基于LNG冷能利用的低溫冷庫群仿真模擬

何君妍， 余克志

(上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海201306)

1 概述

在遠(yuǎn)距離運送時，天然氣往往會被液化為LNG[1]。LNG運輸?shù)絃NG接收站后，再被氣化，這一氣化相變過程中，會釋放出大量冷能。若能有效利用這部分能源(約為830 kJ/kg[2])，可以為社會帶來很大的經(jīng)濟效益，在短時間內(nèi)回收投資[3]。

LNG冷能為冷庫提供冷源的能源回收形式受到廣泛青睞[4]。文獻[5]提出了一種LNG冷能用于不同溫度冷庫群的技術(shù)方案。本研究在這一方案的基礎(chǔ)上，利用Aspen Hysys模擬仿真軟件對多種溫度群冷庫進行穩(wěn)態(tài)模擬。通過比選13種冷媒、改變流程中多個冷庫的串并聯(lián)形式，確定性能更佳的循環(huán)流程，并對系統(tǒng)經(jīng)濟效益進行分析。

2 模擬與過程

本文出現(xiàn)的壓力均為絕對壓力。

① 冷庫基本參數(shù)

多數(shù)LNG接收站建設(shè)在沿海區(qū)域，結(jié)合實際冷庫建設(shè)情況，設(shè)置4個冷庫。根據(jù)已有研究[5]，獲得冷庫的負(fù)荷情況，分別為：

a.超低溫凍藏庫(庫容量為2 000 t)，庫溫為-60 ℃，蒸發(fā)溫度為-70 ℃，冷負(fù)荷0.4 MW;

b.低溫冷凍庫(庫容量為15 000 t)，庫溫為-28 ℃，蒸發(fā)溫度為-38 ℃，冷負(fù)荷6.8 MW;

c.中溫冷藏庫(庫容量為15 000 t)，庫溫為-18 ℃，蒸發(fā)溫度為-28 ℃，冷負(fù)荷1.6 MW;

d.高溫冷藏庫，庫溫為0 ℃，蒸發(fā)溫度為-10 ℃，由于提供給高溫庫的冷量來自于從低溫冷庫群出來的冷媒所攜帶的剩余低溫冷能，故無需計算設(shè)定，冷負(fù)荷由模擬計算得出。

② 冷庫流程方案

采用直接蒸發(fā)制冷系統(tǒng)，采用低溫泵代替壓縮機，用低溫泵輸送液態(tài)冷媒進入蒸發(fā)器。利用LNG冷能的多種溫度冷庫群的基本流程(軟件截圖)[4]見圖1。冷媒攜帶LNG冷能離開LNG換熱器1，進入低溫泵2。隨后，冷媒經(jīng)分流器3，等壓分成3股進入不同溫度的低溫冷庫進行換熱。并聯(lián)的3個冷庫蒸發(fā)壓力不同，需要設(shè)置調(diào)壓閥調(diào)壓。冷媒從冷庫出來后，同樣需要設(shè)置調(diào)壓閥，調(diào)整到相同壓力，再進入混流器。其中，中溫冷藏庫4入口壓力最高，作為并聯(lián)起始段壓力，不需要調(diào)壓，而另兩個冷庫入口要求壓力不同，所以調(diào)壓閥降壓；超低溫凍藏庫10出口壓力最低，作為末端壓力，不需要調(diào)壓閥。最后，冷媒攜帶的剩余冷量，提供給串聯(lián)的高溫冷藏庫，再回到LNG換熱器1，完成一個循環(huán)。

圖1 利用LNG冷能的多種溫度冷庫群的基本流程(軟件截圖)1.LNG換熱器 2.低溫泵 3.分流器 4.中溫冷藏庫5.調(diào)壓閥 6.調(diào)壓閥 7.低溫冷凍庫 8.調(diào)壓閥 9.調(diào)壓閥10.超低溫凍藏庫 11.混流器 12.高溫冷藏庫S1—S14. 運輸管路 e-0、 ep、 e-18、 e-28、 e-6.熱流量

③ 冷媒選取

13種較為理想的超低溫環(huán)保型冷媒，物理性質(zhì)見表1(表中混合冷媒配比指質(zhì)量比)。

表1 冷媒的物理性質(zhì)

