LCNG加氣站冷能回收系統

鄧　偉，楊　旭，熊　楊，韋堯鵬

（廣西大學機械工程學院，廣西 南寧530004）

天然氣作為一種低碳、高效的清潔能源，近年來已經開始逐步成為替代傳統石化資源的主力軍。天然氣熱值高，每立方米天然氣燃燒熱值約為8 000 kcal（1 kcal≈4 186 J），相當于10 kWh電和1.25 kg標準煤產生的熱值；等熱值下燃燒天然氣排放的CO2、NOx、SO2和粉塵分別是煤的 50%～60%、10%、1/682和1/1479，僅為石油的70%～75%、20%、1/389和1/140[1]，因此國家大力推進生態文明建設，確立了能源革命戰略，將天然氣列為中國主力能源。由于氣態天然氣不便于運輸，工業上將天然氣液化后裝車運輸，冷凝后的液體稱之為LNG（Liquid Nature Gas），LNG經過槽車運輸抵達加氣站后，將LNG通過低溫泵加壓成LCNG（Liquid Compressed Natural Gas）后再經過處理變為高壓天然氣（CNG）儲存銷售，即新型的LCNG加氣站的營業模式。LCNG加氣站供給末端用戶的CNG通常需要將LCNG加熱氣化為零度以上的氣體，而大多數加氣站使用空溫式汽化器來加熱LCNG，該過程中約有860 kJ/kg的冷能被直接排放到空氣中，造成了巨大的浪費，若將這部分冷能進行回收利用，替代加氣站營業房中央空調集中供冷，可以獲得可觀的經濟效益。

目前國內回收利用LCNG冷能的主要方式有：冷能發電[2]，空氣分離[3]，輕烴分離及回收[4]，海水淡化等，這些利用方式適用于大型LNG接收站或衛星站，而LCNG加氣站存在占地較小、氣化量不穩定以及成本限制等因素，導致傳統的冷能利用方式并不適用，因此在這些前提下，本文針對小型加氣站的工作特性設計了一套合理利用LCNG加氣站冷能的方案。

1　設計方案

本文設計中采用兩級循環系統吸收LCNG冷能。系統示意圖如圖1所示。

圖1　兩級冷能回收系統示意圖

系統工作原理：-162℃的LNG從LNG儲罐出來后，經過LNG泵加壓后進入LCNG換熱器與一級載冷劑換熱，換熱汽化后的高壓天然氣再進入到汽化器進一步升溫后進入天然氣儲氣罐，準備供給下游用戶；在LCNG換熱器內換熱降溫后的一級載冷劑流入低溫儲罐，經計量泵加壓后進入管殼式換熱器與二級載冷劑換熱，換熱升溫后的一級載冷劑再流回到LCNG換熱器換熱降溫，完成一級循環回路；二級載冷劑在管殼式換熱器內換熱獲得一級載冷劑的冷能后，流入到二級載冷劑低溫儲罐，經水泵加壓輸送到水冷式風機盤管，通過水冷式風機盤管將載冷劑所攜帶的冷能傳遞給空氣達到制冷效果，從風機盤管出來后的二級載冷劑再留回到管殼式換熱器，完成二級循環回路。設計中一級循環的載冷劑采用質量分數為50%乙二醇水溶液，二級循環的載冷劑為水本系統達到了對LCNG冷能兩級利用的效果，通過兩級載冷劑的吸收轉換，將吸收LCNG汽化釋放的冷能用于加氣站營業房日常供冷。

2　模擬模型建立

本文建立在熱力學定律的基礎上，利用軟件Aspen建立了LCNG冷能回收系統模擬模型，如圖2所示。

圖2　兩級冷能回收模型圖

圖中，HEATX-1為LCNG換熱器，HEATX-2為管殼式換熱器，HEATX-3為風機盤管，P-1為計量泵，P-2為水泵，F-1為一級載冷劑低溫儲罐，F-2為二級載冷劑儲罐，C2為一級載冷劑所對應物流，Water為二級載冷劑所對應物流，AIR為風機盤管內空氣所對應物流。根據軟件進行模擬計算時，采用PR方程計算LNG物性。

3　模擬結果

基于圖2，對設計的系統進行模擬計算，設定LCNG每小時汽化量為1 m3，LNG進口溫度為-162℃，壓力為1.2 MPa，經LNG泵加壓后LCNG的壓力為25 MPa；系統中兩個泵的等熵效率為80%，一、二級循環回路中各換熱器的壓降為20 kPa，LCNG換熱器內壓力損失為50 kPa，風機盤管內水的進出口溫度分別為7℃、12℃，環境溫度為25℃，不考慮各換熱的換熱損失。根據軟件計算得出模擬結果列于表1.

表1　冷能回收系統關鍵參數

系統的制冷量為Q，則

Q=mAIR（hAIR-1-hAIR-2）

計算可知LNG冷能回收系統通過兩級載冷劑吸收換熱后，風機盤管內獲得的制冷量62.79 kW.

4　經濟性分析

根據軟件模擬參數，搭建實驗臺架并進行經濟性分析，表2列出了一些關鍵設備參數。

表2　關鍵設備參數

本設計中的主要成本投入包括換熱器、低溫泵、乙二醇工質、循環泵、風機盤管等，根據廠家對比得到設備報價為：換熱器9萬元，低溫泵4萬元，乙二醇工質及循環泵1萬元，其他小型設備和零件1萬元，管道安裝及管道保溫費4萬，總計投資19萬元，系統的運行費用包括電費、人工費用及維護成本等，其中每年低溫泵消耗電費為1.2萬元，計量泵及水泵與風機盤管消耗電費為0.6萬元，人工費用及維護成本每年為0.3萬元。

設計的LCNG冷能回收系統吸收LCNG汽化過程釋放的冷能，用于加氣站營業房達到制冷效果，根據模擬結果可知，1 m3/h的LNG通過本系統可以獲得62.79 kW的制冷量，按照系統每天工作量10小時，風機盤管能效比EER為1.8，夏季供冷為5個月，本地電價為0.9元/度計算，整套系統每年可節約電費4.7萬元，參考評價工程項目投資的靜態評價方法，對LCNG冷能回收系統的投資及運行費用與冷能回收系統所節省電能進行比較，求出簡單投資回收期為7.3年，因此該實驗系統回收LCNG的冷能是合理的。

5　結論

本文設計的LCNG冷能回收系統，將LCNG加氣站內LNG轉化為CNG過程中釋放的冷能儲存并加以利用，為加氣站節約了用冷成本，具有可觀的節能效益和經濟效益，系統投資回收期為7.3年。