严　波，黄豪中，邹银政

（1.广西大学机械工程学院，广西南宁530004；

2.成都华气厚普机电设备股份有限公司，四川成都610000）

基于LCNG加气站气化冷量用于空调制冷的研究

严波1，黄豪中1，邹银政2

（1.广西大学机械工程学院，广西南宁530004；

2.成都华气厚普机电设备股份有限公司，四川成都610000）

阐述了LNG的特性及发展前景，分析现有对LNG气化冷能利用方式，结合LCNG加气站实际情况，设计一套LCNG加气站气化冷量用于空调制冷的设计方案。选取用于一级换热工质R404A、二级换热工质50%乙二醇水溶液。并对系统进行模拟计算及分析，得出系统的效率为0.3835.

LCNG加气站；冷能回收；效率分析

天然气相比于其他能源更清洁环保［1］，几乎不含硫、粉尘和其他有害物质。燃烧产生的二氧化碳少于其他的石化能源，当量排放相比于煤的一半，石油燃烧的三分之一。由于天然气不便于运输，工业上采用将天然气液化，冷凝后的液体称之为LNG.LNG在常压下为无色、无味、无毒且无腐蚀性的液体，温度约为-162.0℃，通常LNG在155K左右才开始气化，供给末端用户通常需加热使之气化为零度以上的气体，这一过程，会放出大量的冷能，约为 830～860 kJ/kg［2］。若利用这部分冷能使其转化成电能，每吨LNG当量240 kW·h电能。

LNG冷能利用技术可以分为两个方向：直接利用和间接利用。直接利用包括冷能发电、深冷空气分离、冷冻仓库、制取液态CO2、汽车冷藏、汽车空调、海水淡化、空调制冷等；间接利用包括低温粉碎、水和污染物处理等。其分布方式如图1所示［3-6］。

图1　LNG冷能利用方案

LCNG加气站经营LNG和CNG两种不同相态，随着汽车的混合动力的普及，这种加气站具有良好的推广前景。本文针对LCNG加气站这类LNG气化量小，且不连续稳定的工况提出一种利用两级换热回收LNG气化冷量用于空调制冷的工艺系统。利用一级相变工质通过LNG换热器将LNG气化冷量取出，再通下一级换热器将取出的冷量转换到二级工质，再利用末端制冷装置进行供冷。采用这种工艺，系统简单，初期投资较小，两次换热中利用工质储罐可以调节LNG气化不连续工作这一难点，可以使工艺系统持续供冷，具有很高的实用价值。

1　用于两级换热的工艺流程

本文提出的两级换热工艺包括换热循环和制冷循环，具体工艺流程如图2所示。

图2　两级换热系统原理图

系统的工作原理：-162℃左右的LNG从LNG储罐出来，经LNG泵升压后进入LNG蒸发器与工质A换热，换热后，经过气化器加热到要求的温度后进入储气罐；汽化状态的工质A，进入LNG换热器中冷凝成液态，经工质A泵加压，输送至冷凝器中与工质B换热，受热汽化，然后送入LNG蒸发器，完成换热循环；工质B流经风机盘管与空气换热后进入工质B换热器，换热后流回工质B储液罐，再由工质B泵送入风机盘管，完成供冷循环。其中，当工质B储液罐中的温度高于供冷所要求的最高温度时，阀门b将关闭，a打开，工质B继续吸收冷量；当工质B储液罐中的温度达到供冷要求，则将关闭a，打开b，进行供冷。

2　工质选取

工质的选取对于整个工艺的影响巨大。不同的工质，其热物理参数差别很大，会影响系统中设备的效率，以及整体LNG冷能回收效率。同时，工质的理化性也会影响系统的稳定性及安全性。因此，对于系统工质，应该考虑以下几个因素［7］：

（1）环境友好性。本文的出发点就是节能环保，提高能源利用率，所以选取的工质一定属于环境友好型，工质不破坏臭氧层，循环是温室效应小。

（2）热物理化学性与安全性。工质的比热容和汽化热大，工质的储能能力越高，系统中所需的工质流量就越小，这样会降低系统中泵的功耗。

经研究分析当前对热门的工质实用，本文选取了R404A作为换热循环的工质，R404A具有很大优势，属于非共沸混合工质，相比于传统的制冷剂，非共沸混合工质压比低，工质泵功耗降低，使得系统的制冷能力增大。考虑本文冷凝器运行温度较低，制冷循环一般采用凝固点较低的工质，工程上普遍采用乙二醇水溶液。乙二醇易溶于水，乙二醇水溶液的冰点同乙二醇质量分数不成线性关系。具体质量浓度与凝固点关系见图3.结合本文的工艺设计，选取乙二醇质量浓度百分比为五十的水溶液作为供冷工质。

