LNG冷能用于冷庫制冷性能模擬研究

董建鍇，黃 順，李 碩，姚 楊，姜益強

(哈爾濱工業大學 熱泵空調技術研究所，哈爾濱 150090)

LNG冷能用于冷庫制冷性能模擬研究

董建鍇，黃 順，李 碩，姚 楊，姜益強

(哈爾濱工業大學 熱泵空調技術研究所，哈爾濱 150090)

為使LNG冷能在冷庫系統中得到有效利用，從LNG冷能梯級利用的角度出發，設計一種新型LNG冷能制冷的冷庫系統，在LNG換熱器端和冷庫末端實現對LNG冷能的梯級利用，并通過HYSYS模擬對其進行熱力學分析和經濟性分析. 結果表明: 該冷庫系統COP為1.82，火用效率為80.2%； LNG換熱器火用損最大，約占系統總火用損的78.9%，且隨LNG進口溫度升高而減小；系統COP和火用效率均隨LNG進口溫度及氣化壓力升高而增大；該系統投資回收期為4.77 a，具有較好的經濟效益. LNG冷能為冷庫系統冷量來源提供新的選擇，在LNG進口端增設蓄冷設備和加壓泵均能提高系統COP和火用效率.

液化天然氣；冷能利用；火用損；HYSYS軟件；冷庫

目前，中國是全球第三大LNG進口國，僅次日本和韓國[1]. LNG是氣態天然氣通過低溫工藝液化和凈化得到的低溫液體混合物，常壓下溫度為-162 ℃. LNG在接收站進行再氣化過程中將釋放大量冷能，但在傳統再氣化工藝中，LNG攜帶的冷量被海水或空氣帶走，造成極大的能源浪費，而且會對周圍海域或站區的環境造成冷污染. 如果能將部分LNG氣化冷能作為冷庫的冷源，既可節省壓縮式制冷裝置的投資，又可減少電耗，經濟效益和社會效益十分可觀. 針對LNG冷能用于冷庫制冷，國內外學者做了相關研究. 黃美斌等[2]將LNG與中間冷媒在低溫 換熱器中進行換熱，被冷卻的中間冷媒通過管道進入冷庫內，通過末端裝置釋放冷量來實現冷凍或冷藏. 吳集迎等[3]設計了LNG冷能用于冷庫的系統流程與運行模式，并驗證了LNG冷能作為冷庫的冷源是一種可行的方式，且具有顯著的節能效果和經濟效益. 劉宗斌等[4]在傳統的電壓縮氨制冷工藝的基礎上增加LNG制冷循環，結果顯示該工藝冷能利用率達87.8%，火用效率達26.8%. Messineo等[5]在接收站和用冷地點之間設置中間冷媒傳輸系統，并選取二氧化碳作為中間冷媒介質，有效降低傳輸能耗. 李少中[6]利用HYSYS模擬比較了電壓縮氨氣制冷工藝和利用LNG衛星站冷能的冷庫火用效率，結果顯示兩者火用效率分別為12.1%和26.6%. 唐賢文等[7]通過火用分析的方法計算了LNG冷能用于冷庫的火用效率，結果顯示最高的火用效率為30%.

LNG冷能在冷庫中已經有許多應用，但普遍存在LNG冷能利用不合理、系統整體火用效率偏低的問題，且對火用效率較低的原因未進行深入分析，對于提高系統火用效率沒有提出行之有效的方法. 此外，部分研究對單級冷庫系統的火用效率進行了簡單分析，但對系統的COP和火用效率并未給出明確的定義和計算公式. 本文所采用的Rocca[8-9]定義給出了LNG冷能回收系統COP和火用效率的相應計算公式，并對公式每一項進行了詳細說明，符合熱力學第一定律和第二定律，具有較高的準確性. 此外，Rocca課題組在系統火用效率方面做過許多研究，COP和火用效率定義公式具有一定的可靠性. 本文采用Rocca定義的LNG冷能回收COP和火用效率對LNG冷能制冷的雙級冷庫系統進行了熱力學分析和經濟性分析. 介紹了LNG冷能制冷的冷庫系統以及其模型建立方法，分析了各設備及系統的火用損和火用效率，確定影響系統整體火用效率提高的障礙環節，研究了不同LNG進口溫度和氣化壓力下系統火用效率和COP的變化情況，最后對該系統進行了經濟性分析. 以期為優化設計LNG冷能制冷的冷庫系統以及合理高效地利用LNG冷能、充分發揮其火用效率提供有益參考.

