基于LNG冷能利用的低温冷库群仿真模拟

2020-05-19何君妍余克志

煤气与热力 2020年4期

何君妍，余克志

(上海海洋大学食品学院，上海201306)

1 概述

在远距离运送时，天然气往往会被液化为LNG[1]。LNG运输到LNG接收站后，再被气化，这一气化相变过程中，会释放出大量冷能。若能有效利用这部分能源(约为830 kJ/kg[2])，可以为社会带来很大的经济效益，在短时间内回收投资[3]。

LNG冷能为冷库提供冷源的能源回收形式受到广泛青睐[4]。文献[5]提出了一种LNG冷能用于不同温度冷库群的技术方案。本研究在这一方案的基础上，利用Aspen Hysys模拟仿真软件对多种温度群冷库进行稳态模拟。通过比选13种冷媒、改变流程中多个冷库的串并联形式，确定性能更佳的循环流程，并对系统经济效益进行分析。

2 模拟与过程

本文出现的压力均为绝对压力。

① 冷库基本参数

多数LNG接收站建设在沿海区域，结合实际冷库建设情况，设置4个冷库。根据已有研究[5]，获得冷库的负荷情况，分别为：

a.超低温冻藏库(库容量为2 000 t)，库温为-60 ℃，蒸发温度为-70 ℃，冷负荷0.4 MW;

b.低温冷冻库(库容量为15 000 t)，库温为-28 ℃，蒸发温度为-38 ℃，冷负荷6.8 MW;

c.中温冷藏库(库容量为15 000 t)，库温为-18 ℃，蒸发温度为-28 ℃，冷负荷1.6 MW;

d.高温冷藏库，库温为0 ℃，蒸发温度为-10 ℃，由于提供给高温库的冷量来自于从低温冷库群出来的冷媒所携带的剩余低温冷能，故无需计算设定，冷负荷由模拟计算得出。

② 冷库流程方案

采用直接蒸发制冷系统，采用低温泵代替压缩机，用低温泵输送液态冷媒进入蒸发器。利用LNG冷能的多种温度冷库群的基本流程(软件截图)[4]见图1。冷媒携带LNG冷能离开LNG换热器1，进入低温泵2。随后，冷媒经分流器3，等压分成3股进入不同温度的低温冷库进行换热。并联的3个冷库蒸发压力不同，需要设置调压阀调压。冷媒从冷库出来后，同样需要设置调压阀，调整到相同压力，再进入混流器。其中，中温冷藏库4入口压力最高，作为并联起始段压力，不需要调压，而另两个冷库入口要求压力不同，所以调压阀降压；超低温冻藏库10出口压力最低，作为末端压力，不需要调压阀。最后，冷媒携带的剩余冷量，提供给串联的高温冷藏库，再回到LNG换热器1，完成一个循环。

图1 利用LNG冷能的多种温度冷库群的基本流程(软件截图)1.LNG换热器 2.低温泵 3.分流器 4.中温冷藏库5.调压阀 6.调压阀 7.低温冷冻库 8.调压阀 9.调压阀10.超低温冻藏库 11.混流器 12.高温冷藏库S1—S14. 运输管路 e-0、 ep、 e-18、 e-28、 e-6.热流量

③ 冷媒选取

13种较为理想的超低温环保型冷媒，物理性质见表1(表中混合冷媒配比指质量比)。

表1 冷媒的物理性质

④ 液化天然气组成

本课题采用的液化天然气组成是典型组成[10]，见表2。

表2 液化天然气的组成

⑤ Aspen Hysys物性计算包

软件设计时，一共用到两款物性包：Peng-Robinson、PRSV状态方程模型。PRSV方程运用于6号、2号冷媒，Peng-Robinson方程运用于另外11种冷媒。

⑥ 使用13号冷媒的参数设定

根据天然气自身物理性能，确定LNG换热器内绝对压力为101.3 kPa，LNG温度为-162 ℃、物质的量流量2 470 kmol/h，等压下获得天然气。根据冷媒的自身物理性质，设定冷媒在LNG换热器出口处总物质的量流量以及温度。冷媒流经低温泵，压力提高至1 000 kPa。提高压力后的冷媒通过分流器，进入3根管路。其中，冷媒18%的流量通过管路S3，77%的流量通过管路S4。管路S6、S8、S10的冷媒温度分别对应各冷库的蒸发温度-28 ℃、-38 ℃、-70 ℃。不同蒸发温度对应不同蒸发压力，因此调整通过管路S4、S5的阀后压力，保证蒸发器出口为饱和蒸气。最后，在3根管路的冷媒混流之前，冷媒完全气化，并且保持管路S11、S12 与S10的冷媒压力相同且为最低值。

