液化天然氣冷能回收系統(tǒng)的研究

林 東 王祥保 馬芝玉 鄧 偉

〔1 中國石化廣西石油分公司 廣西南寧 530021 2 廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 廣西南寧 530004〕

根據(jù)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的需要，節(jié)能環(huán)保、開發(fā)新能源等可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)越來越受重視。天然氣作為一種清潔能源，被廣泛應(yīng)用。

由于液態(tài)天然氣的體積是氣態(tài)時(shí)的1/600，往往將開采出來的天然氣加壓冷卻成液化天然氣(LNG)后運(yùn)輸，再將LNG汽化后應(yīng)用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

工業(yè)生產(chǎn)中使用空溫式汽化器將LNG升溫汽化到略低于環(huán)境溫度，這一過程放出的冷能約為830～860kJ/kg[1]，而這部分冷量完全耗散到空氣中，造成了很大的浪費(fèi)。

針對(duì)這種情況，人們研究出了LNG冷能回收的兩種方式：直接利用與間接利用。直接利用包括冷能發(fā)電、深冷空氣分離、冷凍倉庫、海水淡化、空調(diào)制冷等；間接利用包括低溫粉碎、水和污染物處理等。

本文基于中國石化廣西石油分公司所屬的新陽LNG加氣站的日常數(shù)據(jù)及場(chǎng)地要求，設(shè)計(jì)了一套吸收LNG汽化過程釋放冷能的回收系統(tǒng)，讓LNG在進(jìn)入空溫式汽化器之前進(jìn)入冷能回收系統(tǒng)，LNG與冷媒在換熱器內(nèi)換熱制冷，冷媒吸收LNG的冷量并將其儲(chǔ)存在冷凍水箱中，用于空調(diào)系統(tǒng)水冷式風(fēng)機(jī)盤管制冷。

常壓下溫度低于-195℃的氮?dú)鈺?huì)變成液態(tài)，由氮?dú)釺-h圖可查液氮從-196℃汽化為25℃的氮?dú)鈺r(shí)能釋放429.046 kJ/h的冷量[2]。本文設(shè)計(jì)的冷能回收系統(tǒng)通過冷媒的吸收轉(zhuǎn)化將低溫液體汽化過程釋放的冷量用于風(fēng)機(jī)盤管制冷，相比于LNG的易燃易爆，液氮成本低、安全性高，廣泛用于冷藏食品[3-4]、材料處理[5-6]等多個(gè)方面，所以本文使用液氮替代LNG進(jìn)行冷能回收實(shí)驗(yàn)，而LNG與液氮都是通過傳熱溫差在換熱器內(nèi)與冷媒換熱，兩者原理相同。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的液氮汽化冷能回收系統(tǒng)示意如圖1，液氮從進(jìn)口法蘭1進(jìn)入后，關(guān)閉閥門21，使汽化后的氮?dú)膺M(jìn)入到換熱器3中換熱，在換熱器3中換熱升溫后的氮?dú)庠龠M(jìn)入到汽化器2中進(jìn)一步升溫后進(jìn)入氮?dú)馐占b置。一級(jí)回路中的冷媒在換熱器3內(nèi)與氮?dú)鈸Q熱被冷卻，被冷卻的一級(jí)冷媒流回到低溫耐壓罐6中儲(chǔ)存，經(jīng)計(jì)量泵5輸送到換熱器4內(nèi)與二級(jí)回路冷媒水換熱升溫，升溫后的一級(jí)冷媒再進(jìn)入到換熱器3中被冷卻，完成一級(jí)回路循環(huán)。二級(jí)回路冷媒水在換熱器4內(nèi)換熱吸收1級(jí)冷媒的冷量后，流回到冷凍水箱9中，當(dāng)有制冷需要時(shí)，水經(jīng)過水泵8加壓流入到風(fēng)機(jī)盤管7內(nèi)冷卻空氣達(dá)到制冷效果，從風(fēng)機(jī)盤管出來后升溫的水再進(jìn)入到換熱器4中換熱被冷卻，完成二級(jí)回路循環(huán)。液氮汽化冷能回收系統(tǒng)示意詳見圖1。

圖1 回收系統(tǒng)示意圖

1.液氮進(jìn)口法蘭；2.空溫式汽化器；3.液氮換熱器；4.管殼式換熱器；5.低溫隔膜計(jì)量泵；6.低溫耐壓罐；7.風(fēng)機(jī)盤管；8.水泵；9.冷凍水箱；10-15.溫度傳感器；16-17.質(zhì)量流量傳感器；18-20.壓力傳感器；21-24.低溫截止閥