1 系統及模型介紹

該模擬基于以下假定：

1)流程為穩態；

2)狀態方程為Peng-Robinson方程[10]，換熱器壓降均為10 kPa，泵和壓縮機效率均為75%.

對于穩定流動的系統，某單位質量流量的工質在某一狀態下的火用的定義式為

ex=h-h0-t0(s-s0).

(1)

計算基準為t0=25 ℃，p0=0.1 MPa. 此處氨的基準值為h0=-2 698 kJ/kg，s0=-5.81 kJ/(kg·K)； LNG參考值h0=-4 191 kJ/kg，s0=-5.016 kJ/(kg·K).

1.1 系統介紹

圖1為LNG冷能制冷的冷庫系統流程. 選取LNG組分為廣東LNG組分，見表1. 該冷庫系統設計思路主要是基于LNG冷能梯級利用的考慮，一方面在LNG換熱器端實現LNG冷能的梯級利用, LNG冷能的第一級用于空氣分離工藝，經過空氣分離后的LNG溫度定為-100 ℃，冷庫作為LNG冷能利用的第二級；另一方面在冷庫末端實現LNG冷能的梯級利用，設置兩種不同庫溫，庫溫根據食品的冷藏工藝要求確定，其值可參考GB50072—2010《冷庫設計規范》[11]，此處設置為-2 和-20 ℃. 不同庫溫所對應冷媒的蒸發溫度不同，相應的蒸發壓力也不相等. 采用串聯方式時，兩冷庫換熱器中壓力控制不均衡，將不能保證各換熱器中實際運行的壓力為額定蒸發壓力，因此，兩個不同庫溫的冷間采用并聯方式，從而使LNG冷能在冷庫系統中得到有效利用. 冷間的設計冷負荷分別為51.9和205.9 kW，冷卻末端設備分別為蒸發器1和蒸發器2.

圖1 LNG冷能制冷的冷庫系統流程Fig.1 Process of cold storage system using LNG cold energy

表1 LNG各組分及相應臨界壓力和溫度

Tab.1 LNG components and the corresponding critical pressure and temperature

組分φ/%臨界壓力/MPa臨界溫度/℃CH488.774.64-82.45C2H67.544.8832.28C3H82.594.2696.75異C4H100.453.65134.95正C4H100.563.80152.05N20.073.39-146.96

1.2 模型建立

圖2為該冷庫系統的HYSYS模擬流程. 根據冷間的設計溫度以及換熱器的傳熱溫差，為使各冷間能維持相應的溫度，工質氨在蒸發器1和蒸發器2處的蒸發溫度分別定為-9和-30 ℃，相應的蒸發壓力分別為0.3和0.12 MPa，此處的蒸發壓力和蒸發溫度并非一恒值，因為在HYSYS中換熱器計算需要設置一定的壓降，蒸發過程并非嚴格的恒溫恒壓過程.

圖2 HYSYS模擬流程Fig.2 Process of HYSYS simulation

依據熱力學第一定律和第二定律分別得到系統能效和火用效率.

系統能效COP(coefficient of performance)定義為

(2)

式中：QLNG為LNG輸入冷量，kW；Q1為蒸發器1輸出冷量，kW；Q2為蒸發器2輸出冷量，kW；Wpump為泵輸入功，kW；Wcom為壓縮機輸入功，kW；ExNG為出口NG的火用值，kW.