④ 液化天然氣組成

本課題采用的液化天然氣組成是典型組成[10]，見表2。

表2 液化天然氣的組成

⑤ Aspen Hysys物性計算包

軟件設(shè)計時，一共用到兩款物性包：Peng-Robinson、PRSV狀態(tài)方程模型。PRSV方程運用于6號、2號冷媒，Peng-Robinson方程運用于另外11種冷媒。

⑥ 使用13號冷媒的參數(shù)設(shè)定

根據(jù)天然氣自身物理性能，確定LNG換熱器內(nèi)絕對壓力為101.3 kPa，LNG溫度為-162 ℃、物質(zhì)的量流量2 470 kmol/h，等壓下獲得天然氣。根據(jù)冷媒的自身物理性質(zhì)，設(shè)定冷媒在LNG換熱器出口處總物質(zhì)的量流量以及溫度。冷媒流經(jīng)低溫泵，壓力提高至1 000 kPa。提高壓力后的冷媒通過分流器，進入3根管路。其中，冷媒18%的流量通過管路S3，77%的流量通過管路S4。管路S6、S8、S10的冷媒溫度分別對應(yīng)各冷庫的蒸發(fā)溫度-28 ℃、-38 ℃、-70 ℃。不同蒸發(fā)溫度對應(yīng)不同蒸發(fā)壓力，因此調(diào)整通過管路S4、S5的閥后壓力，保證蒸發(fā)器出口為飽和蒸氣。最后，在3根管路的冷媒混流之前，冷媒完全氣化，并且保持管路S11、S12 與S10的冷媒壓力相同且為最低值。

3 結(jié)果與分析

① 冷媒的比選情況

通過具體模擬流程的搭建，成功得到了13個流程圖以及相應(yīng)的精確數(shù)據(jù)和每個單元的參數(shù)。模擬發(fā)現(xiàn)：

a.使用2號R404A、5號R290、6號R410A、7號R507、9號R1270和10號R600作為冷媒的6個循環(huán)流程中，都出現(xiàn)有負(fù)壓運行的情況，對系統(tǒng)運行有一定不利影響。同時，2號冷媒可為超低溫凍藏庫提供0.37 MW冷量，不能滿足要求，5號冷媒可為低溫冷凍庫提供6.72 MW冷量，也不能滿足要求。

b.使用4號冷媒與LNG換熱后，進入超低溫凍藏庫(蒸發(fā)溫度為-70℃)，出現(xiàn)比焓為負(fù)的情況，為-20.19 kJ/kg，說明蒸發(fā)器內(nèi)出現(xiàn)吸熱情況，有異樣。

c.使用1號、3號、8號3種冷媒，運行情況穩(wěn)定；且其相變過程中冷媒利用率高，冷媒氣化程度都高(接近1)，效果好。

d.使用混有不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)R744的11號、12號和13號冷媒在模擬過程中都可正常使用，質(zhì)量流量低，制冷效果好。

通過以上分析，可知：有6種冷媒適用，適用冷媒的對比見表3。其中，含有R744(11號、12號和13號冷媒)的混合冷媒的流程效率較高。使用13號冷媒的流程參數(shù)見表4。

表3 6種適用冷媒的對比

表4 使用13號冷媒的流程主要參數(shù)

② 串并聯(lián)不同流程的分析

在圖1基礎(chǔ)上，已完成了13種冷媒的比選工作。現(xiàn)以12號冷媒為例，改變流程的串并聯(lián)方式，進行分析。全部串聯(lián)的流程(軟件截圖)見圖2，串并聯(lián)共同的流程(軟件截圖)見圖3。

圖2 全部串聯(lián)的流程(軟件截圖)LNG-100.LNG換熱器 PUMP.低溫泵 E-18.中溫冷藏庫E-28.低溫冷凍庫 E-60.超低溫凍藏庫 E-00.高溫冷藏庫S1—S14. 運輸管路 EP、E1、 E2、 E3、E0.熱流量

a.支路上低溫冷凍庫在前，中溫冷藏庫在后

b.支路上中溫冷藏庫在前，低溫冷凍庫在后圖3 串并聯(lián)共同的流程(軟件截圖 )LNG-100.LNG換熱器 PUMP.低溫泵 E-18.低溫冷凍庫E-28.中溫冷藏庫 E-60.超低溫凍藏庫 E-00.高溫冷藏庫S1—S14.運輸管路 EP、E1、E2、E6、E0.熱流量TEE-100.分流器 VLV-100、 VLV-101.調(diào)壓閥MIX-100.混流器

