基于LCNG加氣站氣化冷量用于空調(diào)制冷的研究

嚴(yán)　波，黃豪中，鄒銀政

（1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004；

2.成都華氣厚普機(jī)電設(shè)備股份有限公司，四川成都610000）

基于LCNG加氣站氣化冷量用于空調(diào)制冷的研究

嚴(yán)波1，黃豪中1，鄒銀政2

（1.廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，廣西南寧530004；

2.成都華氣厚普機(jī)電設(shè)備股份有限公司，四川成都610000）

闡述了LNG的特性及發(fā)展前景，分析現(xiàn)有對(duì)LNG氣化冷能利用方式，結(jié)合LCNG加氣站實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一套LCNG加氣站氣化冷量用于空調(diào)制冷的設(shè)計(jì)方案。選取用于一級(jí)換熱工質(zhì)R404A、二級(jí)換熱工質(zhì)50%乙二醇水溶液。并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算及分析，得出系統(tǒng)的效率為0.3835.

LCNG加氣站；冷能回收；效率分析

天然氣相比于其他能源更清潔環(huán)保［1］，幾乎不含硫、粉塵和其他有害物質(zhì)。燃燒產(chǎn)生的二氧化碳少于其他的石化能源，當(dāng)量排放相比于煤的一半，石油燃燒的三分之一。由于天然氣不便于運(yùn)輸，工業(yè)上采用將天然氣液化，冷凝后的液體稱之為L(zhǎng)NG.LNG在常壓下為無色、無味、無毒且無腐蝕性的液體，溫度約為-162.0℃，通常LNG在155K左右才開始?xì)饣┙o末端用戶通常需加熱使之氣化為零度以上的氣體，這一過程，會(huì)放出大量的冷能，約為 830～860 kJ/kg［2］。若利用這部分冷能使其轉(zhuǎn)化成電能，每噸LNG當(dāng)量240 kW·h電能。

LNG冷能利用技術(shù)可以分為兩個(gè)方向：直接利用和間接利用。直接利用包括冷能發(fā)電、深冷空氣分離、冷凍倉(cāng)庫(kù)、制取液態(tài)CO2、汽車?yán)洳亍⑵嚳照{(diào)、海水淡化、空調(diào)制冷等；間接利用包括低溫粉碎、水和污染物處理等。其分布方式如圖1所示［3-6］。

圖1　LNG冷能利用方案

LCNG加氣站經(jīng)營(yíng)LNG和CNG兩種不同相態(tài)，隨著汽車的混合動(dòng)力的普及，這種加氣站具有良好的推廣前景。本文針對(duì)LCNG加氣站這類LNG氣化量小，且不連續(xù)穩(wěn)定的工況提出一種利用兩級(jí)換熱回收LNG氣化冷量用于空調(diào)制冷的工藝系統(tǒng)。利用一級(jí)相變工質(zhì)通過LNG換熱器將LNG氣化冷量取出，再通下一級(jí)換熱器將取出的冷量轉(zhuǎn)換到二級(jí)工質(zhì)，再利用末端制冷裝置進(jìn)行供冷。采用這種工藝，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，初期投資較小，兩次換熱中利用工質(zhì)儲(chǔ)罐可以調(diào)節(jié)LNG氣化不連續(xù)工作這一難點(diǎn)，可以使工藝系統(tǒng)持續(xù)供冷，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1　用于兩級(jí)換熱的工藝流程