图3　乙二醇水溶液的凝固点

3　系统分析

本文利用CFD模拟软件对系统进行模拟，通过计算，得到最佳计算流量，LNG流量为2 880 kg/hr， R404A流量为8 136.67 kg/hr，工质B的流量为14 400 kg/hr.具体分析见下表。

Ei为工质某一状态下的；m为工质的质量；T0为环境温度，本文取28℃；hi为工质在某一状态下的焓；h0为工质在环境状态下的焓；si为工质在某一状态下的熵；s0为工质在环境状态下的熵。

式中：

图4　黑箱模型原理图

式中，ηe为系统效率；

结合图4中的黑箱模型，上述表达式可变为：

其中：

Ex，sup为输入系统供给；Ex，br为输入系统带入；Ex，eff为输出系统有效；Ex，ineff为输出系统的无效；Ex，in为系统内部损。

式中，E1，o为换热器热端流出；E1，i为换热器热端流入；E2，o为换热器冷端流出；E2，i为换热器冷端流入

式中，ηt为热交换器的热效率，换热器的实际换热量与理论换热量的比值；ηe，T为温度效率。

式中，T0为环境温度；为冷流体平均吸热温度；为热流体平均放热温度；ε1为热流体的损Ir1与EQ1放出的比值；ε2为冷流体的损Ir2与EQ2吸收的比值。

图5　换热器分析计算示意图

根据能量平衡方程有：

换热为定压过程：

由此得：

换热器的完善度ε为：

表1　设备效率计算

表1　设备效率计算

设备　耗费/MJ　收益

4　结论

（2）R404A泵消耗的电能为27.654 MJ，做功26.343 MJ，效率为0.952 5；工质B泵消耗的电能为1.299 MJ，做功1.254 MJ，效率为0.965 4.

5　结束语

我国天然气利用极为不平衡，天然气在我国能源中的比重很小。从我国的天然气发展形势来看，天然气资源有限，天然气产量远远小于需求，供需缺口越来越大。尽管还没有形成规模，但是LNG的特点决定LNG发展非常迅速。随着本地区LCNG加气站的不断增长，LNG气化冷能利用方式的研究还会不断地进行。提高能源利用效率将会使冷能回收利用的更具实际效益，具有重要意义。

［1］Pun-Lee Lam.The growth of Japan’s LNG industry：lessons for China and Hong.Kong.Energy Policy［J］.2000，（28）：327-333.

［2］李静，李志红，华贲.LNG冷能利用现状及发展前景［J］.天然气工业，2005，25（5）：103-105.

［3］王静玲，马国光，余洋，等.LNG卫星站冷量利用方案选择［J］.石油化工应用，2012，31（9）：22-25.

［4］Rosetta，M.，B.Price，L.Himmelberger.Optimize energy consumption for LNG vaporization：Gas processing develop ments［J］.Hydrocarbon processing，2006，85（1）：57-64.

［5］Dharmadhikari，S.Optimize LNG vaporizers［J］.Hydrocarbon processing，2004，83（10）：95-99.

［6］余黎明，江克忠，张磊.我国液化天然气冷能利用技术综述［J］.化学工业，2008，26（3）：9-18.

［7］马利敏.中高温热泵工质的理论与实验研究［D］.天津：天津大学，2006.

Study on Air Conditioning and Refrigeration based on LCNG Filling Station Gasification Cooling Capacity

YAN Bo1，HUANG Hao-zhong1，ZHOU Yin-zheng2
（1.Mechanical Engineering College，Guangxi University，Nanning 530004，China；
2.Chengdu China Gas&Electric Equipment Limited by Share Ltd.，Chengdu Sichuang 610000，China）

The paper expounded the characteristics and development prospects of LNG，analysed existing utilization of LNG cold energy，combining with LCNG refueling station actual situation，designed a system of LCNG refueling station gasification cooling capacity for air conditioner refrigeration.This paper selects R404A as first order heat exchange refrigerant，and chooses 50%ethylene glycol aqueous as second order heat exchange refrigerant.By simulating computation and analysing the system，we concluded that the exergy efficiency of system is 0.3835.

LCNG refuelingstation；cold energy recovery；exergy efficiency analysis

U469

A

1672-545X（2016）07-0056-03

2016-04-15

严波（1989-），男，重庆人，硕士研究生，研究方向：能源回收与利用。