利用LNG梯级冷能的冷库系统构建与载冷剂选择

1、利用LNG梯级冷能的冷库系统构建与载冷剂选择摘要分析了LNG 冷能的梯级利用方式，对LNG 冷能冷库系统从工艺角度进行设备、流程的研究，并作载冷剂选择.以LNG 冷能评价分析指标，对某小型LNG 冷能利用项目进行了经济性计算. 结果表明: 与常规电动压缩式冷库相比，在考虑设备造价与折旧率的情况下，以运行费用减少折算的冷库系统投资回收期仅为1.11 年. 因此，LNG 冷能的第三级用于低温冷库是合理的冷能利用方式，既可以简化冷库系统的结构，减少设备投资费用，又能回收大量的LNG 冷能，明显降低冷库运行的电耗，具有较高的节能经济性.0 引言天然气是三大主要能源之一，为了便于远洋运输，往往把气态的天

2、然气进行液化处理，成为液化天然气( LNG) . 而LNG 气化成常温气体供给用户使用的过程中将释放出大量的冷能. 制冷行业是耗能耗电大户，据测算，制冷设备所消耗的电能约占到社会总用电量的15 % 20 % 左右. 传统的冷库大都采用电动压缩式制冷设备维持冷库的低温，电耗很大，在一般食品生产企业中，冷库动力消耗约占全厂总耗电量的50 % 60 %1. 基于充分利用LNG 梯级冷能的目的，本文研究构建 LNG 冷能冷库对食品进行冷冻冷藏. 预计不仅能够节约大量冷库制冷装置的设备投资和运行费用，经济效益显著，而且可以带来明显的节能与环保效益.1 LNG 冷能的梯级利用从能量有效利用的角度来看，各种

3、单一利用LNG 冷能的方法，只是考虑了冷能的回收，而没有考虑冷能利用的能级，从而造成大量高品位冷能的损耗. 因此必须对LNG 冷能进行梯级利用2. 结合LNG 冷能冷库所需冷能的能级及制冷工艺的需要，可作如下LNG 冷能级利用设计: 液化分离空气制取液化 co2及干冰LNG 冷能冷库.1) 空气分离需要在低于-150 的温度下进行，而LNG 的气化温度是-162 ，二者的温度区间基本匹配. 因此，利用刚从储罐出来的LNG 气化产生的冷能来液化分离空气，作为LNG 冷能梯级利用的第一级.2) LNG 经过空分设备换热后的温度在-100 左右，此温度与环境温度还存在着较大的温差，可利用的冷能仍然比

4、较可观. 而co2的液化温度是-70 ，干冰温度为-78. 5 ，均与LNG 通过空分设备后的温度相匹配. 因此，将液化co2和制取干冰作为LNG 冷能梯级利用的第二级是比较适合的.3) 利用LNG 第二级冷能制取液态co2和干冰之后，其温度仍低于-60 . 而一般低温冷库的温度范围大致在-40 -10 之间，故将LNG 冷能梯级利用的第三级作为低温冷库的冷源，是可行且合理的做法.因此，LNG 从储罐出来，经过以上三级的冷能梯级利用后，温度已接近所需的供气温度，再经供气前处理后即可通过ng 城市管网对天然气用户进行供气. 以上梯级利用方案只要匹配好各级热交换温度，就能实现充分合理利用LNG 冷

5、能的目的.2 冷库系统构建与载冷剂选择2. 1 LNG 冷能冷库系统组成2. 1. 1 蓄冷装置及蓄冷介质由于LNG 气化时冷量产生的不均匀性，在利用第三级LNG 冷能作为冷库的冷源时，必须设置蓄冷装置( 蓄冷池) 把冷量储存起来，以解决冷库冷量供需的矛盾. 蓄冷装置的智能化程度要求比较高，可根据冷库冷量需求的变化自动调整冷量输出，从而提高了冷量利用效率. 而且，设置蓄冷装置还可以加快初冷速度，使得库房温度更稳定，从而保证冷产品的质量.蓄冷介质一般都采用无相变蓄冷方式. 在选用时，既要保证蓄冷介质有较低的凝固点(冰点) ，又应具有较强的蓄冷能力. 综合考虑各种因素，选择60%乙二醇水溶液作为L

