摘 要：分析了我国LNG冷能利用的现状和存在的问题，提出了LNG冷能与冰蓄冷相结合
的供冷空调的工艺流程，进行了技术经济分析。
关 键 词： 液化天然气冷能利用； 冷能； 冰蓄冷空调
Abstract：The current status and problems of LNG cold energy utilization in China are analyzed.The process for cold air—conditioning by combining LNG cold energy and ice storage is proposed，and thetechnical and economic analysis is conducted.
Keywords：LNG cold energy utilization； cold energy； ice storage air—conditioning
1 概述
随着我国能源安全问题的日益严峻，液化天然气(LNG)产业的迅猛发展和节能工程的全面展开，LNG气化冷能的高效利用已备受重视[1]。LNG接收站气化LNG时，释放约830 kJ/k9的冷量，若将该冷量全部转化为电力，约230 kW·h/t[2-7]。预计到2020年，我国每年将进口LNG 6 000×104 t/a，回收其冷量可节电约l38×108 kW·h/a，相当于每年燃烧460×104 t/a标准煤所发电力，其经济效益和社会效益相当可观。
目前我国可实施LNG冷能利用项目的厂站主要有两类：一类是沿海的LNG接收站，另一类则是内地的LNG气化站。从2006年底到现在，已建成LNG气化站200多座，供气能力达到400×104 m3/d[8－9]。但LNG气化站冷能利用存在如下问题：由于冷量用户远离气化站，用冷时间与气化时问不一致，因而存在用冷时间和地域不同步的问题；提高能量利用效率的途径之一是能量的“高能高用、低能低用”，然而如今除空分项目外，LNG冷能多为超低温位冷量与次低温位的冷量匹配，且利用项目单一，缺乏梯级利用，使冷能降质利用，能量损失较大，回收率只有8%～20%[10－11]。此外，许多气化站附近由于LNG气化冷量未充分回收，对站区产生很大的冷污染，并且随着LNG气化量的增加，冷雾范围逐渐扩大，浓度逐渐增加，带来的不良影响越来越严重，同时，在站区内的办公楼需要供冷，消耗掉大量的电力。因此在LNG冷能利用项目大力发展的情形下，应结合站区生活用冷的实际情况，开发一种新的技术来回收利用这些宝贵的冷能，减少冷污染。
2 LNG冷能用于冰蓄冷空调技术开发
LNG气化时对外释放冷量，为避免造成外界冷污染和能量的浪费，需将此部分冷量回收并用于站区办公楼空调供冷，可采取冰蓄冷空调的形式。
目前已成熟的空调蓄冷方式有水蓄冷和冰蓄冷，常规的水蓄冷系统是利用3～7℃的低温水进行蓄冷，并且只有5～8℃的温差可利用，其单位容积蓄冷量较小，使水蓄冷系统的蓄冷水池占地面积较大；冰蓄冷利用水的相变潜热进行冷量的储存，除可以利用一定温差的显热外，主要利用的是冰的335kJ/kg相变潜热，因此与水蓄冷相比，冰蓄冷系统的蓄冷能力提高l0倍以上，并可使蓄冷槽体积减小80%左右[12]。
目前，冰蓄冷空调系统大多利用低谷电制冷，采用蓄冷介质将冷量储存起来，在白天用电高峰时段将冷量释放出来[13－14]，仍然消耗了电力。据此，笔者开发了一种将LNG冷能与冰蓄冷系统供冷相结合的技术。该技术不仅能解决站区冷污染问题，有效回收LNG气化释放的冷能，同时节省了空调供冷所耗电力。该冰蓄冷空调工艺流程见图1。
通过调节阀1和阀2，使LNG(一162℃，质量流量为2 000 k9/h)及乙醇溶液(2℃，质量流量为14.3 t/h)进人LNG换热器，LNG在LNG换热器中与乙醇溶液换热，温度升至一10℃进入空温式气化器，经与空气换热温度升至l0℃左右进入城市燃气管网；乙醇溶液与LNG换热后温度降至一30℃，进入冰蓄冷池中的乙醇溶液盘管，一30℃乙醇溶液与冰蓄冷池中的水换热，水凝结成冰；换热后的乙醇溶液温度升至2℃，通过离心泵进入乙醇溶液储罐。该流程通过冷介质的循环供冷，水不断地凝结成冰储存LNG气化释放的冷能。
冰蓄冷池中敷设空调冷水盘管，l2℃的空调循环水通过冷水盘管l和冷水盘管2进入冰蓄冷池，与池中冰接触换热，冰吸热后融化，空调循环水被冷却至5℃后出冰蓄冷池进入空调系统给办公楼供冷。
在该流程中，冰蓄冷池外的低温传输管道均使用保冷管道，在相应的管道上设有对应的调节阀和流量计。为了保证空调供冷在LNG供冷不足时正常运行，将办公楼原有的电压缩制冷装置的制冷工质管道与冰蓄冷池制冷工质盘管连接，通过电压缩制冷供冰蓄冷，从而补充LNG供冷不足时缺乏的冷量。冷水盘管l与乙醇溶液盘管并列设置，冷水盘管2与电压缩制冷工质盘管并列设置，减少盘管占用面积，降低造价。
该工艺每l h可使约3 t的水凝结成冰；冰蓄冷池中的冰每1 h可提供冷水空调的冷量约为464kW·h。按制冷系数COP为2计算，每l h可节电232 kW·h。
3 技术经济分析
实际操作运行时，LNG气化量及环境温度存在着波动，同时，办公楼空调用冷量也随环境变化，因此为了保证该流程稳定运行，提出了带控制点的工艺流程，见图2。
