移動儲熱式LNG應急裝置

孫 超，樊栓獅，郎雪梅，王燕鴻

（華南理工大學化學與化工學院，傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室，廣東 廣州 510640）

城市實現(xiàn)管道天然氣供氣后，解決燃氣用戶在用氣高峰及檢修改造等非正常狀況下的正常用氣問題，對于樹立燃氣企業(yè)信譽和城市形象具有重要意義[1]。LNG可大大節(jié)約儲運空間，且便于遠距離輸送，已成為應急、調(diào)峰的首選氣源。目前已經(jīng)商業(yè)應用的LNG應急供氣系統(tǒng)包括城市LNG衛(wèi)星 站[2]、小區(qū)或工商業(yè)用戶的LNG瓶組氣化站[3]以及在其基礎上發(fā)展而來的移動式LNG應急裝置[4-6]。

移動式LNG應急裝置是一種可移動的天然氣分布式供能系統(tǒng)，相比于固定的LNG衛(wèi)星站和LNG瓶組氣化站，其設備利用率更高，供氣更為靈活，對城市燃氣應急保障體系形成了重要補充[7]。LNG應急裝置根據(jù)所用主氣化器的不同劃分為明火水浴式和空溫式應急裝置。明火水浴式LNG應急裝置以部分LNG（約占總氣化量的1.3%～1.6%）高品質(zhì)的燃燒熱作為熱源氣化剩余LNG，供氣量大且穩(wěn)定性好，能夠?qū)崿F(xiàn)不間斷連續(xù)供氣，但由于以天然氣作為燃料，運行成本高，且明火燃燒存在安全隱患，對自控系統(tǒng)和防火系統(tǒng)要求很高，目前設備依賴于國外進口，控制維護保養(yǎng)成本高[8-9]?？諟厥絃NG應急裝置以免費的空氣熱能作為主要氣化熱源，結(jié)構(gòu)簡單，維護運行成本低，但供氣性能受空氣狀態(tài)影響很大，穩(wěn)定性和可控性差，大型化時設備體積大，易受公路運輸?shù)南拗芠10]。

熱源供熱和LNG用熱的不匹配性使現(xiàn)有應急裝置的經(jīng)濟性、安全性和穩(wěn)定性受到極大限制，尋找一種供熱穩(wěn)定的低成本熱源是實現(xiàn)移動式LNG應急供氣裝置大規(guī)模應用的關鍵。移動蓄熱技術已經(jīng)成熟并實現(xiàn)商業(yè)化應用，廣泛用于居民住宅、學校、醫(yī)院等熱用戶的生活熱水和供暖服務，但在LNG應急供氣領域的應用未見報道[11-13]。為此，本文提出一種新型的移動儲熱式LNG應急裝置[14]，并對其進行原理介紹、概念設計和技術經(jīng)濟性評價。

1 基本原理

移動儲熱式LNG應急裝置的示意圖如圖1 所示，其具有獨特的LNG儲熱式氣化系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用蓄熱技術在空閑時段將豐富的工業(yè)余廢熱等廉價熱能儲存于蓄熱材料中，應急供氣時將這部分熱能釋放出來用于LNG的氣化，氣化后的氣態(tài)天然氣依次經(jīng)過調(diào)壓、計量及加臭處理后進入應急用戶管網(wǎng)以保持該管網(wǎng)持續(xù)、不間斷地燃氣供應。

移動儲熱式LNG應急裝置的供氣過程通過電控柜（自帶電源）控制實現(xiàn)，電控柜通過管路上安裝的溫度傳感器、壓力傳感器、流量計等反饋的信號來輸出電信號智能調(diào)節(jié)儲熱式氣化系統(tǒng)的氣化負荷以適應用戶端的不同用氣需求。

