摘　要：介绍了一种液化天然气(LNG)冷能用于冷库制冷的工艺流程，通过压力调节控制冷媒蒸发温度使其为冷库提供不同温位冷能，模拟冷库利用LNG冷能工艺流程，总结了LNG冷能用于冷库技术的发展优势。

关键词：液化天然气、冷能、冷库、能量回收

1　引言

随着我国LNG产业的迅猛发展和节能工程的全面展开，LNG冷能的高效利用已越来越引起重视。我国自2003年在广东大鹏兴建第一座LNG接收站以来，陆续规划和建设福建莆田、上海、浙江、江苏、大连、唐山等多个接收站。据统计2007年我国LNG进口量仅为291万吨，到2011年已达到l220万吨。国家发改委预计到2020年我国LNG进口量将达N350亿立方米，相当于2500万吨／年。LNG产业正以迅猛之势高速向前发展。

生产一吨LNG的动力及公用设施耗电量约为850kW·h，而在LNG接收站，其汽化过程中会释放出大量冷能高达860～830kJ／kg。这部分冷能通常在汽化器中随海水或空气被舍弃了，造成能源的极大浪费，甚至还会造成环境或海水冷污染，影响周围海域及地区的生态环境。

2　国内外液化天然气冷能利用现状

目前世界已有17个国家和地区建设了56个LNG接收终端，还有一些接收终端正在建设或计划建设中。日本是世界上最早开发LNG冷能利用技术的国家，已有近三十年历史，除了与发电厂配合使用外，还有26台独立的冷能利用设备，其中7台空气分离装置、3台生产干冰生产装置、l台深度冷冻仓库、l5台低温朗肯循环独立发电装置。常见的LNG冷能利用技术有发电、空气分离、低温粉碎、生产干冰、冷冻仓库等作为耗能较大的制冷行业，欧美等发达国家每年在这方面消耗的电能约占全世界生产电能的l5％左右。以英国为例，其工、农、商业中制冷装置每年耗电量合计约为76.35亿kW·h，其中冷库耗电量估计约为9.1亿kW·h，可见耗能量之大。遗憾的是，尽管这些国家LNG使用量可观，但回收LNG冷能用于冷库的实例并不太多。

目前，国内LNG冷能利用技术尚在起步阶段。全国冷库的总容量达500多万吨，基本上都是采用多级电压缩制冷装置维持冷库的低温，而利用LNG冷能作为冷库的冷源，则既可以减少压缩制冷系统的投资，又可以回收LNG的冷能，减少耗电量，节约能源。

3　冷库的分类及能耗

3．1　冷库分类

冷库是指对易腐物品进行冷冻贮存，或对易腐物品进行冷冻加工的库房建筑。根据冷库温度的不同，冷库可以分为冷却库、冻结库和冷藏库。冷却库又称高温库，用于果蔬之类食品的储藏，库内温度一般控制在不低于食品汁液的冻结温度，通常保持在0℃左右；冻结库又称低温冷库，一般库内温度在-20℃～-30℃左右，通过冷风机或专用冻结装置来实现对肉类食品的冻结；冷藏间，即冷却或冻结食品的储藏库，用于把不同温度的冷却食品和冻结食品在不同温度的冷藏间和冻结间内作短期或是长期的储存。

据统计，我国冷库总耗电量为10亿kW·h／年以上，冷库的动力费用占整个冷库仓储成本的25％～30％；而一般食品工厂，冷库动力耗电量约占全厂总耗电量的50％～60％。冷藏企业耗电考核标准规定：

(a)冷库冻结物冷藏单位产品耗电量指标为0.3kW·h／(t·d)：

(b)冷却物冷藏单位产品耗电量为0.9kW·h／(t·d)：

(c)冷冻加工单位产品耗电量为120kW·h／t。

3．2　冷库用冷特性

为便于计算，本文以总容量为1.5万吨的冷库为例进行具体计算，并将此冷库设计成三座库容量均为5000吨库房温度分别为30℃、-l8℃、-l0℃的冷库。根据蒸发温度与库房温度的关系，三座冷库的蒸发温度分别为-42℃、-28℃和-l5℃。其基本设计参数如表l。

