基于LNG冷能利用的低溫冷庫(kù)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(yùn)送時(shí)，天然氣往往會(huì)被液化為L(zhǎng)NG[1]。LNG運(yùn)輸?shù)絃NG接收站后，再被氣化，這一氣化相變過(guò)程中，會(huì)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(huì)帶來(lái)很大的經(jīng)濟(jì)效益，在短時(shí)間內(nèi)回收投資[3]。

LNG冷能為冷庫(kù)提供冷源的能源回收形式受到廣泛青睞[4]。文獻(xiàn)[5]提出了一種LNG冷能用于不同溫度冷庫(kù)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(duì)多種溫度群冷庫(kù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬。通過(guò)比選13種冷媒、改變流程中多個(gè)冷庫(kù)的串并聯(lián)形式，確定性能更佳的循環(huán)流程，并對(duì)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析。

2 模擬與過(guò)程

本文出現(xiàn)的壓力均為絕對(duì)壓力。

① 冷庫(kù)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(shí)際冷庫(kù)建設(shè)情況，設(shè)置4個(gè)冷庫(kù)。根據(jù)已有研究[5]，獲得冷庫(kù)的負(fù)荷情況，分別為：

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

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

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

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

② 冷庫(kù)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(jī)，用低溫泵輸送液態(tài)冷媒進(jìn)入蒸發(fā)器。利用LNG冷能的多種溫度冷庫(kù)群的基本流程(軟件截圖)[4]見(jiàn)圖1。冷媒攜帶LNG冷能離開(kāi)LNG換熱器1，進(jìn)入低溫泵2。隨后，冷媒經(jīng)分流器3，等壓分成3股進(jìn)入不同溫度的低溫冷庫(kù)進(jìn)行換熱。并聯(lián)的3個(gè)冷庫(kù)蒸發(fā)壓力不同，需要設(shè)置調(diào)壓閥調(diào)壓。冷媒從冷庫(kù)出來(lái)后，同樣需要設(shè)置調(diào)壓閥，調(diào)整到相同壓力，再進(jìn)入混流器。其中，中溫冷藏庫(kù)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(gè)冷庫(kù)入口要求壓力不同，所以調(diào)壓閥降壓；超低溫凍藏庫(kù)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(kù)，再回到LNG換熱器1，完成一個(gè)循環(huán)。

圖1 利用LNG冷能的多種溫度冷庫(kù)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(kù)5.調(diào)壓閥 6.調(diào)壓閥 7.低溫冷凍庫(kù) 8.調(diào)壓閥 9.調(diào)壓閥10.超低溫凍藏庫(kù) 11.混流器 12.高溫冷藏庫(kù)S1—S14. 運(yùn)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(jiàn)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(jiàn)表2。

表2 液化天然氣的組成

⑤ Aspen Hysys物性計(jì)算包

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

⑥ 使用13號(hào)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(duì)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(guò)分流器，進(jìn)入3根管路。其中，冷媒18%的流量通過(guò)管路S3，77%的流量通過(guò)管路S4。管路S6、S8、S10的冷媒溫度分別對(duì)應(yīng)各冷庫(kù)的蒸發(fā)溫度-28 ℃、-38 ℃、-70 ℃。不同蒸發(fā)溫度對(duì)應(yīng)不同蒸發(fā)壓力，因此調(diào)整通過(guò)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(guò)具體模擬流程的搭建，成功得到了13個(gè)流程圖以及相應(yīng)的精確數(shù)據(jù)和每個(gè)單元的參數(shù)。模擬發(fā)現(xiàn)：

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

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

c.使用1號(hào)、3號(hào)、8號(hào)3種冷媒，運(yùn)行情況穩(wěn)定；且其相變過(guò)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(hào)、12號(hào)和13號(hào)冷媒在模擬過(guò)程中都可正常使用，質(zhì)量流量低，制冷效果好。

通過(guò)以上分析，可知：有6種冷媒適用，適用冷媒的對(duì)比見(jiàn)表3。其中，含有R744(11號(hào)、12號(hào)和13號(hào)冷媒)的混合冷媒的流程效率較高。使用13號(hào)冷媒的流程參數(shù)見(jiàn)表4。