各設備及系統的火用損和火用效率計算如下：

LNG換熱器

Exloss,LNG=ExLNG+Ex7-ExNG-Ex1，

(3)

(4)

蒸發器1

(5)

(6)

蒸發器2

(7)

(8)

壓縮機

Exloss,com=Wcom+Ex5-Ex6，

(9)

(10)

膨脹閥

Exloss,exp=Ex2″-Ex4，

(11)

(12)

泵

Exloss,pump=Ex1+Wpump-Ex2，

(13)

(14)

系統

Exloss,system=ExLNG+Wpump+Wcom-ExNG-

(15)

(16)

2 結果與討論

2.1 熱力學分析

圖3為工質氨壓焓圖，其中氨的壓焓圖飽和曲線數據來自REFPROP 8.0. 蒸發和冷凝過程按照嚴格的恒壓過程，但是由蒸發器到冷凝器之間需設置一定的壓降來表示設備、管路等的總壓降. 7-8過程表示工質由蒸發器到冷凝器之間的壓降，包括設備壓降、儲罐進出口壓降和管路壓降.

圖3 LNG冷能制冷的冷庫系統壓焓圖Fig.3 p-hdiagram of cold storage system using LNG cold energy

LNG冷能制冷的冷庫系統相應的流程參數通過HYSYS模擬輸出的結果如表2所示.

通過HYSYS軟件模擬的系統各能流結果見表3.

表2 LNG冷能制冷的冷庫系統各物流參數

Tab.2 Logistic parameters of cold storage system using LNG cold energy

物流 t/ ℃p/MPa流量/(kg·h-1)焓/(kJ·kg-1)熵/(kJ·(kg·K)-1)火用/(kJ·kg-1)LNG-100.007.002005.0-4864-9.757740.5NG0.006.992005.0-4353-7.416553.61-10.600.28713.7-4109-11.660333.22-10.600.30713.7-4109-11.660333.23-9.750.29140.5-2779-6.606156.34-29.600.12573.2-4109-11.640327.25-31.400.11573.2-2815-6.29126.4652.000.29573.2-2647-6.157154.5740.000.29713.7-2673-6.238152.6

表3 LNG冷能制冷的冷庫系統各能流參數

Tab.3 Energy flow parameters of cold storage system using LNG cold energy

能流LNG換熱器蒸發器1蒸發器2泵壓縮機換熱量或功率/kW284.70051.900205.9000.00826.900

由式(2)可計算得到LNG冷能制冷的冷庫系統COP為1.82. 此時能效比并不能反映系統內部真實的能耗情形，應對系統進行火用分析.

根據表2和表3中的數據，通過式(3)～(16)可計算出LNG冷能制冷的冷庫系統及其設備的火用損和火用效率，具體數據如表4所示.

尊重學生合理需求和個體差異，統籌考慮各層次學生學習狀況、知識水平和解決問題的能力，以培養學生的創新精神和實踐能力為重點，以學生為中心，根據學生的能力水平和潛力傾向，把學生分成不同層次進行培養，讓學生學習適合自己的知識，通過不斷的質量測評與分層分流措施讓學生最終找到適合自己的崗位能力目標，使得學生學習有動力，學得專心、專注。

由表4可知，該LNG冷能制冷的冷庫系統火用效率達80.2%，較一般冷庫不到30%[6-7]的火用效率高出許多. 一方面是由于該冷庫作為LNG冷能利用的第二級，一定程度上實現了能量和能質的匹配；另一方面是由于該冷庫實現兩種不同溫度的冷庫并聯，一定程度上實現了冷能的梯級應用，充分利用了LNG冷能. 蒸發器1較蒸發器2火用效率提高了14%，因此，不同庫溫的冷間并聯設置可以有效提高冷庫系統整體的火用效率，并且擁有幾種庫溫的冷庫系統可以滿足多種需求，實現多功能化. 由于不同食品具有最適貯藏溫度，即庫溫有多種選擇，該冷庫系統只選擇了兩種常見的庫溫-20和-2 ℃進行研究分析，因此，可在該系統的基礎上增加-40、+10 ℃等庫溫進行分析，設計三級及以上冷庫系統，這也將是日后研究內容的一部分.