1.1 冷媒選型

一級(jí)回路中通過調(diào)整計(jì)量泵的功率來改變冷媒的流量，為了避免冷媒循環(huán)過程中產(chǎn)生氣體對(duì)泵葉輪造成損害，要求冷媒在管道內(nèi)運(yùn)行全程為液態(tài)，系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)處于常溫常壓狀態(tài)，液氮汽化放出很大的冷量，換熱器3內(nèi)與其換熱的一級(jí)冷媒溫度下降很快，為了避免一級(jí)回路中冷媒溫度過低導(dǎo)致冷媒凝結(jié)，實(shí)驗(yàn)過程選取常壓下為液態(tài)且凝點(diǎn)低的質(zhì)量分?jǐn)?shù)25 %的氯化鈣水溶液為一級(jí)冷媒，二級(jí)回路冷媒為水。

1.2 數(shù)據(jù)測(cè)量系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)使用WBZP-241M3dSC溫度傳感器、WP401B壓力傳感器和HQ98流量計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量溫度、壓力和流量信號(hào)，采集卡將各傳感器的電信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號(hào)，通過軟件編程每隔1 000 ms對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行一次掃描讀取，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換計(jì)算，顯示并保存測(cè)量結(jié)果。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，圖1中10-15分別測(cè)量氮?dú)膺M(jìn)入換熱器3的溫度、氮?dú)鈴膿Q熱器3換熱后出來的溫度、一級(jí)冷媒進(jìn)入換熱器3的溫度、一級(jí)冷媒從換熱器3換熱后出來的溫度、水從換熱器4換熱后出來的溫度、水進(jìn)入換熱器4的溫度。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的管道外有保溫層絕熱，忽略管道內(nèi)的溫度損耗，此時(shí)一級(jí)冷媒進(jìn)入換熱器3的溫度等于一級(jí)冷媒從換熱器4換熱后出來的溫度，一級(jí)冷媒從換熱器3出來的溫度等于一級(jí)冷媒進(jìn)入換熱器4的溫度，水從換熱器4換熱后出來的溫度等于水在風(fēng)機(jī)盤管進(jìn)口的溫度，水從風(fēng)機(jī)盤管7換熱后的出口溫度等于水在換熱器4的進(jìn)口溫度。16、17分別測(cè)量一級(jí)冷媒、二級(jí)冷媒的流量，18-20分別測(cè)量氮?dú)膺M(jìn)入換熱器3的壓力、一級(jí)回路壓力、二級(jí)回路壓力。

1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的各設(shè)備間使用碳鋼304材質(zhì)的DN 25 mm管道連接，根據(jù)設(shè)計(jì)方案搭建好實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)后，為確保管道無泄漏，使用高壓氬氣充注整個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)是否有泄漏，檢測(cè)通過后用鐵皮外包整個(gè)管道并預(yù)留5 cm厚空間，使用EVA聚氨酯發(fā)泡膠填充這部分空間形成保溫層，實(shí)驗(yàn)時(shí)液氮用50 L液氮罐儲(chǔ)存，出口狀態(tài)為流量100kg/h，壓力為7 bar(1 bor=105Pa，下同)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，在氮?dú)膺M(jìn)入汽化器之前設(shè)置冷能回收系統(tǒng)，因此氮?dú)庠谄鲀?nèi)的變化不算入系統(tǒng)，由于液氮汽化過程極其不穩(wěn)定且難于吸收，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)只回收液氮汽化后進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)-60℃的氮?dú)馑鶖y帶的冷能。在不考慮換熱器內(nèi)壓降、阻力損失及換熱器與外界換熱的條件下，此時(shí)換熱器內(nèi)兩種流體換熱過程無相態(tài)變化，換熱器內(nèi)的換熱量計(jì)算如式(1)、(2)和(3)。

Q=Wccp,c(t2-t1)=Whcp,h(t1-t2)

(1)

換熱器3內(nèi)的換熱量

Q3=Wccp,n(t11-t10)=Whcp，ca(t12-t13)

(2)

換熱器4內(nèi)的換熱量

Q4=Whcp,ca(t12-t13)=Wwatercp,water(t15-t14)

(3)

Ei=m[hi-ho-To(Si-So)]

(4)

2.1 換熱器評(píng)價(jià)指標(biāo)

∑Ein+w=∑Eout+∑Elost+P

(5)

ηi=∑Eout/∑Ein

(6)

ηi,lost=1-ηi

(7)

η3=(E13-E12)/(E10-E11)

(8)

η4=(E14-E15)/(E13-E12)

(9)

2.2 系統(tǒng)評(píng)價(jià)指標(biāo)

