LNG冷能用于民用商業設施的設計技術研究

徐國峰,郭振國

(中海油石化工程有限公司,山東 濟南 250101)

天然氣以其廣泛的用途和清潔燃燒特性,成為大家普遍認可的清潔能源。天然氣開采后需凈化處理,經過壓縮、冷卻至-161.5 ℃以下液化后,利用LNG(液化天然氣)船運送至目的地的LNG接收站,儲存在接收站低溫儲存罐內。LNG使用時,需要重新氣化成NG(天然氣),經過壓力調節后進入天然氣長輸管線。在LNG氣化過程中,約能產生870 kJ/kg的低溫能量[1-5]。LNG氣化的傳統方法是直接通過開架氣化器加熱氣化,大量冷能未被利用而被海水帶走,造成極大的能源浪費。目前,LNG冷能利用的方向主要集中在工業領域,如冷能空分、冷能發電和冷能膠粉等,存在冷能利用率不高、利用方向受限制等問題[6-10]。某項目擬在LNG接收站附近建設冰雪運動場館和冷庫設施,將LNG蘊藏的巨大冷能用于冰雪運動場館的制冰制雪、冷庫制冷,不僅能夠節省巨大的電能,還能降低對海水的低溫污染及自身的消耗,有助于冷能利用方向的擴展。LNG冷能用于民用商業設施的難點,在于冰雪運動場館或冷庫用戶的用冷負荷變化頻繁且變化范圍大,對上游接收站供應LNG的需求波動較大,而上游接收站受外輸用氣限制,要求盡量平穩運行。為此,對LNG冷能用于民用商業設施的設計技術進行了研究。

1 LNG冷能用于民用商業設施的工藝技術方案

1.1 裝置規模及組成

1.1.1 民用商業設施用冷規模

某項目本次建設的民用商業設施包括冰雪運動場館和冷庫。冰雪運動場館包括滑冰館、滑雪館、冰上演藝中心、體育接待中心、酒店等設施;冷庫則包括低溫冷庫和深冷冷庫。各用戶用冷需求規模見表1。

表1 民用商業設施用冷規模

1.1.2 裝置組成

LNG雖然具有巨大的冷量,但其氣化后的天然氣是一種無色、無味、易燃易爆且比空氣輕的氣體,其在空氣中的爆炸極限為體積分數5%～15.8%,當其泄漏到操作環境中時,不但存在易燃易爆風險且有窒息危害,不適合直接給民用商業設施直接供冷,需要采用中間冷媒來實現,從而避免易燃易爆的風險。

本設計的核心是在LNG接收站和下游民用冷能用戶間設置換冷站,實現將LNG攜帶的低溫冷能傳遞給下游冷能用戶。自LNG接收站來的LNG,經管線輸送至換冷站,LNG經冷媒加熱汽化成天然氣,經復熱至>1 ℃后,再經管線輸送返回至接收站;自下游冷能用戶返回的冷媒(熱)經長輸管線進入換冷站,吸收LNG冷量使自身溫度降低,降溫后的冷媒(冷)經長輸管線送至下游各冷能用戶。換冷站主要單元組成見圖1。

圖1 換冷站主要單元組成

換冷站裝置由總體管網、LNG-CO2系統、LNG-氟利昂系統、LNG-乙二醇水溶液系統、乙二醇儲存系統、接收站管網等組成。

1.1.3 工藝方案說明

1.1.3.1 冰雪運動場館LNG冷能供應工藝方案

根據冰雪運動場館用冷負荷的變化特點,利用LNG與乙二醇水溶液換冷工藝,滿足冰雪運動場館的制冷需求。其主要工藝方案如下:

根據各冷能用戶的制冷溫度需求,冰雪運動場館采用49%乙二醇水溶液作為冷媒。在LNG-乙二醇水溶液換熱器內,乙二醇水溶液與來自LNG接收站的LNG換熱后,作為一次冷媒經長輸管道輸送到下游冰雪運動場館的板式換熱器中,與用于冰雪運動場館制冷的二次冷媒進行換熱,乙二醇水溶液出口溫度控制在-21～-27 ℃。板式換熱器通過一次冷媒供應側的三通閥流量控制二次冷媒的出口溫度。一次冷媒在冰雪運動場館換熱器中分別進入制冰制雪板式換熱器和場館空調用板式換熱器,出口溫度分別為-14～-16 ℃和-6～-8 ℃,乙二醇水溶液按照上述兩個溫度區間階梯利用后返回LNG-乙二醇水溶液換熱器。

1.1.3.2 冷庫LNG冷能供應工藝方案

本項目冷庫包括低溫冷庫和深冷冷庫,根據不同的庫溫采用不同的載冷劑進行制冷。低溫冷庫的冷間溫度控制在-22 ℃,選擇R744(CO2)作為載冷劑;深冷冷庫的冷間溫度控制在-55 ℃,選擇R23(氟利昂)作為載冷劑。其主要工藝方案如下:

低溫冷庫和深冷冷庫分別設置LNG-CO2換熱器、LNG-氟利昂換熱器。將來自LNG接收站的LNG分成二股,一股通過LNG-氟利昂換熱器直接換冷,換冷后的氟利昂介質作為冷源為深冷冷庫制冷,氟利昂按照液相形態、溫度-60 ℃輸送至冷庫;一股通過LNG-CO2換熱器間接換冷,換冷后的CO2介質作為冷源為低溫冷庫制冷,CO2按照液相形態、溫度-29 ℃輸送至冷庫。與冷庫通過風機換冷后,作為載冷劑的氟利昂和CO2分別以氣相形態返回對應換熱器循環制冷。

1.1.3.3 LNG氣化返回工藝方案

來自LNG接收站的液化天然氣(工藝設計點7.5 MPa,-145 ℃)經不同換熱器氣化,經過空溫復熱器升溫,滿足接收站NG管網要求的溫度(>3 ℃)后送回接收站NG系統。考慮出各換熱器的NG溫度不同(LNG-CO2換熱器出口NG溫度約-35 ℃、LNG-氟利昂換熱器出口NG溫度約-65 ℃、LNG-乙二醇換熱器出口NG溫度約-15 ℃),且考慮材質、成本問題,換熱器出口NG分為兩股分別進入兩路空氣復熱器(NG空溫復熱器和低溫NG空溫復熱器)。考慮的冬季環境溫度偏低,空氣復熱器出口不能滿足NG管網要求溫度,設置兩臺水浴式電加熱器備用。

1.2 關鍵設計問題解決

1.2.1 冰雪運動場館LNG冷能供應控制方案

1.2.1.1 冰雪運動場館用冷負荷變化規律

冰雪運動場館包括滑冰館、滑雪館等設施,正常運行情況下需要制冰、制雪及空調制冷,其隨季節變化導致的用冷負荷工況變化見表2。

表2 冰雪運動場館不同工況下用冷負荷

即使在同一天內,冰雪運動場館的用冷負荷受外界氣溫、客流量等影響變化頻繁,冰雪運動場館典型的日用冷負荷變化系數見表3。

表3 冰雪運動場館典型日用冷負荷變化系數

從表2、3中可以看出,冰雪運動場館用冷負荷的特點是季節變化幅度大,單日用冷負荷變化頻繁。基于上述特點,按照常規的控制方案會導致接收站所供LNG流量的頻繁變化,對接收站的日常運行帶來不便并造成極大的生產安全隱患。

1.2.1.2 冰雪運動場館LNG冷能供應控制方案

冰雪運動場館冷負荷在不同時間都會有著較大變化,且變化頻率快、用冷工況復雜,勢必造成LNG-乙二醇水溶液換冷系統操作彈性大,操作不穩定。而上游LNG接收站作為重要的民生設施,必須保證其運行的平穩性。為了解決這個看似不可調和的矛盾,保證LNG接收站運行的平穩性,盡量減少上游LNG的調節頻次,本工藝引入“蓄冷”的概念,通過乙二醇水溶液地下管道的管道容積和溫度變化對LNG冷能進行儲存。接收站提供的LNG的冷量大于下游用戶消耗量時,把下游消耗不了的冷量在乙二醇系統內儲存起來,下游用戶用冷負荷增大甚至超過LNG接收站供應冷量時,可以利用乙二醇系統內儲存的冷量。

在一定時期內,穩定LNG在LNG-乙二醇水溶液換熱器進出口的溫度和流量以及乙二醇的流量,通過乙二醇水溶液的出口溫度變化進行冷能儲存,同時保證乙二醇水溶液出口供水溫度保持在-21～-27 ℃。通過乙二醇水溶液在-21～-27 ℃溫度的變化達到在一定時期內穩定的LNG流量與下游商業設施負荷頻繁變化的情況,即通過乙二醇水溶液出口供水溫度在-21～-27 ℃的變化(6 ℃溫差)進行儲存冷能的方式解決上下游負荷不匹配的矛盾。

如果乙二醇水溶液出口溫度在-21～-27 ℃之外,則通過增減乙二醇水溶液輸送泵和LNG-乙二醇水溶液換熱器運行數量從而改變乙二醇水溶液的流量,同時保持LNG-乙二醇水溶液換熱器LNG進出口溫度不變,使得乙二醇水溶液出口溫度保持在-21～-27 ℃以內。調整后換熱器臺數對應的LNG的流量通過公式(1)確定。

QLNG=(T回水-T供水)?Q乙二醇?C/(HLNG出-HLNG進)