表4 LNG冷能制冷的冷庫系統及其設備火用損和火用效率

Tab.4 Exergy loss and exergy efficiency of cold storage system using LNG cold energy and its equipment

設備Exloss/kWηex/%LNG換熱器68.30084.6泵0.008100.0蒸發器10.98092.4蒸發器29.90081.0壓縮機6.50079.1膨脹閥0.96098.2系統86.60080.2

根據表4中的數據，計算LNG冷能制冷的冷庫系統各設備的火用損比例，其分布情況如圖4所示，由于泵的火用損很小，可以忽略不計. 由圖4可知，LNG冷能制冷的冷庫系統火用損最大的設備是LNG換熱器，約占78.9%，主要是因為進入換熱器中氨與LNG的溫度相差太大. 圖5給出了不同LNG進口溫度下該冷庫系統火用損、LNG換熱器火用損及其比例的變化情況，系統火用損、LNG換熱器火用損及其比例隨LNG進口溫度升高呈近似線性減小趨勢，系統火用損由145.5 kW減小至58.5 kW，降低了59.8%，LNG換熱器火用損由126.7 kW減小至39.7 kW，降低了68.7%，LNG換熱器火用損比例由87.1%減小至67.9%，降低了21.9%. LNG進口溫度升高，雖然LNG換熱器火用損比例仍較大，占系統火用損絕大部分，但LNG換熱器及系統火用損減小幅度較大，因此,LNG進口溫度的升高對減小LNG換熱器和系統火用損有很大的促進作用. 蒸發器2的火用損占11.4%，蒸發器1火用損占1.1%，即冷凍物冷藏庫火用損為冷卻物冷藏庫的10倍，除了溫差等不可逆因素外，還因為前者工質流量是后者的4倍. 壓縮機火用損占7.5%，主要在于其有一個絕熱效率，此處取HYSYS里該單元操作的默認值75%. 閥和泵的火用損均較小，膨脹閥處的火用損在于工質膨脹后壓力的降低，而泵處的火用損則在于其存在一個絕熱系數75%.

通過對LNG冷能制冷的冷庫系統各設備火用損大小的分析，可知提高該系統整體火用效率的障礙環節主要在LNG換熱器端，其次是在冷庫換熱器端. LNG進入換熱器的溫度為-100 ℃，而氨進入換熱器的溫度為40 ℃，冷熱流體換熱溫差太大，導致火用損較大，火用效率難以提高. 圖6給出了不同LNG進口溫度下該冷庫系統火用效率的變化情況，系統火用效率隨LNG進口溫度升高呈近似線性增加趨勢，由64.6%增加至90.1%，提高了39.5%，因此，可以在LNG進口端加一個蓄冷設備蓄存部分LNG冷量來提高其進口溫度，從而提高LNG冷能利用火用效率. 增加LNG進口溫度不僅能提高系統火用效率，也能提高系統的 COP，圖7給出了不同LNG進口溫度下該冷庫系統COP的變化情況.系統COP隨LNG進口溫度升高呈近似二次方增加趨勢，由1.54增加至2.38，提高了54.5%，主要原因在于出口天然氣火用值增加.