6、NG 冷能冷库蓄冷介质较为理想，其溶液性质见表13.2. 1. 2 换热设备及液体循环泵在蓄冷介质乙二醇与经过第二级冷能利用后的LNG之间，以及冷库载冷剂与乙二醇之间的换热设备均选用板式换热器，在较小循环量的情况下，可以提高其传热效率. 通过第一板式换热器把LNG冷量传递给蓄冷介质，并把冷量储存在蓄冷池中; 通过第二板式换热器把蓄冷介质冷量传递给载冷剂，用于降低并维持库内空气的温度，保鲜冷产品. 在两组换热器之间分别设置液体循环泵，保证蓄冷介质和载冷剂的正常循环.2. 1. 3 产冷设备及液体调节站LNG 冷能冷库的产冷设备与电动压缩式冷库类似，可以根据冷藏、冷冻的目的不同而选择冷排管或冷风机

7、. 考虑到载冷剂在LNG 冷能冷库中一般是无相变制冷，宜选用冷风机强化库内空气的流动，提高制冷效果. 常规低温冷库冷藏间(18 ) 、冻结间 (-23 ) 的库温与产冷设备中制冷剂的传热温差一般取0 ，而LNG 冷能冷库载冷剂在各产冷设备中制冷时是显热交换，载冷剂吸热后温度升高，使传热温差减小，制冷能力不如传统冷库中制冷剂在蒸发器中的潜热交换大，所以库温与载冷剂的传热温差应加大，取15 20 较为合适，见表2.与常规电动压缩式冷库不同，LNG 冷能冷库只需设置液体调节站，当库内各冷间负荷变化时，分配调节载冷剂的供液量，以满足各冷间产冷设备制冷的需要.2. 2 系统工艺流程系统工艺流程如图1 所

8、示. 经过前两级冷能利用后的LNG 先接入稳压装置 ( 或增压装置) 保压，再由液体循环泵输送至第一板式换热器，与蓄冷介质乙二醇进行热交换，完全气化后进入ng 城市管网供用户使用. 乙二醇得到LNG 释放的第三级冷能后，温度从常温降到-48 ，冷量储存在蓄冷池中. 在第一板式换热器上设置旁通阀，当冷量过大时，打开旁通阀减少LNG 进入第一板式换热器的流量，防止乙二醇水溶液固化. 载冷剂通过第二板式换热器与蓄冷池中的乙二醇进行热交换，温度降至-40 ，并通过液体调节站分配到冻结间和冷藏间，使其库温分别降至-23 和-18 . 由于运行过程中载冷剂没有发生相变，并且冻结间库温-23 、冷藏间库温-

9、18 是依次升高的，在热负荷相近且比较稳定的情况下，流量相同的载冷剂通过冻结间和冷藏间时产生的温升也差别不大. 因此，系统采用串联形式，使载冷剂串联通过冻结间和冷藏间时分别释放冷量. 这种连接方式，系统结构简单，充分利用了LNG 的冷能，也实现了冷量在冷库内的梯级利用. 同时，由于蓄冷装置的自适应性，当冻结间的负荷增大或减少时，蓄冷池提供的冷量也会根据负荷的不同自动调节冷量输送，从而避免了冷藏间制冷效果可能由于冻结间负荷的变化而受到影响，保证了冻结间和冷藏间的制冷效果4 -5.2. 3 载冷剂选择载冷剂选择的适当与否直接影响冷库系统的制冷效果. 基于LNG 冷能冷库与常规电动压缩式冷库的制冷方

10、式差异，比较理想的载冷剂应该满足以下几点要求:1) 选择中温载冷剂，以满足低温冷库的要求;2) 由于和载冷剂换热的乙二醇温度较低，宜选择共晶温度低的载冷剂，否则容易阻塞管路;3) 不燃不爆、无毒无腐蚀、安全环保;4) 比热大、密度小、粘度小;5) 导热系数大.在低温冷库制冷系统中，常用的中温载冷剂是盐水溶液和有机化合物水溶液. 盐水溶液主要指nacl 和cacl2水溶液，其具有无毒性、比热较大、凝固点较低以及导热系数大等优点; 有机化合物水溶液虽然可以得到更低的温度，但价格昂贵，运行管理不方便，成本也较高. 因为在LNG 冷能冷库各冷间中循环制冷的载冷剂温度均低于nacl 水溶液的共晶温度-2

