆措施，提高安全利用率。
⑤ LNG冷能利用工藝成熟，但控制工藝要求較高，以保證安全運行為主要目的。
2 LNG冷能的冷凍庫利用
某單位建有一座LNG氣化站，同時也組建有一個LNG低溫槽車運輸車隊，既滿足本單位LNG的運輸需求，又兼營外單位LNG的運輸業(yè)務。由于LNG的運輸途經水產及肉類主產區(qū)，該單位有意利用氣化站的冷能及車隊的部分運力，擬毗鄰氣化站修建一座食品冷凍庫，兼營水產、肉類的冷凍批發(fā)業(yè)務，以獲得更大的經濟效益。
2.1 LNG氣源供應規(guī)模和冷能利用規(guī)模的選取
LNG氣化站設計供氣量為15000m3/h，用戶為陶瓷工業(yè)和居民用戶。其中陶瓷工業(yè)用氣量占總用氣量的40%，為6000m3/h，為全天24h穩(wěn)定用氣；其余為居民用戶，晝夜用氣量波動很大。
按照氣化站的運行特點，該冷凍庫的冷量計算對應的穩(wěn)定用氣量取工業(yè)用氣量，以工業(yè)用氣提供的冷量作為冷凍庫設計計算的基礎。按照工業(yè)用氣量為6000m3/h計算，折合LNG質量約為4200kg/h。按LNG氣化產生的冷量約為830kJ/kg計算，取LNG的冷量綜合回收率為30%，則每小時可以回收利用的冷能約為1046MJ/h，則年可提供冷量9162GJ/a。
2.2 冷凍庫設置方案
① 冷凍庫的配置方案
按照GB 50072—2010《冷庫設計規(guī)范》并參照相關冷凍庫的設計實例，本冷凍庫按照單層設置，為便于儲物管理，將冷凍庫分為4個凍結間。設計高度為4.5m，各凍結間面積為1476m2(尺寸為41m×36m)，庫溫為-23～-18℃，以冷儲水產品及當?shù)貢充N的牛羊肉制品為主，最多可儲存貨物1050t，日周轉吞吐量為50t/d。
② LNG冷能用于冷凍庫的制冷工藝流程
LNG冷能用于冷凍庫的制冷工藝流程見圖1。
 

室溫下質量分數(shù)為60%的乙二醇溶液通過盤管換熱器與LNG換熱后，降至-45～-40℃進行蓄冷。在冷凍庫前建一座蓄冷池儲存乙二醇載冷溶液，利用低溫循環(huán)溶液泵使乙二醇載冷溶液在蓄冷池與冷凍庫之間循環(huán)，通過凍結間排管換熱器(配冷風機)為冷凍庫提供冷量，使凍結間和冷藏間的溫度分別降低至-23℃和-18℃。
液態(tài)LNG的輸送采用美國某公司生產的LNG地面隔熱離心泵，流量范圍為40～200L/min，功率為15kW，工作壓力為0.3～1.2MPa。
③ 冷凍庫建設的其他注意事項
a. 凡制冷管道和設備能導致冷損失的部位、能產生凝結水滴和易形成冷橋的部位均應進行保冷設計，選材結構及安全等應按現(xiàn)行國家標準GB/T 11790—1996《設備及管道保冷技術通則》及GB/T 15586—1995《設備及管道保冷設計導則》執(zhí)行，穿過墻體或樓板等處的保冷結構不得中斷。
b. 低溫管道均應采用不銹鋼無縫鋼管，其質量應符合現(xiàn)行國家標準GB/T 14976—2002《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》的要求，乙二醇介質管道和部件禁止采用鋅質或表面鋅處理材料。
c. 要加裝冷凍庫庫門自動防凍死裝置(交流供電電壓小于36V)和適合的防護燈具。
d. 做好地面防凍，避免地面凍翻基礎。
3 LNG冷能利用冷凍庫的經濟性分析
① 制冷工藝造價比較
LNG制冷方案與傳統(tǒng)制冷方案主要工藝設備造價見表1，傳統(tǒng)制冷方案比LNG制冷方案造價高12×104元。
表1 LNG制冷方案與傳統(tǒng)制冷方案主要工藝設備造價
方案
設施
數(shù)量
價格/元
合計/元
LNG制冷方案
LNG地面隔熱離心泵
2臺
40×104
134×104
冷媒循環(huán)泵
4臺
4×104
蓄冷池
1座
25×104
盤管換熱裝置
1套
25×104
室外低溫管道
1套
12×104
電力系統(tǒng)
1套
18×104
控制系統(tǒng)
1套
10×104
傳統(tǒng)制冷方案
螺桿制冷機組
1臺
85×104
146×104
水循環(huán)冷卻塔
2臺
16×104
冷媒泵
2臺
2×104
室外冷媒管道
1套
3×104
電力系統(tǒng)
1套
35×104
控制系統(tǒng)
1套
5×104
   ② 運行費用比較
   本系統(tǒng)與傳統(tǒng)冷凍庫相比，主要是減少了制冷機組及相關配套設備等的設備費用，而且通過設置蓄冷池，可保證冷凍庫穩(wěn)定運行。經計算，同樣制冷規(guī)模的R22壓縮制冷機組冷凍庫的總用電負荷約為360kW，而LNG冷能利用冷凍庫的總用電負荷約為90kW，可節(jié)約大量電能，同時減少傳統(tǒng)制冷劑的使用，符合國家節(jié)能減排政策。
    兩方案的冷凍庫按照平均每天滿負荷運行10h計算，年工作時間約為3650h，則LNG制冷方案耗電32.85×104kW·h，而傳統(tǒng)制冷方案耗電131.4×104kW·h，兩者相差甚大，LNG制冷方案電能節(jié)約優(yōu)勢明顯，而兩方案的年運行人工費、設備折舊費及維護費等基本相同。
    因此，利用LNG冷能作為冷凍庫的冷源是一種非常可行的方式，減少了冷凍庫的設備費用及運行費用，具有明顯的綜合效益，隨著電價的不斷上漲，LNG冷能利用的經濟優(yōu)勢將更加凸顯。
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(本文作者：李錫杰 劉建海 天津市燃氣熱力規(guī)劃設計院 天津 300191)