圖4 LNG冷能制冷的冷庫系統火用損分布

Fig.4 Exergy loss distribution of cold storage system using LNG cold energy

圖5 LNG換熱器火用損及其比例隨LNG進口溫度變化曲線

Fig.5 Exergy loss and its proportion of LNG exchanger under different LNG inlet temperature

圖6 冷庫系統火用效率隨LNG進口溫度變化曲線

Fig.6 Exergy efficiency of cold storage system under different LNG inlet temperature

常壓下LNG氣化溫度為-162 ℃，其能量品位很高，若直接應用于不需如此低溫的冷庫，在換熱過程中必然造成大量的火用損失，因此，冷庫不適合作為LNG冷能利用的第一級，需要對LNG冷能進行梯級利用，以期達到合理用能，使火用損失盡量減小. LNG冷能第一級可用作空氣分離工藝，經過換熱后LNG的溫度在-100 ℃左右，第二級可以用來制取干冰，換熱后LNG的溫度在-55 ℃左右，第三級可用于該冷庫制冷. 對于一些設計溫度較低的冷庫不能直接利用經過兩級利用后的LNG冷能，需要用LNG冷能的第二級甚至第一級，因此，需要根據冷庫的設計溫度對LNG冷能進行合理地梯級利用. 此外，氨的凝固點為-77.7 ℃，不能制取更低的溫度，需要根據冷庫設計溫度選擇合適的制冷劑.

圖7 冷庫系統COP隨LNG進口溫度變化曲線

Fig.7 COP of cold storage system under different LNG inlet temperature

該冷庫系統采用LNG先加壓后氣化的方式，此方式也是LNG調峰站采用的加壓方式[12]. 圖8給出了不同LNG氣化壓力下該冷庫系統火用效率的變化情況，其中取2.5 MPa為起始氣化壓力是因為LNG在壓力為2 MPa、溫度為-100 ℃時仍為氣液兩相流. 系統火用效率隨LNG氣化壓力增加而增大，2.5 MPa到4.5 MPa段火用效率增加較快，由67.0%升至75.3%，從5 MPa之后火用效率增長緩慢，由76.5%增至81.4%. 起始端火用效率增加較快是因為火用損減小速率較快，同理，5 MPa至8 MPa段火用效率增加緩慢是因為火用損減小速率較慢. 提高LNG的進口壓力，可以改變LNG氣化溫度，從而有效提高系統整體的火用效率，因此，可以在LNG進口端增設一個加壓泵來調整LNG進口壓力.

圖8 冷庫系統火用效率隨LNG氣化壓力變化曲線

Fig.8 Exergy efficiency of cold storage system under different LNG gasification pressure

圖9給出了不同LNG氣化壓力下該冷庫系統COP的變化. COP隨LNG氣化壓力增加呈近似線性增加趨勢，由1.50升高至1.89，提高了26%，主要原因在于出口天然氣火用值增加. 提高LNG氣化壓力能夠提高該冷庫系統的火用效率，還能提高該冷庫系統的COP，但壓力升高也對LNG換熱器和管道的承壓能力提出更高要求，會增大投資費用，因此，需要綜合考慮該冷庫的收益和投資，選擇合適的氣化壓力.

圖9 冷庫系統COP隨LNG氣化壓力變化曲線

Fig.9 COP of cold storage system under different LNG gasification pressure

2.2 經濟性分析

2.2.1 初投資和運行費用

該冷庫系統的初投資由各設備的造價組成，設備造價相應的經驗公式如下[13]:

lg CPE=K1+K2lg X+K3(lg X)2.

(17)

式中：CPE為設備造價，美元；X為換熱面積(換熱器)或輸入功率(泵/壓縮機)，m2或kW；K1、K2、K3為常系數，具體值見表5[13].

表5 各設備的K1、K2、K3參數值Tab.5 K1,K2,K3parameter values of each equipment

泵和壓縮機的輸入功率見表3，HYSYS穩態模擬只能給出換熱系數與換熱面積乘積值，因此，換熱器的面積需要進行估算. 根據文獻[14]中換熱系數的估計值，LNG換熱器換熱系數取5 000 W/(m2·K)，蒸發器換熱系數取2 000 W/(m2·K)，從而計算LNG換熱器、蒸發器1和蒸發器2換熱面積分別為2.27、3.7和10.3 m2. 由式(17)計算得相應設備的造價，見表6.