表3 6種適用冷媒的對(duì)比

表4 使用13號(hào)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?，F(xiàn)以12號(hào)冷媒為例，改變流程的串并聯(lián)方式，進(jìn)行分析。全部串聯(lián)的流程(軟件截圖)見(jiàn)圖2，串并聯(lián)共同的流程(軟件截圖)見(jiàn)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(kù)E-28.低溫冷凍庫(kù) E-60.超低溫凍藏庫(kù) E-00.高溫冷藏庫(kù)S1—S14. 運(yùn)輸管路 EP、E1、 E2、 E3、E0.熱流量

a.支路上低溫冷凍庫(kù)在前，中溫冷藏庫(kù)在后

b.支路上中溫冷藏庫(kù)在前，低溫冷凍庫(kù)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(kù)E-28.中溫冷藏庫(kù) E-60.超低溫凍藏庫(kù) E-00.高溫冷藏庫(kù)S1—S14.運(yùn)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(shí)際上是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，問(wèn)題有兩項(xiàng)：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(mǎn)足蒸發(fā)壓力起始端高、末端低的要求，同時(shí)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(kù)前后順序影響，但是，仍出現(xiàn)負(fù)壓，運(yùn)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(wú)須再進(jìn)行模擬。因此，在使用LNG冷能為冷媒換熱后將冷量運(yùn)送至不同溫度的低溫冷庫(kù)群時(shí)，只有采用全部并聯(lián)低溫冷庫(kù)的方式，才是最合適的。

③ 經(jīng)濟(jì)效益分析

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

a.計(jì)算天然氣的火用值

由于是穩(wěn)態(tài)模擬，計(jì)算所用的火用公式是建立在穩(wěn)流系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，見(jiàn)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(jì)算得到天然氣的比火用。模擬計(jì)算得出應(yīng)用11號(hào)、12號(hào)、13號(hào)冷媒時(shí)，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(jì)算系統(tǒng)的能效比

系統(tǒng)的能效比計(jì)算見(jiàn)式(2)[13]：

(2)

式中β——系統(tǒng)的能效比

Φ1——中溫冷藏庫(kù)蒸發(fā)器換熱量，kW

Φ2——低溫冷凍庫(kù)蒸發(fā)器換熱量，kW

Φ3——超低溫凍藏庫(kù)蒸發(fā)器換熱量，kW

Φ4——高溫冷藏庫(kù)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(jì)算得出應(yīng)用11號(hào)、12號(hào)、13號(hào)冷媒時(shí)，系統(tǒng)能效比分別為2.66、2.86、2.76，使用12號(hào)冷媒系統(tǒng)能效比最高。

c.計(jì)算系統(tǒng)回收冷能效益

在利用LNG冷能的方案中，往往通過(guò)計(jì)算單位冷能價(jià)格來(lái)評(píng)估效益，計(jì)算方法見(jiàn)式(3)[14]：

C=70.42Ceexp(-0.0217T)

(3)

式中C——單位冷能價(jià)格，元/MJ

Ce——工業(yè)用電價(jià)格，元/MJ，取0.22 元/MJ[13]

T——蒸發(fā)溫度，K

根據(jù)冷庫(kù)蒸發(fā)溫度：-28 ℃、-38 ℃、-70 ℃以及-10 ℃，計(jì)算得到單位冷能價(jià)格分別為0.076、0.094、0.190、0.050 元/MJ。本次設(shè)計(jì)中，以蒸發(fā)器的年工作時(shí)間為3 000 h進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得出應(yīng)用11號(hào)、12號(hào)、13號(hào)冷媒時(shí)，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(hào)(R23)、3號(hào)(R170)、8號(hào)(R508A)、11號(hào)(50%R170+50%R744)、12號(hào)(45%R290+55%R744)以及13號(hào)(29%R290+71%R744)冷媒皆可選擇使用。其中，采用11號(hào)、13號(hào)冷媒制冷效果較好，采用12號(hào)冷媒制冷效果最好。

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