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.哈爾濱工業大學深圳研究生院,廣東深圳518033; 2.深圳中燃哈工大燃氣技術研究院,廣東深圳518033)
    摘　要：隨著LNG用量的持續增長,氣化產生的冷量也相繼增多,回收利用這部分冷能具有可觀的經濟和社會效益。通過分析LNG冷能利用的概況及LNG氣化站的特點,確定了比較適合氣化站冷能利用的3種方式:低溫集中式空調系統冷源、冷庫冷源與小型冷熱電三聯產系統相結合。
    關鍵詞：液化天然氣;　氣化站;　冷能利用
    中圖分類號：TU996　　文獻標識碼：B　　文章編號：1000-4416(2007)01-0021-03
    1　概述
    近10 a來,液化天然氣(LNG)技術在我國日益受到重視,相繼建成了多套生產裝置,已建成天然氣液化工廠有上海的LNG事故調峰站、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液化天然氣,開拓能源供應渠道多元化。我國引進LNG三大項目———廣東、福建、上海LNG項目近來均獲重要進展。其中廣東大鵬灣LNG接收站已于2006年6月底建成投產,規模為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的年進口量將超過6 000×104t/a,使天然氣在一次能源消費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展。
    LNG氣化站是一種小型的LNG接收和氣化設施,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來的LNG,經氣化加臭后,通過管網供應給用戶,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相繼建設了氣化站,向居民或企業供應天然氣。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,至今已建成逾80座LNG氣化站。
    通常生產1 tLNG的動力及公用設施耗電量約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%的效率轉化為電力,那么1 tLNG的冷能相當于230 kW·h電。回收這部分可用冷能,不僅有效利用了能源,而且減少了機械制冷大量的電能消耗,具有可觀的經濟效益和社會效益。
    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、空調和低溫養殖栽培等;間接利用方法有用空分得到的液氮、液氧來進行低溫破碎、污水處理、低溫醫療等。其中,LNG冷能用于發電是目前LNG冷能利用的主要方式,且技術較為成熟。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,并進行了相關項目的招標工作。目前,有關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
    ①　建設投資規模小。一個可供6×104戶居民用氣的氣化站需投資500×104元左右,可大大減少發展城鎮燃氣對資金的需求。
    ②　建設期短。一般0. 5 a左右就可建成投產。
    ③　可實現多氣源供氣,從而提高供氣的可靠性。
    ④　具有調峰功能。建LNG氣化站,可省去城鎮供氣系統中的調峰設施,節省管網建設造價。
    ⑤　設計、制造、安裝以及陸上運輸技術已成熟,絕熱技術的發展大大提高了LNG運輸、儲存和使用的安全性和經濟性,促進了LNG氣化站的迅速發展。
    LNG氣化站規模的大小一般根據用戶的規模而定,用戶用氣量大,則氣化站規模就大,相應產生的冷量也就多;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時,要充分考慮這些特點,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系統冷源低溫集中式空調系統是指系統運行時送風溫度≤11℃的空調系統。低溫送風系統與常規空調系統相比,在技術上有了很大進步,其造價降低,運行費用降低,電力需求小,空氣品質優良,人體舒適感提高。
    利用LNG的潛熱或顯熱直接與空氣進行換熱時,換熱溫差達到160℃左右,容易造成空氣中水蒸氣、CO2等氣體的凍結,阻塞換熱器流道,無法正常工作,從安全角度以及空調環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來降低換熱溫差,即將LNG的冷量先轉移至低凝固點的中間冷介質上,再通過冷介質的循環把冷量傳遞給需要冷卻的空氣,盡量減小傳熱溫差。由于LNG氣化站冷量產生的不均勻性,在利用氣化冷量作為集中式空調的冷源時,必須用到蓄冷技術,把冷量儲存起來。利用LNG冷能的低溫中央空調系統見圖1。
              
    在圖1中,LNG通過換熱器1氣化成氣態天然氣,然后再通過計量、加臭等過程后供城市工業、商業以及居民用戶使用。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,又要有較強的蓄冷能力。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。新風和回風混合后通過換熱器3,再經過除濕、過濾等處理達到室內空氣質量要求,送入室內。
    該系統有以下4種工作模式:
    ①　單蓄冷:低溫集中式空調不工作,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負荷,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負荷,于是蓄冷槽就釋放自身冷量滿足低溫集中式空調冷量。
    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、工業原料等進行加工或儲存的建筑物。利用LNG冷能的冷庫系統(見圖2)流程與低溫集中式空調冷能利用系統相似,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,氣化冷量必須先經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過蓄冷系統,故工作模式只有3種:單蓄冷、單融冰、蓄冷融冰同時進行。
    本循環中蓄冷槽的采用不但可以彌補LNG氣化站冷量不均,而且加快了初冷速度,使得庫房溫度穩定,冷卻設備不需要化霜,降低了基建造價和氨液泄漏量,也保證了冷藏產品的品質。
    通過初步計算,冷量回收效率已達到40%左右,可作為氣化站冷能利用的一個重要研究方向。
    3.3　同小型冷熱電三聯產系統相結合
    對LNG氣化站,一般在設計時會設計柴油發電機之類的備用發電設施。考慮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及供暖需要,可選取合適的燃氣輪機建立小型冷熱電三聯產(CCHP)系統,見圖3。
               
    根據文獻[7],燃氣輪機進口空氣溫度對系統出力的影響很大。隨著燃氣輪機進口空氣溫度的降低,系統出力明顯提高。尤其是當環境溫度高于30℃時,空氣溫度每降低10℃,系統出力平均增加10%。空氣溫度為30℃時的系統出力僅為5℃時的75%。這是由于環境溫度的升高使空氣的密度減小,空氣質量流量下降引起輸出功率的下降,效率隨進口空氣溫度的變化也較大。當環境溫度由30℃降低到5℃時,系統效率增加近4%。
參考文獻:
[1]吳佩英. LNG汽車加氣站技術的發展與應用[J].煤氣與熱力, 2003, 23(10): 629-630.
[2]朱萬美,王湘寧.城鎮燃氣氣源的選擇[J].煤氣與熱力, 2005, 25(4): 48-51.
[3]程文龍,余金寧,陳則韶.回收PAFC廢熱與LNG冷能的動力循環分析[J].低溫工程,2005,145(3):56-59.
[4]先智偉,謝箴.世界LNG裝置現狀與發展[J].天然氣與石油, 2005, 23(2): 6-9.
[5]朱剛,顧安忠.液化天然氣冷能的利用[ J].能源工程, 1999, (3): 1-2.
[6]朱文建,張同,王海華.液化天然氣冷能利用的原理及方法[J].煤氣與熱力, 1998, 18(2): 33-35.
[7]王強,厲彥忠.基于液化天然氣冷能的燃氣輪機發電循環[J].西安交通大學學報, 2003, 37(5): 531-534.