表6 各設備造價估算值Tab.6 Estimated values of each equipment cost

注：取美元對人民幣匯率為1美元=6.46元人民幣

其他初投資費用：儲罐(1個儲液罐、2個儲氣罐)按2萬元/個計算，總計6萬元，冷媒及管道、閥門等部件費用總計15萬元. 經計算得，系統設備一次性投資總計124.59萬元.全年運行和維護費用按系統設備初投資的20%計算，共24.92萬元.

2.2.2 回收冷量效益

該冷庫系統對LNG冷能回收效益可以根據陳敏[15]擬合的溫度T下的單位冷能價格公式進行計算

CQT=82.85Ce·exp(-0.021 7T).

式中：CQT為溫度T下單位冷能價格，元/MJ；Ce為工業電價，元/MJ；T為溫度，K.

以工業用電價格0.8元/(kW·h)(0.22元/MJ)計算，以蒸發器蒸發溫度-9和-30 ℃分別計算得單位冷能價格為0.060和0.093元/MJ.

根據冷卻物冷藏間和冷凍物冷藏間冷負荷計算值，可得到LNG冷庫回收冷量效益. 將冷卻物冷藏間和冷凍物冷藏間回收冷量效益加總，得到年平均回收冷量收益值為59.02萬元，求回收冷量收益值與年運行費用的差值得到每年凈收益34.1萬元.

2.2.3 動態投資回收期

動態投資回收期定義式[16]為

該LNG冷能冷庫系統初投資為124.59萬元，年凈收益為34.1萬元，假定該項目生命周期為15 a，基準折現率為10%，得

式中：P為初投資，萬元；A為年凈收益，萬元.

3 結 論

1)該冷庫系統COP為1.82，火用效率為80.2 %，其中火用效率較一般利用LNG冷能的冷庫系統高.

2)LNG換熱器處火用損最大，占系統總火用損78.9%，提高LNG進口溫度可有效減小其火用損.

3)系統COP和火用效率均隨LNG進口溫度升高而增加，且均隨 LNG氣化壓力升高而增加，在LNG進口端增設蓄冷設備和加壓泵均能有效提高系統火用效率.

4)該冷庫系統經4.77 a可回收成本，具有較好的經濟效益.

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Simulation study on performance of the cold storage using LNG cold energy

DONG Jiankai，HUANG Shun，LI Shuo，YAO Yang，JIANG Yiqiang

(Institute of Heat Pump and Air Conditioning of Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

To use LNG cold energy in cold storage system effectively, a new cold storage system using LNG cold energy was designed from the perspective of cascade utilization of LNG cold energy, which achieved cascade utilization of LNG cold energy in the LNG exchanger and the cold storage terminal. In addition, the thermodynamics and economy performance of the system were simulated and analyzed by HYSYS, respectively. Results indicated that COP of the cold storage system was 1.82 and the exergy efficiency was 80.2%. Besides, the exergy loss of LNG exchanger was the largest, which constituted 79.8% of the total exergy loss in the system, and it decreased with the LNG inlet temperature rising. Moreover, as the LNG inlet temperature and gasification pressure increased, both COP and exergy efficiency of the cold storage system rose. The system had good economic benefits, with the payback period of 4.77 years. It was quite obvious that LNG cold energy was a new cold energy source for cold storage system and adding cold-storage equipment and pressure pump in LNG inlet terminal could improve COP and exergy efficiency.

LNG; cold energy utilization; exergy loss; HYSYS; cold storage

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.02.017

2016-03-06

黑龍江省自然科學基金(E2015019)

董建鍇(1982—)，男，講師，碩士生導師； 姚 楊(1963—)，女，教授，博士生導師； 姜益強(1973—)，男，教授，博士生導師

董建鍇，djkheb@163.com； 姜益強， jyq7245@163.com

TE09

A

0367-6234(2017)02-0103-06