本文提出的兩級(jí)換熱工藝包括換熱循環(huán)和制冷循環(huán)，具體工藝流程如圖2所示。

圖2　兩級(jí)換熱系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)的工作原理：-162℃左右的LNG從LNG儲(chǔ)罐出來，經(jīng)LNG泵升壓后進(jìn)入LNG蒸發(fā)器與工質(zhì)A換熱，換熱后，經(jīng)過氣化器加熱到要求的溫度后進(jìn)入儲(chǔ)氣罐；汽化狀態(tài)的工質(zhì)A，進(jìn)入LNG換熱器中冷凝成液態(tài)，經(jīng)工質(zhì)A泵加壓，輸送至冷凝器中與工質(zhì)B換熱，受熱汽化，然后送入LNG蒸發(fā)器，完成換熱循環(huán)；工質(zhì)B流經(jīng)風(fēng)機(jī)盤管與空氣換熱后進(jìn)入工質(zhì)B換熱器，換熱后流回工質(zhì)B儲(chǔ)液罐，再由工質(zhì)B泵送入風(fēng)機(jī)盤管，完成供冷循環(huán)。其中，當(dāng)工質(zhì)B儲(chǔ)液罐中的溫度高于供冷所要求的最高溫度時(shí)，閥門b將關(guān)閉，a打開，工質(zhì)B繼續(xù)吸收冷量；當(dāng)工質(zhì)B儲(chǔ)液罐中的溫度達(dá)到供冷要求，則將關(guān)閉a，打開b，進(jìn)行供冷。

2　工質(zhì)選取

工質(zhì)的選取對(duì)于整個(gè)工藝的影響巨大。不同的工質(zhì)，其熱物理參數(shù)差別很大，會(huì)影響系統(tǒng)中設(shè)備的效率，以及整體LNG冷能回收效率。同時(shí)，工質(zhì)的理化性也會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性。因此，對(duì)于系統(tǒng)工質(zhì)，應(yīng)該考慮以下幾個(gè)因素［7］：

（1）環(huán)境友好性。本文的出發(fā)點(diǎn)就是節(jié)能環(huán)保，提高能源利用率，所以選取的工質(zhì)一定屬于環(huán)境友好型，工質(zhì)不破壞臭氧層，循環(huán)是溫室效應(yīng)小。

（2）熱物理化學(xué)性與安全性。工質(zhì)的比熱容和汽化熱大，工質(zhì)的儲(chǔ)能能力越高，系統(tǒng)中所需的工質(zhì)流量就越小，這樣會(huì)降低系統(tǒng)中泵的功耗。

經(jīng)研究分析當(dāng)前對(duì)熱門的工質(zhì)實(shí)用，本文選取了R404A作為換熱循環(huán)的工質(zhì)，R404A具有很大優(yōu)勢(shì)，屬于非共沸混合工質(zhì)，相比于傳統(tǒng)的制冷劑，非共沸混合工質(zhì)壓比低，工質(zhì)泵功耗降低，使得系統(tǒng)的制冷能力增大。考慮本文冷凝器運(yùn)行溫度較低，制冷循環(huán)一般采用凝固點(diǎn)較低的工質(zhì)，工程上普遍采用乙二醇水溶液。乙二醇易溶于水，乙二醇水溶液的冰點(diǎn)同乙二醇質(zhì)量分?jǐn)?shù)不成線性關(guān)系。具體質(zhì)量濃度與凝固點(diǎn)關(guān)系見圖3.結(jié)合本文的工藝設(shè)計(jì)，選取乙二醇質(zhì)量濃度百分比為五十的水溶液作為供冷工質(zhì)。

圖3　乙二醇水溶液的凝固點(diǎn)

3　系統(tǒng)分析

本文利用CFD模擬軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，通過計(jì)算，得到最佳計(jì)算流量，LNG流量為2 880 kg/hr， R404A流量為8 136.67 kg/hr，工質(zhì)B的流量為14 400 kg/hr.具體分析見下表。

Ei為工質(zhì)某一狀態(tài)下的；m為工質(zhì)的質(zhì)量；T0為環(huán)境溫度，本文取28℃；hi為工質(zhì)在某一狀態(tài)下的焓；h0為工質(zhì)在環(huán)境狀態(tài)下的焓；si為工質(zhì)在某一狀態(tài)下的熵；s0為工質(zhì)在環(huán)境狀態(tài)下的熵。

式中：

圖4　黑箱模型原理圖

式中，ηe為系統(tǒng)效率；

結(jié)合圖4中的黑箱模型，上述表達(dá)式可變?yōu)椋?/p>

其中：

Ex，sup為輸入系統(tǒng)供給；Ex，br為輸入系統(tǒng)帶入；Ex，eff為輸出系統(tǒng)有效；Ex，ineff為輸出系統(tǒng)的無效；Ex，in為系統(tǒng)內(nèi)部損。