3 结果与分析

① 冷媒的比选情况

通过具体模拟流程的搭建，成功得到了13个流程图以及相应的精确数据和每个单元的参数。模拟发现：

a.使用2号R404A、5号R290、6号R410A、7号R507、9号R1270和10号R600作为冷媒的6个循环流程中，都出现有负压运行的情况，对系统运行有一定不利影响。同时，2号冷媒可为超低温冻藏库提供0.37 MW冷量，不能满足要求，5号冷媒可为低温冷冻库提供6.72 MW冷量，也不能满足要求。

b.使用4号冷媒与LNG换热后，进入超低温冻藏库(蒸发温度为-70℃)，出现比焓为负的情况，为-20.19 kJ/kg，说明蒸发器内出现吸热情况，有异样。

c.使用1号、3号、8号3种冷媒，运行情况稳定；且其相变过程中冷媒利用率高，冷媒气化程度都高(接近1)，效果好。

d.使用混有不同质量分数R744的11号、12号和13号冷媒在模拟过程中都可正常使用，质量流量低，制冷效果好。

通过以上分析，可知：有6种冷媒适用，适用冷媒的对比见表3。其中，含有R744(11号、12号和13号冷媒)的混合冷媒的流程效率较高。使用13号冷媒的流程参数见表4。

表3 6种适用冷媒的对比

表4 使用13号冷媒的流程主要参数

② 串并联不同流程的分析

在图1基础上，已完成了13种冷媒的比选工作。现以12号冷媒为例，改变流程的串并联方式，进行分析。全部串联的流程(软件截图)见图2，串并联共同的流程(软件截图)见图3。

图2 全部串联的流程(软件截图)LNG-100.LNG换热器 PUMP.低温泵 E-18.中温冷藏库E-28.低温冷冻库 E-60.超低温冻藏库 E-00.高温冷藏库S1—S14. 运输管路 EP、E1、 E2、 E3、E0.热流量

a.支路上低温冷冻库在前，中温冷藏库在后

b.支路上中温冷藏库在前，低温冷冻库在后图3 串并联共同的流程(软件截图 )LNG-100.LNG换热器 PUMP.低温泵 E-18.低温冷冻库E-28.中温冷藏库 E-60.超低温冻藏库 E-00.高温冷藏库S1—S14.运输管路 EP、E1、E2、E6、E0.热流量TEE-100.分流器 VLV-100、 VLV-101.调压阀MIX-100.混流器

根据图2，全部串联的流程实际上是无法实现的，问题有两项：一是蒸发压力不连贯，二是高能低用[11]。根据图3，串并联共同的流程，虽然满足蒸发压力起始端高、末端低的要求，同时也是尽量达到“高能高用、低能低用[11]”要求，且泵耗功量不受低温冷库前后顺序影响，但是，仍出现负压，运行异常。

由于串联形式与串并联形式并不适用该系统，故使用其他冷媒的流程无须再进行模拟。因此，在使用LNG冷能为冷媒换热后将冷量运送至不同温度的低温冷库群时，只有采用全部并联低温冷库的方式，才是最合适的。

③ 经济效益分析

根据前述冷媒比选，此处直接对采用混合冷媒的流程做经济效益分析。

a.计算天然气的火用值

由于是稳态模拟，计算所用的火用公式是建立在稳流系统的基础上，见式(1)[12]：

ex=(h-h0)-T0(s-s0)

(1)

式中ex——天然气的比火用，kJ/kg

h——天然气的比焓，kJ/kg

h0——基准态下天然气的比焓，kJ/kg

T0——基准态下天然气的温度，K

s——天然气的比熵，kJ/(kg·K)

s0——基准态下天然气的比熵，kJ/(kg·K)

根据GB/T 14909—2005《能量系统火用分析技术导则》，此处的基准态为压力为0.1 MPa，温度为298.15 K。由Aspen Hysys软件模拟得到天然气物流参数，再计算得到天然气的比火用。模拟计算得出应用11号、12号、13号冷媒时，天然气比火用分别为1 344.742 kJ/kg、1 441.892 kJ/kg、1 335.272 kJ/kg。

b.计算系统的能效比

系统的能效比计算见式(2)[13]：

(2)

式中β——系统的能效比

Φ1——中温冷藏库蒸发器换热量，kW

Φ2——低温冷冻库蒸发器换热量，kW

Φ3——超低温冻藏库蒸发器换热量，kW

Φ4——高温冷藏库蒸发器换热量，kW

Φ——天然气消耗热负荷，kW

ΦLNG——LNG的输冷量，kW

Ppump——流程中低温泵的输出功率，kW

模拟计算得出应用11号、12号、13号冷媒时，系统能效比分别为2.66、2.86、2.76，使用12号冷媒系统能效比最高。

c.计算系统回收冷能效益

在利用LNG冷能的方案中，往往通过计算单位冷能价格来评估效益，计算方法见式(3)[14]：

C=70.42Ceexp(-0.0217T)

(3)

式中C——单位冷能价格，元/MJ

Ce——工业用电价格，元/MJ，取0.22 元/MJ[13]

T——蒸发温度，K

根据冷库蒸发温度：-28 ℃、-38 ℃、-70 ℃以及-10 ℃，计算得到单位冷能价格分别为0.076、0.094、0.190、0.050 元/MJ。本次设计中，以蒸发器的年工作时间为3 000 h进行计算，计算得出应用11号、12号、13号冷媒时，系统回收冷能获得的年收益相近，分别为955×104元/a、948×104元/a、941×104元/a。