圖1 移動儲熱式LNG應急裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of MLEU-HSV

2 移動儲熱式LNG應急裝置的概念設計

2.1 總述

2.1.1 裝置供氣規(guī)模

移動式LNG應急裝置根據(jù)供氣量不同可劃分為小型（小于50 Nm3/h）、中型（50～500 Nm3/h）和大型（大于500 Nm3/h）三種規(guī)格。為了滿足不同用戶的應急供氣需求和不同程度的調(diào)峰需求，本工作擬設計10 Nm3/h、300 Nm3/h和1000 Nm3/h共三種基準規(guī)格的移動儲熱式LNG應急裝置，分別采用LNG鋼瓶（有效容積為0.405 m3）、LNG槽車（有效容積為11 m3）和LNG集裝箱（有效容積為36 m3）作為應急氣源。每戶的燃具按照1臺雙眼灶和1臺10 L熱水器計，取居民用戶同時工作系數(shù)為0.2 ，則用戶理論高峰小時用氣量為0.15 Nm3/h[15]，三種規(guī)格的移動儲熱式LNG應急裝置可分別為65戶、2000戶及6500戶的住宅提供臨時供氣。

2.1.2 蓄熱方式和工質(zhì)的選擇

目前蓄熱技術主要有顯熱蓄熱、相變蓄熱和熱化學蓄熱3種方式。選用的蓄熱方式應符合移動儲熱式LNG應急裝置對供氣穩(wěn)定性和高氣化強度的要求，從各蓄熱方式的特點來看，顯熱蓄熱方式儲能密度低，且在放熱過程中溫度會發(fā)生連續(xù)變化，熱流不穩(wěn)定；熱化學蓄熱方式能量儲存密度大，儲存過程無熱耗散，但所用設備投資比較大，工藝較復雜，目前還處于實驗階段；而相變蓄熱方式能量儲存密度較高，能量釋放過程近似等溫，且在移動蓄熱領域已有眾多工程運用[16-17]，故本工作將其作為主要的蓄熱方式。

相變蓄熱工質(zhì)的選擇受到LNG氣化效果和廉價熱源可獲得性的雙重約束，蓄熱溫度越高，LNG氣化速度越快，但同時可選擇的廉價熱源種類隨之減少，因此需綜合權衡。在保證LNG氣化效果的同時，應適當減小蓄熱工質(zhì)的蓄熱溫度，以擴大移動儲熱式LNG應急裝置對不同熱源的適用性，綜合來看，蓄熱材料的適宜相變溫度為50～150 ℃。本文選取的相變蓄熱材料（PCM）有兩種，分別為低熔點的八水氫氧化鋇和高熔點的赤藻糖醇，并采用商業(yè)化的DowthermT導熱油作為中間傳熱介質(zhì)，利用導熱油的高傳熱性能強化相變蓄熱材料的換熱，同時導熱油的低凝固點可有效避免結(jié)冰對氣化器換熱效率帶來的不利影響。選用蓄熱工質(zhì)的參數(shù)見表1。

表1 選用蓄熱工質(zhì)的參數(shù)[18-19]Table1 Parameters of heat storage materials and transfer oil used in this study[18-19]

2.2 系統(tǒng)設計

移動儲熱式LNG應急裝置包括LNG相變儲熱式氣化系統(tǒng)，調(diào)壓、計量、加臭系統(tǒng)和安全控制系統(tǒng)。其中調(diào)壓、計量、加臭系統(tǒng)和安全控制系統(tǒng)在應急供氣領域的相關技術已經(jīng)非常成熟，本工作不再作討論，重點對儲熱式氣化系統(tǒng)進行設計。

圖2所示為本工作設計的相變儲熱式LNG氣化系統(tǒng)，由循環(huán)泵、油浴式氣化器和相變蓄熱器組成。循環(huán)泵流量通過控制系統(tǒng)智能控制導熱油的流量以適應不同的氣化負荷，油浴式氣化器選用臥式管殼式換熱器，相變蓄熱器設計優(yōu)先采用立式儲罐形式，高徑比取1.2，考慮到公路運輸對裝置高度（2.5 m以內(nèi)）和寬度（2.3 m以內(nèi)）的限制，當立式儲罐形式不滿足要求時，改用長方箱體式設計。相變蓄熱器主要包括相變材料蓄熱單元以及安置在相變材料外部的蓄熱換熱器，蓄熱換熱器和相變材料均浸沒在導熱油中，以保證蓄熱器具備良好的充放熱特性，同時，相變材料內(nèi)部分布有傳輸通道，減小了液態(tài)導熱油的流通阻力。

