LCNG加气站冷能回收系统

邓　伟，杨　旭，熊　杨，韦尧鹏

（广西大学机械工程学院，广西 南宁530004）

天然气作为一种低碳、高效的清洁能源，近年来已经开始逐步成为替代传统石化资源的主力军。天然气热值高，每立方米天然气燃烧热值约为8 000 kcal（1 kcal≈4 186 J），相当于10 kWh电和1.25 kg标准煤产生的热值；等热值下燃烧天然气排放的CO2、NOx、SO2和粉尘分别是煤的 50%～60%、10%、1/682和1/1479，仅为石油的70%～75%、20%、1/389和1/140[1]，因此国家大力推进生态文明建设，确立了能源革命战略，将天然气列为中国主力能源。由于气态天然气不便于运输，工业上将天然气液化后装车运输，冷凝后的液体称之为LNG（Liquid Nature Gas），LNG经过槽车运输抵达加气站后，将LNG通过低温泵加压成LCNG（Liquid Compressed Natural Gas）后再经过处理变为高压天然气（CNG）储存销售，即新型的LCNG加气站的营业模式。LCNG加气站供给末端用户的CNG通常需要将LCNG加热气化为零度以上的气体，而大多数加气站使用空温式汽化器来加热LCNG，该过程中约有860 kJ/kg的冷能被直接排放到空气中，造成了巨大的浪费，若将这部分冷能进行回收利用，替代加气站营业房中央空调集中供冷，可以获得可观的经济效益。

目前国内回收利用LCNG冷能的主要方式有：冷能发电[2]，空气分离[3]，轻烃分离及回收[4]，海水淡化等，这些利用方式适用于大型LNG接收站或卫星站，而LCNG加气站存在占地较小、气化量不稳定以及成本限制等因素，导致传统的冷能利用方式并不适用，因此在这些前提下，本文针对小型加气站的工作特性设计了一套合理利用LCNG加气站冷能的方案。

1　设计方案

本文设计中采用两级循环系统吸收LCNG冷能。系统示意图如图1所示。

图1　两级冷能回收系统示意图

系统工作原理：-162℃的LNG从LNG储罐出来后，经过LNG泵加压后进入LCNG换热器与一级载冷剂换热，换热汽化后的高压天然气再进入到汽化器进一步升温后进入天然气储气罐，准备供给下游用户；在LCNG换热器内换热降温后的一级载冷剂流入低温储罐，经计量泵加压后进入管壳式换热器与二级载冷剂换热，换热升温后的一级载冷剂再流回到LCNG换热器换热降温，完成一级循环回路；二级载冷剂在管壳式换热器内换热获得一级载冷剂的冷能后，流入到二级载冷剂低温储罐，经水泵加压输送到水冷式风机盘管，通过水冷式风机盘管将载冷剂所携带的冷能传递给空气达到制冷效果，从风机盘管出来后的二级载冷剂再留回到管壳式换热器，完成二级循环回路。设计中一级循环的载冷剂采用质量分数为50%乙二醇水溶液，二级循环的载冷剂为水本系统达到了对LCNG冷能两级利用的效果，通过两级载冷剂的吸收转换，将吸收LCNG汽化释放的冷能用于加气站营业房日常供冷。

2　模拟模型建立

本文建立在热力学定律的基础上，利用软件Aspen建立了LCNG冷能回收系统模拟模型，如图2所示。

图2　两级冷能回收模型图

图中，HEATX-1为LCNG换热器，HEATX-2为管壳式换热器，HEATX-3为风机盘管，P-1为计量泵，P-2为水泵，F-1为一级载冷剂低温储罐，F-2为二级载冷剂储罐，C2为一级载冷剂所对应物流，Water为二级载冷剂所对应物流，AIR为风机盘管内空气所对应物流。根据软件进行模拟计算时，采用PR方程计算LNG物性。

3　模拟结果

基于图2，对设计的系统进行模拟计算，设定LCNG每小时汽化量为1 m3，LNG进口温度为-162℃，压力为1.2 MPa，经LNG泵加压后LCNG的压力为25 MPa；系统中两个泵的等熵效率为80%，一、二级循环回路中各换热器的压降为20 kPa，LCNG换热器内压力损失为50 kPa，风机盘管内水的进出口温度分别为7℃、12℃，环境温度为25℃，不考虑各换热的换热损失。根据软件计算得出模拟结果列于表1.

表1　冷能回收系统关键参数

系统的制冷量为Q，则

Q=mAIR（hAIR-1-hAIR-2）

计算可知LNG冷能回收系统通过两级载冷剂吸收换热后，风机盘管内获得的制冷量62.79 kW.

4　经济性分析

根据软件模拟参数，搭建实验台架并进行经济性分析，表2列出了一些关键设备参数。

表2　关键设备参数

本设计中的主要成本投入包括换热器、低温泵、乙二醇工质、循环泵、风机盘管等，根据厂家对比得到设备报价为：换热器9万元，低温泵4万元，乙二醇工质及循环泵1万元，其他小型设备和零件1万元，管道安装及管道保温费4万，总计投资19万元，系统的运行费用包括电费、人工费用及维护成本等，其中每年低温泵消耗电费为1.2万元，计量泵及水泵与风机盘管消耗电费为0.6万元，人工费用及维护成本每年为0.3万元。

设计的LCNG冷能回收系统吸收LCNG汽化过程释放的冷能，用于加气站营业房达到制冷效果，根据模拟结果可知，1 m3/h的LNG通过本系统可以获得62.79 kW的制冷量，按照系统每天工作量10小时，风机盘管能效比EER为1.8，夏季供冷为5个月，本地电价为0.9元/度计算，整套系统每年可节约电费4.7万元，参考评价工程项目投资的静态评价方法，对LCNG冷能回收系统的投资及运行费用与冷能回收系统所节省电能进行比较，求出简单投资回收期为7.3年，因此该实验系统回收LCNG的冷能是合理的。

5　结论

本文设计的LCNG冷能回收系统，将LCNG加气站内LNG转化为CNG过程中释放的冷能储存并加以利用，为加气站节约了用冷成本，具有可观的节能效益和经济效益，系统投资回收期为7.3年。