LNG储罐在原来气化站流程的基础上引出一条支路进行LNG冷能回收利用。该支路将LNG换热器、乙醇溶液储罐及相应的管路和控制装置集成于一个橇块中。一方面节约设备造价，另一方面，橇装设备拆卸及安装过程简单方便，有利于在不同气化站之问灵活利用该套装置进行LNG冷量的回收利用。另外，该橇块可承受LNG气化波动范围约为0～4 000 m3/h，在LNG进橇块的管道上设置孔板限流器防止LNG过量，同时设置控制阀和流量计控制进入LNG换热器的LNG流量；通过温度显示仪表和压力显示仪表监测所在物流的温度及压力变化，以便调节LNG及乙醇溶液的流量。乙醇溶液储罐的出口处设置2台离心泵，采取1开1备的形式来输送冷介质乙醇溶液，出口管道上装有压力显示仪表。深圳市燃气集团梅林LNG气化站内综合楼用冷规模为700 kW，每天用冷5 h，每天总需冷量约3 500 kW·h，只需一个容量为l 000 t的冰蓄冷池即可满足综合楼的用冷需求。如果这些冷能均由LNG提供，当LNG质量流量为2 t/h，每l h回收用于冷水空调的冷量为464 kW·h，需气化8 h/d用于冰蓄冷才能满足办公楼需冷量。若每年空调开启时间以6个月共180 d计，则每年用于冰蓄冷的LNG气化时问为1 440 h，由于每l h可节电232 kW·h，则每年可节电33.4×104 kW·h，按0.8元/(kW·h)电价计算，每年节电效益为26.72×104元。
当LNG气化量变化时，为了满足办公楼空调供冷需求，只须改变LNG用于冰蓄冷的气化时问即可。在LNG气化规模为2 t/h流程中，关键设备造价见表1。
表1关键设备造价
|
设备
|
造价/元
|
|
LNG换热器
|
38×104
|
|
乙醇溶液储罐
|
6×104
|
|
蓄冰槽
|
28×104
|
|
调压器
|
3×104
|
|
流量计
|
5×104
|
|
限流器
|
5×104
|
|
冷却水泵
|
3×104
|
|
冷水泵
|
8×104
|
|
乙醇溶液泵
|
8×104
|
|
总计
|
104×104
|
该技术将LNG供冷与电压缩制冷联合起来，不论气化站气化时间是否与综合楼空调工作时间相对应，采用冰蓄冷的形式储存LNG冷量，当LNG供冷充分时，关闭电压缩制冷装置，当LNG质量流量低于2 000 kg/h时，开启电压缩制冷装置，通过两者的联合运行完成蓄冰供冷工艺，冰再与空调循环水换热，利用其潜热与显热冷却空调循环水，供空调使用。该工艺操作弹性好，LNG冷能利用率高，保证了空调供冷的稳定性，同时缓解了用电压力。
4 结语
通过冰蓄冷的形式将LNG气化所释放的冷量储存起来，再经过换热将冷量提供给空调循环水。不仅回收了LNG的冷能，避免了气化站气化LNG造成的冷污染，同时节约了空调制冷所需的电力。通过改变用冷规模来选取合适的LNG气化量，起到了气化调峰的作用，对于缓解用电压力也起着积极的促进作用。当LNG质量流量为2 000 kg/h时，通过本技术回收其冷能，每1 h可提供的冷量约464kW·h，若给深圳梅林LNG气化站内的办公楼供冷使用，每年节电效益约26.72×104形a，关键设备造价约为104×104元。
参考文献：
[1] 李树旺，罗东晓.液化天然气产业链安全技术研究[J].煤气与热力，2010，30(10)：B31一B35.
[2] 张福元，王劲松，孙青峰，等.液化天然气的计量方法及其标准化[J].石油与天然气化工，2007(2)：157—161.
[3] LIU Hongtan，YOU Lixin.Characteristics and application of the cold heat energy of liquefied natural gas[J].Ener—gY Conversion&Management，1999，40(14)：1515—1525.
[4] LEE G S，CHANG Y S，KIN M S，et al.Themiodynam—ic analysis of extraction processes for the utilization ofLNG cold energy[J].Cryogenics，1996，36(1)：35—40.
[5] 曾乐才，张东，徐建辉，等.液化天然气冷能储存技术研究[J].上海电气技术，2010，3(3)：26—28.
[6] 王坤，顾安忠，鲁雪生，等.LNG冷能利用技术及经济分析[J].天然气工业，2004，24(7)：122—125.
[7] 高文学，王启，向友谦.LNG冷能利用技术的研究现状与展望[J].煤气与热力，2007，27(9)：15—21.
[8] 徐松强.统筹LNG接收站建设与运营的建议[J].煤气与热力，2011，31(12)：B26一B28.
[9] 罗东晓.多功能LNG站的技术研究[J].煤气与热力，2008，28(6)：Bl6一Bl8.
[10] 徐文东，边海军，樊栓狮，等.LNG卫星气化站冷能利用技术[J].天然气工业，2009，29(5)：112—114.
[11] 张君瑛，章学来，李品友.LNG蓄冷及其冷能的应用[J].低温与特气，2005，5(23)：6—9.
[12] 管屏.空调蓄冷方式的比较[J].上海节能，2004(6)：16—19.
[13] 任秀宏，杨历，王丽娜.冰蓄冷空调系统与常规空调系统的经济比较[J].煤气与热力，2006，26(7)：53—55.
[14] 孟维.冰蓄冷空调系统负荷计算及载冷剂泵的运行[J].煤气与热力，2005，25(7)：53—55.
本文作者：陈秋雄1， 徐文东2， 陈敏2
作者单位：1.深圳市燃气集团股份有限公司；2.华南理工大学化学与化工学院传热强化与过程节能教育部重点实验室
