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    • 发布时间:2017-1-2 0:00:00

     LNG气化器气化站冷能利用方式的探讨

     概述
        近10 a来,液化天然气(LNG)技术在我国日益受到重视,相继建成了多套生产装置,已建成天然气液化工厂有上海的LNG事故调峰站、河南中原天然气液化工厂和新疆天然气液化工厂等[1、2]。同时我国也在积极引进液化天然气,开拓能源供应渠道多元化。我国引进LNG三大项目———广东、福建、上海LNG项目近来均获重要进展。其中广东大鹏湾LNG接收站已于2006年6月底建成投产,规模为370×104t/a。此外,江苏如东、辽宁大连等城市的LNG项目也都在投资策划中。截至2020年,我国LNG的年进口量将超过6 000×104t/a,使天然气在一次能源消费中所占的比例上升到8%以上[3]。与此同时, LNG气化站也得到了长足的发展。
        LNG气化站是一种小型的LNG接收和气化设施,用于接收从LNG终端接收站或液化装置通过专用汽车槽车或铁路槽车运来的LNG,经气化加臭后,通过管网供应给用户,没有液化能力[4]。我国的山东、江苏、河南、浙江和广东等省的一些城镇相继建设了气化站,向居民或企业供应天然气。从2000年开始,淄博、青岛、广东龙川、浙江余姚、江苏姜堰等城市的气化站相继建成投产,至今已建成逾80座LNG气化站。
        通常生产1 tLNG的动力及公用设施耗电量约850 kW·h,而在LNG接收站,一般又需将LNG通过气化器气化后使用,气化时放出很大的冷量,其值约830 kJ/kg[5]。若LNG拥有的冷能以100%的效率转化为电力,那么1 tLNG的冷能相当于230 kW·h电。回收这部分可用冷能,不仅有效利用了能源,而且减少了机械制冷大量的电能消耗,具有可观的经济效益和社会效益。
        LNG气化过程中,其释放的冷能可采用直接或间接的方法加以利用[6]。直接利用方法有冷能发电、空气液化分离、冷冻仓库、制造液化二氧化碳、海水淡化、空调和低温养殖栽培等;间接利用方法有用空分得到的液氮、液氧来进行低温破碎、污水处理、低温医疗等。其中,LNG冷能用于发电是目前LNG冷能利用的主要方式,且技术较为成熟。在我国,深圳大鹏“冰雪大世界”拟利用广东LNG大型接收站冷能。福建LNG莆田接收站计划利用LNG气化冷能,并进行了相关项目的招标工作。目前,有关小型气化站冷能利用的报道几乎是空白。
        2 LNG气化站的特点
        ① 建设投资规模小。一个可供6×104户居民用气的气化站需投资500×104元左右,可大大减少发展城镇燃气对资金的需求。
        ② 建设期短。一般0. 5 a左右就可建成投产。
        ③ 可实现多气源供气,从而提高供气的可靠性。
        ④ 具有调峰功能。建LNG气化站,可省去城镇供气系统中的调峰设施,节省管网建设造价。
        ⑤ 设计、制造、安装以及陆上运输技术已成熟,绝热技术的发展大大提高了LNG运输、储存和使用的安全性和经济性,促进了LNG气化站的迅速发展。
        LNG气化站规模的大小一般根据用户的规模而定,用户用气量大,则气化站规模就大,相应产生的冷量也就多;反之,冷量就少。已建成的气化站的气化量也是随时间而变化的,具有年、月、日、小时不均匀性。因此在选择冷能利用方案和建立冷能利用系统时,要充分考虑这些特点,以更加合理地利用冷能。
        3 LNG气化站的冷能利用
        3.1 用作低温集中式空调系统冷源低温集中式空调系统是指系统运行时送风温度≤11℃的空调系统。低温送风系统与常规空调系统相比,在技术上有了很大进步,其造价降低,运行费用降低,电力需求小,空气品质优良,人体舒适感提高。
        利用LNG的潜热或显热直接与空气进行换热时,换热温差达到160℃左右,容易造成空气中水蒸气、CO2等气体的冻结,阻塞换热器流道,无法正常工作,从安全角度以及空调环境所要求的温度和湿度来看都是不可行的。因此必须考虑通过中间冷介质来降低换热温差,即将LNG的冷量先转移至低凝固点的中间冷介质上,再通过冷介质的循环把冷量传递给需要冷却的空气,尽量减小传热温差。由于LNG气化站冷量产生的不均匀性,在利用气化冷量作为集中式空调的冷源时,必须用到蓄冷技术,把冷量储存起来。利用LNG冷能的低温中央空调系统见图1。
                  