根據(jù)圖2，全部串聯(lián)的流程實際上是無法實現(xiàn)的，問題有兩項：一是蒸發(fā)壓力不連貫，二是高能低用[11]。根據(jù)圖3，串并聯(lián)共同的流程，雖然滿足蒸發(fā)壓力起始端高、末端低的要求，同時也是盡量達(dá)到“高能高用、低能低用[11]”要求，且泵耗功量不受低溫冷庫前后順序影響，但是，仍出現(xiàn)負(fù)壓，運行異常。

由于串聯(lián)形式與串并聯(lián)形式并不適用該系統(tǒng)，故使用其他冷媒的流程無須再進行模擬。因此，在使用LNG冷能為冷媒換熱后將冷量運送至不同溫度的低溫冷庫群時，只有采用全部并聯(lián)低溫冷庫的方式，才是最合適的。

③ 經(jīng)濟效益分析

根據(jù)前述冷媒比選，此處直接對采用混合冷媒的流程做經(jīng)濟效益分析。

a.計算天然氣的火用值

由于是穩(wěn)態(tài)模擬，計算所用的火用公式是建立在穩(wěn)流系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，見式(1)[12]：

ex=(h-h0)-T0(s-s0)

(1)

式中ex——天然氣的比火用，kJ/kg

h——天然氣的比焓，kJ/kg

h0——基準(zhǔn)態(tài)下天然氣的比焓，kJ/kg

T0——基準(zhǔn)態(tài)下天然氣的溫度，K

s——天然氣的比熵，kJ/(kg·K)

s0——基準(zhǔn)態(tài)下天然氣的比熵，kJ/(kg·K)

根據(jù)GB/T 14909—2005《能量系統(tǒng)火用分析技術(shù)導(dǎo)則》，此處的基準(zhǔn)態(tài)為壓力為0.1 MPa，溫度為298.15 K。由Aspen Hysys軟件模擬得到天然氣物流參數(shù)，再計算得到天然氣的比火用。模擬計算得出應(yīng)用11號、12號、13號冷媒時，天然氣比火用分別為1 344.742 kJ/kg、1 441.892 kJ/kg、1 335.272 kJ/kg。

b.計算系統(tǒng)的能效比

系統(tǒng)的能效比計算見式(2)[13]：

(2)

式中β——系統(tǒng)的能效比

Φ1——中溫冷藏庫蒸發(fā)器換熱量，kW

Φ2——低溫冷凍庫蒸發(fā)器換熱量，kW

Φ3——超低溫凍藏庫蒸發(fā)器換熱量，kW

Φ4——高溫冷藏庫蒸發(fā)器換熱量，kW

Φ——天然氣消耗熱負(fù)荷，kW

ΦLNG——LNG的輸冷量，kW

Ppump——流程中低溫泵的輸出功率，kW

模擬計算得出應(yīng)用11號、12號、13號冷媒時，系統(tǒng)能效比分別為2.66、2.86、2.76，使用12號冷媒系統(tǒng)能效比最高。

c.計算系統(tǒng)回收冷能效益

在利用LNG冷能的方案中，往往通過計算單位冷能價格來評估效益，計算方法見式(3)[14]：

C=70.42Ceexp(-0.0217T)

(3)

式中C——單位冷能價格，元/MJ

Ce——工業(yè)用電價格，元/MJ，取0.22 元/MJ[13]

T——蒸發(fā)溫度，K

根據(jù)冷庫蒸發(fā)溫度：-28 ℃、-38 ℃、-70 ℃以及-10 ℃，計算得到單位冷能價格分別為0.076、0.094、0.190、0.050 元/MJ。本次設(shè)計中，以蒸發(fā)器的年工作時間為3 000 h進行計算，計算得出應(yīng)用11號、12號、13號冷媒時，系統(tǒng)回收冷能獲得的年收益相近，分別為955×104元/a、948×104元/a、941×104元/a。

4 結(jié)論

① 1號(R23)、3號(R170)、8號(R508A)、11號(50%R170+50%R744)、12號(45%R290+55%R744)以及13號(29%R290+71%R744)冷媒皆可選擇使用。其中，采用11號、13號冷媒制冷效果較好，采用12號冷媒制冷效果最好。

② 利用LNG冷能為低溫冷庫群提供冷源的方案，適合采取不同的低溫冷庫全部并聯(lián)的方式。