圖2 相變儲熱式LNG氣化系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of LNG regasification system with PCM

本工作提出的移動儲熱式LNG應急裝置的應急供氣流程包括儲熱、運輸和供氣3個過程，系統(tǒng)邊界如圖3所示。儲熱過程分為余廢熱與導熱油的換熱、PCM融化蓄熱兩個子過程，運輸過程為應急裝置在廉價熱源生產(chǎn)地點和應急供氣地點的行駛過程；氣化過程分為LNG與導熱油的換熱、PCM凝固放熱兩個子過程。系統(tǒng)輸入包括余廢熱、LNG、電能和運輸燃料等能源，系統(tǒng)輸出為廢氣、未利用的余廢熱排放和氣態(tài)天然氣。

2.3 參數(shù)設定及計算

在計算過程中作出以下假定：① 熱源為鋼廠等制造工業(yè)的200 ℃低溫廢氣，儲熱時間為5 h，1天累加供氣時間取10 h，年供氣時間取300天；② 一次儲熱完成后進行多地點應急供氣，一天行駛總距離折合60 km，平均行駛速度為30 km/h，柴油價格為7.2元/L；③ 相變材料及導熱油的重量分別占蓄熱器總重的70%和10%；⑤ 只考慮運輸過程中的熱損失，溫度損失取0.5 ℃；⑥ 換熱設備及膨脹空間所占體積為蓄熱器的15%；⑦ 小型裝置調(diào)壓前設計壓力為0.8 MPa，大、中型裝置為1.4 MPa，調(diào)壓后設計壓力中壓為0.35 MPa，低壓為0.0025 MPa；⑧ 各物流和蓄熱材料在儲熱、運輸和供氣過程中的溫度設定見表2。

表2 流入和流出各系統(tǒng)的物流溫度設定Table2 Assumed temperature of in- and out-flowing materials in each system

圖3 應急供氣工藝系統(tǒng)邊界Fig.3 System boundary of emergency gas supply process

根據(jù)式(1)～式(5)分別計算物流焓值H、相變材料的焓值PCMH、系統(tǒng)儲放熱量HΔ及換熱功率Q，并以此作為氣化系統(tǒng)的設計依據(jù)，獲得相變儲熱式LNG氣化系統(tǒng)性能參數(shù)，包括蓄熱器的蓄熱量、儲熱和供氣過程的吸放熱功率、導熱油和PCM用量以及設備占地面積，詳見表3。

表3 相變儲熱式LNG氣化系統(tǒng)性能參數(shù)Table 3 Parameters of LNG regasification system with PCM

3 技術經(jīng)濟評價

一項工程能被人們所接受必須具備兩個條件：一是技術上的可行性；二是經(jīng)濟上的合理性。本工作以氣化強度和應急供氣成本作為技術經(jīng)濟評價指標對移動儲熱式LNG應急裝置進行分析，并與空溫式和明火水浴式進行對比。

3.1 氣化強度分析

氣化強度是指氣化系統(tǒng)每平方米的有效截面積每小時所氣化的LNG量，是衡量LNG應急裝置氣化性能的一個重要指標。結(jié)合各類應急供氣裝置氣化系統(tǒng)的氣化量和占地面積得出氣化強度，如圖4所示。由圖4可知，移動儲熱式LNG應急裝置的氣化強度介于空溫式和明火水浴式之間，采用赤藻糖醇作為蓄熱材料時比采用八水氫氧化鋇具有更高的氣化強度，由于公路運輸對大型裝置的尺寸存在限制，大氣化量下更宜采用赤藻糖醇作為蓄熱材料。對比大中型的儲熱式（赤藻糖醇）和明火水浴式應急裝置，儲熱式的氣化強度在300 Nm3/h和1000 Nm3/h下分別為明火水浴式的85%和72%，表明儲熱式應急裝置具有良好的氣化性能。蓄熱式應急供氣裝置的氣化強度最終穩(wěn)定在70 Nm3/(m2·h)，以公路運輸限定的車輛長18 m、寬2.5 m進行計算，其最大供氣量可達3200 Nm3/h，明火水浴式應急裝置的氣化強度隨著氣化量增加而不斷增強，當氣化量為6000 Nm3/h時，其氣化強度可達320，據(jù)此計算出其最大應急供氣量可達14400 Nm3/h，是超大氣化量下唯一可選的移動供氣技術。