        在图1中,LNG通过换热器1气化成气态天然气,然后再通过计量、加臭等过程后供城市工业、商业以及居民用户使用。乙二醇和LNG在换热器1中完成冷量交换,经过蓄冷槽时把冷量储存起来,待用户需用冷量时,蓄冷槽又释放冷量供用户使用。由于液化天然气温度过低,在选用蓄冷剂时,要保证其有较低的凝固点,又要有较强的蓄冷能力。综合考虑各种因素,选用乙二醇溶液作为蓄冷剂。为了防止换热器2被冻坏,还需在蓄冷槽和换热器2之间设置旁通管。冷冻水与乙二醇在换热器2中换热后将冷量传递给需要降温的空气。新风和回风混合后通过换热器3,再经过除湿、过滤等处理达到室内空气质量要求,送入室内。
        该系统有以下4种工作模式:
        ① 单蓄冷:低温集中式空调不工作,只有LNG气化放出冷量,蓄冷槽蓄冷,工作的只有换热器1和蓄冷槽。
        ② 单融冰: LNG不气化,蓄冷槽只把本身储存的冷量释放出来供低温集中式空调使用。
        ③ 边蓄边供:换热器1、蓄冷槽和换热器2同时工作,但LNG气化释放冷量大于低温集中式空调负荷,多余的冷量通过蓄冷槽储存起来。
        ④ 边供边融:换热器1、蓄冷槽和换热器2同时工作,但LNG气化释放冷量不足以满足低温集中式空调负荷,于是蓄冷槽就释放自身冷量满足低温集中式空调冷量。
        3.2 用作冷库冷源
        冷库是在特定的温度和相对湿度条件下,对食品、工业原料等进行加工或储存的建筑物。利用LNG冷能的冷库系统(见图2)流程与低温集中式空调冷能利用系统相似,不同的是冷库库房温度一般为-60~-25℃,换热温差要小一些。
                 
        通过换热, LNG气化成气态天然气供用户使用,乙二醇通过换热器获得冷量,并将其储存在蓄冷槽中,满足冷库用冷需要。为了保证冷库的制冷品质,气化冷量必须先经过一种中间载冷剂再传递给氨液,然后再供用户使用。该过程表明气化所得冷量必须经过蓄冷系统,故工作模式只有3种:单蓄冷、单融冰、蓄冷融冰同时进行。
        本循环中蓄冷槽的采用不但可以弥补LNG气化站冷量不均,而且加快了初冷速度,使得库房温度稳定,冷却设备不需要化霜,降低了基建造价和氨液泄漏量,也保证了冷藏产品的品质。
        通过初步计算,冷量回收效率已达到40%左右,可作为气化站冷能利用的一个重要研究方向。
        3.3 同小型冷热电三联产系统相结合
        对LNG气化站,一般在设计时会设计柴油发电机之类的备用发电设施。考虑到气化站自身气源的充足性,为保证站厂用电可靠性及操作控制室的空调及供暖需要,可选取合适的燃气轮机建立小型冷热电三联产(CCHP)系统,见图3。
                   
        根据文献[7],燃气轮机进口空气温度对系统出力的影响很大。随着燃气轮机进口空气温度的降低,系统出力明显提高。尤其是当环境温度高于30℃时,空气温度每降低10℃,系统出力平均增加10%。空气温度为30℃时的系统出力仅为5℃时的75%。这是由于环境温度的升高使空气的密度减小,空气质量流量下降引起输出功率的下降,效率随进口空气温度的变化也较大。当环境温度由30℃降低到5℃时,系统效率增加近4%。

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