(1)

式中:QLNG——LNG流量;

T回水——LNG-乙二醇水溶液換熱器進口處乙二醇水溶液回水溫度;

T供水——LNG-乙二醇水溶液換熱器出口處乙二醇水溶液供水溫度;

Q乙二醇——乙二醇水溶液流量;

C——乙二醇水溶液質量熱熔;

HLNG出——LNG-乙二醇水溶液換熱器出口處LNG的焓值;

HLNG進——LNG-乙二醇水溶液換熱器進口處LNG的焓值。

乙二醇水溶液供回水管線每隔500 m設貼面溫度計,檢測沿程溫度。下游冰雪運動場館負荷變化導致乙二醇水溶液回水溫度變化,在確定的QLNG、T回水、Q乙二醇、C、HLNG出、HLNG進下通過公式(1)預測下一時段的T供水,如果T供水在-21～-27 ℃之外則通過增減LNG-乙二醇水溶液換熱器運行數量從而改變乙二醇水溶液的流量,同時對應調整LNG流量,使得T供水調整回歸到-21～-27 ℃區間運行。

1.2.2 關鍵換熱設備的設計和選型

1.2.2.1 LNG-乙二醇換熱器

LNG-乙二醇換熱器是本項目換冷站系統中的核心設備,其在滿足下游冰雪小鎮換冷需求的前提下,對于設備可靠性、穩定性及適應性均有更高的要求,保障設備本身及其系統能夠長周期無故障安全運行。設計、選型時重點考慮以下因素:

1)工藝介質:冷側-LNG,熱側-49%乙二醇水溶液(向下游冰雪小鎮供冷介質);

2)下游冰雪小鎮用冷負荷存在較大波動,操作工況苛刻,LNG-乙二醇換熱器需滿足夏季最大需冷負荷,并同時在運行過程中盡可能減少對上游LNG接收站的波動;

3)LNG與乙二醇溶液換熱溫差較大,直接換熱壁面溫度低,避免出現乙二醇水溶液冰堵故障。

根據工藝計算并參照LNG氣化領域行業經驗,選用液化天然氣(LNG)中間介質氣化器(IFV);根據換熱溫差特點,選用丙烷作為中間介質。

1.2.2.2 LNG-CO2換熱器

LNG-CO2換熱器是滿足冷庫用冷需求的主要設備之一,設計、選型時重點考慮:

1) 設備滿足負荷波動工況的影響,滿足夏季最大負荷下的供冷能力;

2) 避免二氧化碳側流體與低溫LNG換熱時結冰堵塞。

參照LNG-乙二醇換熱器,選型IFV型式汽化器,丙烷為中間介質。

1.2.2.3 LNG-氟利昂換熱器

LNG-氟利昂換熱器是滿足冷庫用冷需求的主要設備之一,其下游用冷量稍小,根據氟利昂的性質,選用U形管式管殼式換熱器。

1.2.2.4 NG復熱系統設備

由LNG換熱器出口的低溫NG氣體達不到接收站要求的氣體溫度,需經過升溫后輸送至LNG接收站。因此,根據NG氣體特點選用空氣復熱式NG加熱器,利用空氣對低溫NG氣體進行升溫、換熱,節能降耗。由于下游用戶用冷負荷波動較大,充分考慮LNG換熱器出口NG氣體溫度及空溫復熱器的升溫負荷,在空氣復熱式加熱器下游設有水浴式電加熱器,當空溫復熱器出口溫度不能滿足外輸需求時啟用水浴式電加熱器,減少本換冷系統對LNG接收站的影響。

2 LNG冷能用于民用商業設施的能耗效益分析

在冰雪運動場館與冷庫運行時,使用LNG冷能取代傳統的電制冷,將有效降低設施的耗電量。

冰雪運動場館與冷庫分別使用傳統電制冷方式和LNG冷能制冷,其耗電量對比見表4。

表4 冰雪運動場館與冷庫在不同制冷方式下的耗電對比

從表4中可以看出,使用LNG冷能制冷能夠大幅降低冰雪運動場館與冷庫的耗電量。使用LNG冷能制冷時,冰雪運動場館每年可以節約電費1 606萬元,冷庫每年可以節約電費328萬元。

3 結語

1)通過合理的工藝設計,可以減少用冷設施用冷負荷頻繁變化對LNG接收站運行的影響,對于LNG冷能用于其他類似項目具有借鑒意義;

2)冰雪運動場館與冷庫在使用LNG冷能制冷時,預計每年合計可節約電費1 934萬元,能夠大幅降低設施運行能耗,具有很高的經濟效益和社會效益;

3)隨著冷能利用技術進步和國家“雙碳”政策的退休,將LNG冷能用于民用商業設施的技術發展的前景非常廣闊。