∑Ein=E10-E11+P1+P2+W

(10)

∑Eout=E14-E15

(11)

η=∑Eout/∑in=(E14-E15)/

(E10-E11+P1+P2+W)

(12)

系統(tǒng)的制冷量見式(13)：

C=mwater(h15-h14)

(13)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

圖3 冷媒流量對(duì)換熱器3及系統(tǒng)的影響規(guī)律

圖4 換熱器3實(shí)驗(yàn)運(yùn)行圖

4 理論計(jì)算結(jié)果與分析

本文設(shè)計(jì)的冷能回收系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)條件未能達(dá)到改變氮?dú)膺M(jìn)口壓力的要求，而氮?dú)膺M(jìn)口壓力變化時(shí)會(huì)引起氮?dú)膺M(jìn)口狀態(tài)對(duì)應(yīng)的定壓比熱容改變。根據(jù)式(1)可知定壓比熱容發(fā)生變化會(huì)引起換熱器3內(nèi)的換熱量發(fā)生變化，因此本文討論了氮?dú)膺M(jìn)口壓力對(duì)整個(gè)冷能回收系統(tǒng)效率的影響。分析氮?dú)膺M(jìn)口壓力對(duì)系統(tǒng)的影響時(shí)假設(shè)：氮?dú)膺M(jìn)出換熱器3的溫度分別為-60℃、16℃，流量為100 kg/h；一級(jí)冷媒質(zhì)量分?jǐn)?shù)25%氯化鈣水溶液在換熱器3內(nèi)的進(jìn)口溫度為18.5℃、流量為200 kg/h，一級(jí)回路壓力為1.3bar；二級(jí)冷媒水的流量為500 kg/h、二級(jí)回路壓力為1bar，換熱器4內(nèi)水的進(jìn)口溫度為25℃。

圖5 氮?dú)膺M(jìn)口壓力對(duì)換熱器及系統(tǒng)的影響

表1 氮?dú)膺M(jìn)口壓力對(duì)換熱過程的影響

5 效益評(píng)估

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套液氮汽化冷能回收系統(tǒng)，利用了氮?dú)馄懦龅睦淠埽麄€(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期目的，并通過理論計(jì)算分析了實(shí)驗(yàn)和理論的差距，對(duì)影響系統(tǒng)效率的因素進(jìn)行了討論，得出以下結(jié)論：

[1] 李靜，李志紅，華賁.LNG冷能利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]．天然氣工業(yè)，2005，25(5)：103-105.

[2] K Shinmura，H Murakami，S Demura,et al.Implantation of Liquid Nitrogen Frozen Tumor Tissue after Posterior Decompression and Stabilization for Metastatic Spinal Tumors[J]. Asian Spine Journal,2015,9 (6):869-875.

[3] MR Vega.A model of freezing foods with liquid nitrogen using special functions.Spie Sensing Technology + Applications , 2014 , 9108 :91080L.

[4] F Mutoh.Quick Freezing of Food with Liquid Nitrogen[J].Journal of the Vacuum Society of Japan,2009,12(5) :173-179.

[5] 于凱，王維，潘艷秋，等.初始非飽和多孔物料對(duì)冷凍干燥過程的影響[J].化工學(xué)報(bào)，2013,64(9): 3110-3116.

[6] SK Josyula，SKR Narala，EG Charan，HA Kishawy.Sustainable Machining of Metal Matrix Composites Using Liquid Nitrogen[J].Procedia Cirp，2016 , 40 :568-573.

[7] S Lee. Multi-parameter optimization of cold energy recovery in cascade Rankine cycle for LNG regasification using genetic algorithm[J].Energy, 2017 , 118:776-782.

[8] A Vidal，R Best，R Rivero et al. Analysis of a combined power and refrigeration cycle by the exergy method[J].Energy,2006.31(15):3401-3414

[9] VL Rocca.Cold recovery during regasification of LNG part one: Cold utilization far from the regasification facility[J].Energy,2010 ,35(5) :2049-2058.

[10] PA Ferreira, I Catarino, D Vaz.Thermodynamic analysis for working fluids comparison in Rankine-type cycles exploiting the cryogenic exergy in Liquefied Natural Gas (LNG) regasification[J]. Applied Thermal Engineering,2017,121:887-896.

[11] Zhixin Sun,Shujia Wang,Fuquan Xu,et al.Working Fluid and Parametric Optimization of a Two-Stage ORC Utilizing LNG Cold Energy and Low Grade Heat of Different Temperatures[J].ASME Turbo Expo 2017: Turbo machinery Technical Conference and Exposition Volume 3.