3．3　冷库能耗计算

(1)冷库维护结构的耗冷量计算

(a)库内外温差传热的耗冷量

Qa＝K·F(tw-tn)

式中：K——冷库维护结构的传热系数

F——冷库维护结构的传热面积

tw——库外计算温度

tn——库内计算温度

式中：传热系数取l.005J／(m²·h·℃)，冷库按方形设计，墙高5m，库外温度按城市的室外平均温度计算，本设计取库外计算温度为36℃。计算可得三座冷库库房内外温差传热耗冷量分别为424.44MJ／h、347.27MJ／h、295.82MJ／h(101376kcal／h、82944kcal／h、70656kcal／h)。

(b)由于阳光辐射进入室内的热量

式中：J——夏季阳光辐射的计算强度

A——维护结构外表面太阳辐射吸收率

由于阳光辐射而进入室内的热量也可采用补偿温度差的方法来计算，面向南和西南的强阳光辐射的传热量可看作是室内外为5～10℃的传热，对于屋顶可看作增加室内外l5～20℃的传热。计算可得三座冷库由于阳光辐射产生的耗冷量分别l07.52MJ／h、96.06MJ／h、  78.88MJ／h(25680kCal／h、22944kcat／h、18840kcal／h)。

(2)货物的耗冷量

Qc＝G(il-i2)gbcb(tl-t2)

式中：G——平均每小时入库的货物量

i1，i2——货物入库时、在库内降温后的含热量

gb，cb——包装材料的重量、比热

t1，t2——包装材料入库、出库时的温度

按年处理水产品25万吨计算，货物平均每小时入库量为250000÷365÷24×1.3=37.1t／h。考虑到货物每次进入冷库开始时热负荷较大，为使最初阶段易于降温，增加系数1.3，包装材料的耗冷能按货物耗冷能的10％倍计算。

冷库l中货物的入库温度为20℃，出库温度为-20℃；

冷库2的入库温度为-10℃，出库温度为-18℃：

冷库3入库温度为20℃，出库温度为0℃。

计算可得三座冷库货物产生的耗冷量分为14523.38MJ／h、1213.13MJ／h、3106.61MJ／h(3468850kcal／h、28975lkcal／h、742000kcal／h)。

(3)库房照明耗冷量

Qd＝0.86WZ／24

式中W：——室内点灯总瓦数，本文按70w计算

Z——照明时间，一般按3小时考虑

计算可得库房照明产生的耗冷量均为27.09MJ／h(6471kcal／h)。

(4)库房开门耗冷量

Q＝nvr(iw-in)／24

式中n——每昼夜因开门造成的换气次数

v——冷藏间的容积

r——库内空气的比重

iw，in——室外、室内空气的含热量

大型冷库n取0.7。冷库的库外温度均为30℃，冷库的库内空气温度分别为-30℃、-18℃、-10℃。计算可得三座冷库库房开门产生的耗冷量分别为98.93MJ／h、85.51MJ／h、  77.25MJ／h(23628kcal／h、20424kcal／h、18450kcal／h)。

(5)库房内工作人员的耗冷量

Qf＝nQsZ／24

式中n——工作人员数

Qs——每个工作人员单位时间内产生的热量

Z——工作人员每昼夜在库房内的操作时间，可按3小时考虑

每个工作人员产生的热量与库房温度有关。冻结间按l.59MJ／h(355kcal／h)，低温冷藏间按1.26MJ／h(300kcal／h)，高温冷藏库按1.00MJ／h(240kcal／h)考虑。工作人员按50人考虑。计算可得三座冷库库房内工作人员产生的耗冷量分别为9.29MJ／h、8.63MJ／h、6.28MJ／h(2218kCal／h、2062kCal／h、1500kcal／h)。将各个冷库耗冷量的计算结果汇总，列于表2。