圖4 不同規(guī)格應急供氣裝置的氣化強度Fig.4 Gasification intensity of MLEUs with different scales

3.2 經(jīng)濟性分析

經(jīng)濟性是決定移動式LNG應急裝置能否實現(xiàn)大規(guī)模運用的重要因素，經(jīng)濟性分析應綜合考慮不同方案的投資和運行成本，選用應急供氣成本最小的方案。投資主要由固定資產(chǎn)投資和流動資金兩部分組成，固定資產(chǎn)投資主要包括設備投資和安裝費，運行成本包括原材料、燃料、動力、工資和福利、修理費及攤銷折舊費。根據(jù)各類LNG應急裝置的性能參數(shù)，結(jié)合制造廠商提供的設備報價和經(jīng)驗系數(shù)估算出各方案的總投資和運行成本，詳見表4、表5。

根據(jù)上文的運行成本計算結(jié)果計算出各類裝置在不同供氣規(guī)模下的應急供氣成本，見表6。從表4～表6的結(jié)果可以看出，采用各小型裝置為用戶提供應急供氣服務時，供氣成本高達7.5元/Nm3左右，燃氣公司處于虧損狀態(tài)，當供氣量在300 Nm3/h以上時，應急供氣成本減小至3元以下，此時燃氣公司可獲得盈利，因此，采用移動式LNG應急裝置進行區(qū)域性的應急供氣和調(diào)峰具備經(jīng)濟可行性。當LNG成本價取2.1 元/Nm3時，對比三種類型的LNG應急裝置的應急供氣成本可以看出，大、中型儲熱式LNG應急裝置的應急供氣成本與空溫式相當，分別為2.23元/Nm3和2.42元/ Nm3，比明火水浴式節(jié)約0.1元/Nm3，相當于常規(guī)LNG產(chǎn)業(yè)鏈氣化環(huán)節(jié)成本（0.35元/Nm3）的28.5%[20]。

表4 移動儲熱式LNG應急裝置不同方案的投資運行成本Table 4 The investment and operation cost for different cases of MLEU-HSV

表5 明火水浴式和空溫式LNG應急裝置的投資 運行成本成本Table 5 The investment and operation cost for MLEU-GFWB and MLEU-AAV

表6 不同LNG應急裝置的應急供氣成本比較Table 6 The emergency gas supply costs for different MLEU

4 結(jié) 論

移動式LNG應急裝置是擴大應急供氣應對范圍和提高設備利用率的迫切需要。針對現(xiàn)有裝置熱量供應和LNG應急氣化用熱的不匹配性，結(jié)合移動蓄熱技術的獨特優(yōu)點，本文提出了移動儲熱式LNG應急裝置的概念，與空溫式應急裝置相比，移動儲熱式LNG應急裝置的供氣穩(wěn)定性和氣化速率顯著增強，兩者在較大氣化量下的應急供氣成本相當，比明火水浴式應急裝置節(jié)約0.1元/Nm3；另外，與明火水浴式LNG應急裝置相比，儲熱式運行過程無明火更安全，以導熱油作為傳熱介質(zhì)可有效避免結(jié)冰對氣化器換熱效率帶來的不利影響。移動儲熱式LNG應急裝置適用于局部地區(qū)管網(wǎng)及流動作業(yè)單位的應急供氣，氣源補充調(diào)峰，局部管網(wǎng)補壓以及獨立小區(qū)用戶正常供氣、新用戶的前期供氣服務，在天然氣應急供氣保障體系中有著廣泛的應用前景。

[1]Sun Chengliang（孫成良）.Application of mobile LNG emergency supply device in rush repairs without gas[J].Gas & Heat（煤氣與熱力），2013，33（7）：10-12.

