液化天然气冷能的冷冻库利用

摘 要

摘要：介绍了液化天然气冷能利用方式及利用过程中的注意事项，探讨了LNG冷能应用于冷冻库项目的设置方案及经济性分析。关键词：液化天然气；冷能；冷冻库Utilization of LNG Cold Ene
摘要：介绍了液化天然气冷能利用方式及利用过程中的注意事项，探讨了LNG冷能应用于冷冻库项目的设置方案及经济性分析。
关键词：液化天然气；冷能；冷冻库
Utilization of LNG Cold Energy in Cold Store
LI Xijie，LIU Jianhai
Abstract：The utilization mode of LNG cold energy and some matters needing attention during the utilization are introduced.The design plan and economic analysis of LNG cold energy used in eoht store are discussed.
Key words：LNG；cold energy；cold store
    天津市的天然气应用在十二五期间将有突飞猛进的发展。随着中海油天津港液化天然气(LNG)接收项目的建设，LNG将作为陆上天然气的重要补充，同时，LNG冷能的回收将对LNG的应用产生很大的经济成本影响。
    LNG由天然气经深冷加工液化后获得，属超低温载能液体，其主要成分是甲烷。液化1m3天然气需耗电0.6～1.0kW·h，耗能很大。因此，如果在LNG气化过程中不对其冷能进行回收，将造成很大的能源浪费。
    本文对LNG冷能应用于冷冻库项目的方案及经济性进行探讨，为LNG冷能的利用提供参考。
1 LNG冷能利用方式及注意事项
    对LNG气化时产生的冷量进行分析，可知LNG气化时产生的冷量约为830kJ/kg[1]，包括LNG的气化潜热和气化后的天然气从储存温度恢复至常温的显热。
1.1 LNG冷能利用方式[2～6]
    LNG冷能可用于发电、空气液化分离、冷冻或冷藏仓库、制造液态C02、低温破碎等领域。
   ① 冷能发电
   冷能发电以电能的形式回收LNG冷能，发电方式有：a.中间介质的朗肯循环方式，每吨LNG的发电量约为20kW·h。b.直接膨胀方式。c.上述两种方式的组合形式，每吨LNG的发电量约为45kW·h[7]。
   ② 冷冻或冷藏仓库
   冷冻或冷藏仓库利用LNG与蓄热或换热介质进行热交换，利用冷却介质在仓库内循环冷却。这种冷却方式与传统方式相比，不用大型冷冻机，建设费用少，建设难度小，电力消耗大幅度下降，节能效果显著。
   ③ 低温破碎
   直接利用LNG或制备的低温物质，在低温下破碎一些在常温下难以破碎的物质。与常温破碎相比，它能把物质破碎成极小的微粒，这些微粒可以被进一步精细分离，这种方法不存在微粒爆炸和气味污染。如将橡胶冷却到-70℃的玻璃化温度以下，使之完全脆化，然后利用机械粉碎制成精细胶粉。
1.2 LNG冷能利用过程中的注意事项
① 选择利用LNG冷能的工艺过程，应充分利用其-160～-150℃的低温，工艺过程温度越低越好。
② LNG主要用于城市燃气和工业企业，昼夜负荷变化很大，因此必须考虑小时稳定的负荷供应量。为了充分利用LNG冷能，必须使用一个能容易调节的系统，随着LNG负荷的变化调节系统的负荷。因此必须在LNG冷能利用和燃气供应之间，对燃气控制系统的稳定性进行足够的考虑。
③ 冷能利用工厂的位置尽可能靠近LNG接收站或气化站，以节约高昂的低温管道建设成本，减少压力损失以及过程冷能损失。
④ LNG冷能利用要保证足够的安全性，应避免泄漏的LNG形成爆炸性混合气体，设计和施工中要充分考虑配套防爆措施，提高安全利用率。
⑤ LNG冷能利用工艺成熟，但控制工艺要求较高，以保证安全运行为主要目的。
2 LNG冷能的冷冻库利用
某单位建有一座LNG气化站，同时也组建有一个LNG低温槽车运输车队，既满足本单位LNG的运输需求，又兼营外单位LNG的运输业务。由于LNG的运输途经水产及肉类主产区，该单位有意利用气化站的冷能及车队的部分运力，拟毗邻气化站修建一座食品冷冻库，兼营水产、肉类的冷冻批发业务，以获得更大的经济效益。
2.1 LNG气源供应规模和冷能利用规模的选取
LNG气化站设计供气量为15000m3/h，用户为陶瓷工业和居民用户。其中陶瓷工业用气量占总用气量的40%，为6000m3/h，为全天24h稳定用气；其余为居民用户，昼夜用气量波动很大。
按照气化站的运行特点，该冷冻库的冷量计算对应的稳定用气量取工业用气量，以工业用气提供的冷量作为冷冻库设计计算的基础。按照工业用气量为6000m3/h计算，折合LNG质量约为4200kg/h。按LNG气化产生的冷量约为830kJ/kg计算，取LNG的冷量综合回收率为30%，则每小时可以回收利用的冷能约为1046MJ/h，则年可提供冷量9162GJ/a。
2.2 冷冻库设置方案
① 冷冻库的配置方案
按照GB 50072—2010《冷库设计规范》并参照相关冷冻库的设计实例，本冷冻库按照单层设置，为便于储物管理，将冷冻库分为4个冻结间。设计高度为4.5m，各冻结间面积为1476m2(尺寸为41m×36m)，库温为-23～-18℃，以冷储水产品及当地畅销的牛羊肉制品为主，最多可储存货物1050t，日周转吞吐量为50t/d。
② LNG冷能用于冷冻库的制冷工艺流程
LNG冷能用于冷冻库的制冷工艺流程见图1。
 