式中，E1，o為換熱器熱端流出；E1，i為換熱器熱端流入；E2，o為換熱器冷端流出；E2，i為換熱器冷端流入

式中，ηt為熱交換器的熱效率，換熱器的實(shí)際換熱量與理論換熱量的比值；ηe，T為溫度效率。

式中，T0為環(huán)境溫度；為冷流體平均吸熱溫度；為熱流體平均放熱溫度；ε1為熱流體的損Ir1與EQ1放出的比值；ε2為冷流體的損Ir2與EQ2吸收的比值。

圖5　換熱器分析計(jì)算示意圖

根據(jù)能量平衡方程有：

換熱為定壓過程：

由此得：

換熱器的完善度ε為：

表1　設(shè)備效率計(jì)算

表1　設(shè)備效率計(jì)算

設(shè)備　耗費(fèi)/MJ　收益

4　結(jié)論

（2）R404A泵消耗的電能為27.654 MJ，做功26.343 MJ，效率為0.952 5；工質(zhì)B泵消耗的電能為1.299 MJ，做功1.254 MJ，效率為0.965 4.

5　結(jié)束語

我國(guó)天然氣利用極為不平衡，天然氣在我國(guó)能源中的比重很小。從我國(guó)的天然氣發(fā)展形勢(shì)來看，天然氣資源有限，天然氣產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于需求，供需缺口越來越大。盡管還沒有形成規(guī)模，但是LNG的特點(diǎn)決定LNG發(fā)展非常迅速。隨著本地區(qū)LCNG加氣站的不斷增長(zhǎng)，LNG氣化冷能利用方式的研究還會(huì)不斷地進(jìn)行。提高能源利用效率將會(huì)使冷能回收利用的更具實(shí)際效益，具有重要意義。

［1］Pun-Lee Lam.The growth of Japan’s LNG industry：lessons for China and Hong.Kong.Energy Policy［J］.2000，（28）：327-333.

［2］李靜，李志紅，華賁.LNG冷能利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景［J］.天然氣工業(yè)，2005，25（5）：103-105.

［3］王靜玲，馬國(guó)光，余洋，等.LNG衛(wèi)星站冷量利用方案選擇［J］.石油化工應(yīng)用，2012，31（9）：22-25.

［4］Rosetta，M.，B.Price，L.Himmelberger.Optimize energy consumption for LNG vaporization：Gas processing develop ments［J］.Hydrocarbon processing，2006，85（1）：57-64.

［5］Dharmadhikari，S.Optimize LNG vaporizers［J］.Hydrocarbon processing，2004，83（10）：95-99.

［6］余黎明，江克忠，張磊.我國(guó)液化天然氣冷能利用技術(shù)綜述［J］.化學(xué)工業(yè)，2008，26（3）：9-18.

［7］馬利敏.中高溫?zé)岜霉べ|(zhì)的理論與實(shí)驗(yàn)研究［D］.天津：天津大學(xué)，2006.

Study on Air Conditioning and Refrigeration based on LCNG Filling Station Gasification Cooling Capacity

YAN Bo1，HUANG Hao-zhong1，ZHOU Yin-zheng2
（1.Mechanical Engineering College，Guangxi University，Nanning 530004，China；
2.Chengdu China Gas&Electric Equipment Limited by Share Ltd.，Chengdu Sichuang 610000，China）

The paper expounded the characteristics and development prospects of LNG，analysed existing utilization of LNG cold energy，combining with LCNG refueling station actual situation，designed a system of LCNG refueling station gasification cooling capacity for air conditioner refrigeration.This paper selects R404A as first order heat exchange refrigerant，and chooses 50%ethylene glycol aqueous as second order heat exchange refrigerant.By simulating computation and analysing the system，we concluded that the exergy efficiency of system is 0.3835.

LCNG refuelingstation；cold energy recovery；exergy efficiency analysis

U469

A

1672-545X（2016）07-0056-03

2016-04-15

嚴(yán)波（1989-），男，重慶人，碩士研究生，研究方向：能源回收與利用。