4　冷库利用LNG冷能制冷技术

为了有效利用液化天然气的冷能，可以将食品冻结及加工装置、冷冻库、冷藏库及预冷装置等按不同的温度带连成一串。按LNG的不同温度带，用不同的冷媒与之换冷后分别送入低温冻结库或低温冻结装置(-60℃)、冷冻库(-35℃)、冷藏库(0℃以下)以及果蔬冷藏库(0～10℃)。这样可以使LNG的冷能几乎无浪费的得以利用，利用效率大大提高，冷库运行成本下降37.5％。与传统低温冷库相比，采用LNG冷能的冷库具有占地少、投资省、温度梯度分明、维护方便等优点。

4．1　工艺流程设计

图l为LNG冷能用于冷库技术的流程示意图。储罐中-162℃的LNG经泵加压到天然气高压输气管网所需的压力，温度上升至约-150℃，由于LNG温度液化天然气；冷能；冷媒；冷库；能量转换；经济性非常低，冷能的品位非常高，故可用于一些深冷用户，如废旧轮胎的深冷粉碎、二氧化碳制干冰等。LNG的冷能通过深冷用户的一次利用后，温度从-150℃上升到约-70℃左右，LNG全部汽化成为低温的高压天然气。

在冷库中蒸发的冷媒蒸汽在高效换热器中同约-70℃的高压天然气换冷，冷媒获得冷能而全部液化，而高压天然气获得热量温度升高。冷媒泵将液化的冷媒升压后通过保温管线输送到冷库。在库房的蒸发器内冷媒蒸发放出冷能，通过库房内的抽风机与库房内循环流动的空气换冷，带走库房内空气的热量，使冷库的库房温度保持在需要的低温。同时，蒸发后的冷媒再通过管线输送到高效换热器中同低温的高压天然气换热，由此形成载冷循环。

4．2　冷媒筛选

冷媒的主要功能就是将LNG中的冷能携带到冷库中为冷库提供冷量，本技术采用R410A作为冷媒。

R410A是一种共沸冷混合物，可以通过调节压力来调节其蒸发温度，为冷库提供多种不同温位的冷能。R410A热容和汽化热较大；有较高的导热系数；动力粘度小；化学稳定性较好；对金属无腐蚀；容易制取，能够即时供应，而且价格低廉；无毒；不燃烧，与空气混合也不会爆炸，是一种优质的环保型制冷剂，目前在国外广泛用于冰箱和空调的制冷。

4．3　流程模拟与计算

本设计采用如下图2所示的LNG冷能用于冷库技术流程。

一股R401A冷媒与LNG换冷液化，经泵加压输送至冷库区域后再分成三股，分别为冷冻库、低温冷藏库、高温冷藏库提供冷能。压力调节器分别将三股R40lA控制在0.486MPa、0.294MPa、0.16MPa压力下，得到温度为-42℃、-28℃、-l5℃的气相冷媒为各个冷库提供其所需温位的冷能。

采用流程模拟软件ASPEN对冷库的冷能利用过程进行模拟，得出流程中-80℃娴腖的流量为70t／h，  冷媒R401A的流量为70t／h。

5　结束语

目前国内LNG汽化主要采用海水加热方式，大量的冷能没有被利用。将LNG的冷能用于冷库能够大大减少耗电量，节省投资，降低冷库的生产成本，同时冷藏品质量提高，具有良好的前景。如果在冷库利用LNG冷能的基础上，根据LNG接收站附近港口资源和产业布局的特点，适当增加冷冻产品深加工项目，扩大港口经营范围，大力发展冷物流加工产业和储运产业，可使冷库的效益更加突出，同时还可以提升港口的生存竞争力，促进港口地区的经济发展。

本文作者：杜琳琳

作者单位：深圳市燃气集团股份有限公司