11、1. 2 ，所以不能选用nacl 水溶液. 而cacl2水溶液的共晶温度是-55 ，满足库温-30 以下的低温冷库及载冷剂工作温度的要求，且cacl2水溶液对产冷设备及管道的腐蚀性也较小. 另一方面，选择cacl2水溶液并不是浓度越高越好，虽然浓度增高，可降低凝固点，但其密度增大、比热减小，会增加载冷剂泵的功率消耗.综上所述，所构建的LNG 冷能冷库系统宜选择浓度为30%的cacl2水溶液为载冷剂.3 经济效益分析3. 1 大型LNG 项目冷能利用的经济效益迄今已经完成的大型LNG 项目冷能利用情况表明，如果下游市场能够合理配套，大规模LNG 项目冷能利用的经济效益潜力巨大. 例如，某3. 5

12、106t/ 年 LNG 项目，因位于一个特大型循环经济区之内，有包括大规模空分、油田伴生气轻烃分离以及通过冷媒循环系统，向下游低温粉碎、干冰、冷库等规模大、温位分布适宜的重化工业及其他低温冷能等用户. 其总供冷负荷大于70 mw，其中70 % 以上冷能获得了梯级利用，总经济效益约4108元/年. 其冷能下游用户LNG 冷能冷库可用比传统耗电制冷低的价格购入LNG 冷能，因而内部收益率提高到15 %6，比没有利用冷能的项目提高了5 个百分点，经济效益显著.3. 2 小型LNG 项目冷能利用的经济效益小型LNG 项目冷能利用同样具有明显的经济效益. 例如，某县级小型LNG 卫星站冷能利用项目，一期

13、规模为每年4104t LNG，通过冷媒循环系统向下游LNG 冷能冷库、室内滑冰场、建筑物空调等用户提供冷负荷. 以每吨LNG 汽化释放出830 mj 的冷量折算，该卫星站每日将产生总冷量90958.9 mj，取LNG 冷能冷库系统的冷量利用占总释放冷量的比例为33% ，则每日可用于冷库的有效冷负荷为347. 7 kw，产生的冷量足以满足中等规模的冷库需要.在不考虑制冷所需的投资、折旧费用情况下，温度下单位冷价计算公式7为:其中:cqt为t 温度下的单位冷价;ce为电价;exp为制冷耗电量;q 为总制冷量.对于电驱动压缩式制冷:其中cop 为制冷系数.如取工业电价为0.8 元kw- 1h- 1，

14、则以常规电动压缩式制冷方式，在制冷系数cop 取3 的情况下，得到同样冷量折算的单位冷价5为0.07 元mj- 1. 以此冷价为依据，根据 LNG 冷能冷库所利用的冷量份额，计算得到该冷库年冷量收益为76. 7 万元. 以目前市场行情，LNG 冷能冷库设备投资以2000 元kw- 1计算，则该 LNG 冷库系统需投资69. 5 万元，假设LNG 冷能冷库年运行费用按设备造价的20 % 计算，设备年折旧率以3% 计算，则LNG 冷能冷库系统投资回收期仅为1.11 年，见表3.4 结论1) 对LNG高品位冷能进行梯级利用，将其第三级释放出来的可回收冷量，作为中大规模低温冷库的冷源是合理可行的. 该

15、方案不仅具有很大的节能潜力，还能平衡电网负荷.2) 在LNG冷能冷库中设置蓄冷装置，增强了冷库系统的运行稳定性与可靠性. 由于载冷剂温度较低，选择cacl2水溶液作为载冷剂较为合适. 必须增大库温与载冷剂之间的传热温差，以提高载冷剂在各产冷设备中的制冷量.3) LNG冷能冷库较传统电驱动冷库减少了制冷压缩机、冷凝器、节流装置及各种辅助设备，冷库系统结构简单. 既节省了冷库制冷装置大量的投资费用，又明显减少了压缩式制冷设备工作时所必需的运行费用. 根据对某小型LNG冷能利用项目下游LNG冷能冷库进行的计算结果，其投资回收期仅为1.11 年，因此，经济效益十分显著.参考文献1 billiard f. 制冷与可持续发展 j. 制冷学报，2003，24( 2) : 17-18.2 王强，厉彦忠，张朝昌. 液化天然气 ( LNG) 冷能回收及其利用 j. 低温工程，2002，128( 4) : 38-42.3 盛青青，章学来，叶金，等. 利用 LNG 冷能的冷冻冷藏库设计 j. 能源技术，2007，28( 6) : 322-324.4 黄美斌，林文胜，顾安忠. 利用 LNG 冷能的低温冷库流程比较 j. 制冷学报，2009，30( 4) : 58-62.5 吴集迎，马益民，陈仕清. LNG 冷能用于冷库的系统设计及分析