室温下质量分数为60%的乙二醇溶液通过盘管换热器与LNG换热后，降至-45～-40℃进行蓄冷。在冷冻库前建一座蓄冷池储存乙二醇载冷溶液，利用低温循环溶液泵使乙二醇载冷溶液在蓄冷池与冷冻库之间循环，通过冻结间排管换热器(配冷风机)为冷冻库提供冷量，使冻结间和冷藏间的温度分别降低至-23℃和-18℃。
液态LNG的输送采用美国某公司生产的LNG地面隔热离心泵，流量范围为40～200L/min，功率为15kW，工作压力为0.3～1.2MPa。
③ 冷冻库建设的其他注意事项
a. 凡制冷管道和设备能导致冷损失的部位、能产生凝结水滴和易形成冷桥的部位均应进行保冷设计，选材结构及安全等应按现行国家标准GB/T 11790—1996《设备及管道保冷技术通则》及GB/T 15586—1995《设备及管道保冷设计导则》执行，穿过墙体或楼板等处的保冷结构不得中断。
b. 低温管道均应采用不锈钢无缝钢管，其质量应符合现行国家标准GB/T 14976—2002《流体输送用不锈钢无缝钢管》的要求，乙二醇介质管道和部件禁止采用锌质或表面锌处理材料。
c. 要加装冷冻库库门自动防冻死装置(交流供电电压小于36V)和适合的防护灯具。
d. 做好地面防冻，避免地面冻翻基础。
3 LNG冷能利用冷冻库的经济性分析
① 制冷工艺造价比较
LNG制冷方案与传统制冷方案主要工艺设备造价见表1，传统制冷方案比LNG制冷方案造价高12×104元。
表1 LNG制冷方案与传统制冷方案主要工艺设备造价
方案
设施
数量
价格/元
合计/元
LNG制冷方案
LNG地面隔热离心泵
2台
40×104
134×104
冷媒循环泵
4台
4×104
蓄冷池
1座
25×104
盘管换热装置
1套
25×104
室外低温管道
1套
12×104
电力系统
1套
18×104
控制系统
1套
10×104
传统制冷方案
螺杆制冷机组
1台
85×104
146×104
水循环冷却塔
2台
16×104
冷媒泵
2台
2×104
室外冷媒管道
1套
3×104
电力系统
1套
35×104
控制系统
1套
5×104
   ② 运行费用比较
   本系统与传统冷冻库相比，主要是减少了制冷机组及相关配套设备等的设备费用，而且通过设置蓄冷池，可保证冷冻库稳定运行。经计算，同样制冷规模的R22压缩制冷机组冷冻库的总用电负荷约为360kW，而LNG冷能利用冷冻库的总用电负荷约为90kW，可节约大量电能，同时减少传统制冷剂的使用，符合国家节能减排政策。
    两方案的冷冻库按照平均每天满负荷运行10h计算，年工作时间约为3650h，则LNG制冷方案耗电32.85×104kW·h，而传统制冷方案耗电131.4×104kW·h，两者相差甚大，LNG制冷方案电能节约优势明显，而两方案的年运行人工费、设备折旧费及维护费等基本相同。
    因此，利用LNG冷能作为冷冻库的冷源是一种非常可行的方式，减少了冷冻库的设备费用及运行费用，具有明显的综合效益，随着电价的不断上涨，LNG冷能利用的经济优势将更加凸显。
参考文献：
[1] 顾安忠，鲁雪生，汪荣顺，等.液化天然气技术[M].北京：机械工业出版社，2004：254.
[2] 焦琳，王炬，段常贵，等.LNG气化站冷能利用方式的探讨[J].煤气与热力，2007，27(1)：21-23.
[3] 张树龙，焦琳，李秀娟.利用LNG气化站冷能的冷库系统研究[J].煤气与热力，2007，27(12)：15-17.
[4] 张中秀，周伟国.利用液化天然气冷能的空气分离技术[J].煤气与热力，2007，27(6)：18-20.
[5] 郑志，王树立，杨斌.天然气调压工艺冷能用于压缩机组冷却的探讨[J].煤气与热力，2010，30(11)：A15-A19.
[6] 刘宗斌，郑惠平，尚巍，等.LNG卫星站冷能利用项目开发[J].煤气与热力，2010，30(9)：B01-B05.
[7] 尉迟斌，卢士勋，周祖毅，等.实用制冷与空调工程手册[M].北京：机械工业出版社，2002：560-561.
 
(本文作者：李锡杰 刘建海 天津市燃气热力规划设计院 天津 300191)