[2]Jin Chunxu（金春旭），Pan Zhen（潘振），Chen Baodong（陳保東），et al.Study on the development situation of Chinese LNG satellite stations[J].Contemporary Chemical Industry（當代化工），2013（5）：584-586.

[3]Wang Tie（王鐵），Chen Dongmei（陳冬梅）.Discussion on vaporizing-gas supply station with cylinder group as transition gas source for residential area[J].Gas & Heat（煤氣與熱力），2007（11）：19-21.

[4]Roca E R.Mobile LNG regasification plant：EP，20040798225[P].2006-10-18.

[5]Liu Peisen（劉培森），Qu Xiugang（曲修鋼），Yang Junjie（楊俊杰），et al.移動式LNG應急供氣設備：中國，200820125356[P].2009-09-16.

[6]Fu Bin（傅斌），Wang Zhonglin（王忠林），Huang Tingjian（黃庭劍），et al.應急LNG城市供氣系統(tǒng)：中國，201210104467[P].2012-07-25.

[7]Luo Donglin（羅冬林）.移動式LNG安全應急裝置用于城市燃氣維搶修的探索[J/OL].2012-05-21.http://d.wanfangdata.com.cn/ Periodical-csjsllyj2012061120.aspx.

[8]Zou Duguo（鄒篤國）.新型空氣熱源式LNG應急汽化系統(tǒng)研究[D].Guangzhou：South China University of Technology，2013.

[9]Shah K，Wong J，Minton B，et al.Considerations for ambient air based technologies for LNG regasification terminals[C]//Proceedings of the CIChE Spring Meeting，New York，2008.

[10]Gavelli F.Computational fluid dynamics simulation of fog clouds due to ambient air vaporizers[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries，2010，23（6）：773-780.

[11]Martin V.Transportation of energy by utilization of thermal energy storage technology[R].Berlin：Joint IEA-Workshop of DHC/ECES，2005.

[12]Kaizawa A，Kamano H，Kawai A，et al.Technical feasibility study of waste heat transportation system using phase change material from industry to city[J].ISIJ International，2008，48（4）：540-548.

[13]Fang Congcong（房叢叢），Qian Huanqun（錢煥群）.相變蓄熱技術及其應用[J].Energy Conservation（節(jié)能），2011（Z2）：27-30.

[14]Fan Shuanshi（樊栓獅），Sun Chao（孫超），Lang Xuemei（郎雪梅），et al.一種利用余廢熱的移動式LNG供氣裝置：中國，201420133929.7[P].2014-09-10.

[15]Liu Jianhui（劉建輝），Yang Hongjun（楊宏軍），Xu Wendong（徐文東），et al.小型移動式天然氣臨時供應裝置及應用示范[J].Natural Gas Industry（天然氣工業(yè)），2011，31（8）：101-105.

[16]Yang Bo（楊波），Li Xun（李汛），Zhao Jun（趙軍）.Research progress of mobilized thermal energy storage technology[J].Chemical Industry and Engineering Progress（化工進展），2013，32（3）：515-520.

[17]Nomura T，Okinaka N，Akiyama T.Waste heat transportation system, using phase change material (PCM) from steelworks to chemical plant[J].Resources,Conservation and Recycling，2010，54（11）：1000-1006.

[18]Tatsidjodoung P，Le Pierrès N，Luo L.A review of potential materials for thermal energy storage in building applications[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews，2013，18：327-349.

[19]Gao Chun（高淳），Wang Guohua（王國華），Zhang Tianshi（張?zhí)鞎r），et al.Research on phase change materials and thermal release characteristic of thermal storage by using auto waste heat[J].Automobile Technology（汽車技術），2011（08）：38-41.

[20]Hua Ben（華賁）.LNG產(chǎn)業(yè)鏈成本分析及定價策略[J].International Petroleum Economics（國際石油經(jīng)濟），2007（3）：30-33.