LNG冷能用于民用商业设施的设计技术研究

2024-01-03徐国峰郭振国

山东化工 2023年21期

徐国峰,郭振国

(中海油石化工程有限公司,山东济南 250101)

天然气以其广泛的用途和清洁燃烧特性,成为大家普遍认可的清洁能源。天然气开采后需净化处理,经过压缩、冷却至-161.5 ℃以下液化后,利用LNG(液化天然气)船运送至目的地的LNG接收站,储存在接收站低温储存罐内。LNG使用时,需要重新气化成NG(天然气),经过压力调节后进入天然气长输管线。在LNG气化过程中,约能产生870 kJ/kg的低温能量[1-5]。LNG气化的传统方法是直接通过开架气化器加热气化,大量冷能未被利用而被海水带走,造成极大的能源浪费。目前,LNG冷能利用的方向主要集中在工业领域,如冷能空分、冷能发电和冷能胶粉等,存在冷能利用率不高、利用方向受限制等问题[6-10]。某项目拟在LNG接收站附近建设冰雪运动场馆和冷库设施,将LNG蕴藏的巨大冷能用于冰雪运动场馆的制冰制雪、冷库制冷,不仅能够节省巨大的电能,还能降低对海水的低温污染及自身的消耗,有助于冷能利用方向的扩展。LNG冷能用于民用商业设施的难点,在于冰雪运动场馆或冷库用户的用冷负荷变化频繁且变化范围大,对上游接收站供应LNG的需求波动较大,而上游接收站受外输用气限制,要求尽量平稳运行。为此,对LNG冷能用于民用商业设施的设计技术进行了研究。

1 LNG冷能用于民用商业设施的工艺技术方案

1.1 装置规模及组成

1.1.1 民用商业设施用冷规模

某项目本次建设的民用商业设施包括冰雪运动场馆和冷库。冰雪运动场馆包括滑冰馆、滑雪馆、冰上演艺中心、体育接待中心、酒店等设施;冷库则包括低温冷库和深冷冷库。各用户用冷需求规模见表1。

表1 民用商业设施用冷规模

1.1.2 装置组成

LNG虽然具有巨大的冷量,但其气化后的天然气是一种无色、无味、易燃易爆且比空气轻的气体,其在空气中的爆炸极限为体积分数5%～15.8%,当其泄漏到操作环境中时,不但存在易燃易爆风险且有窒息危害,不适合直接给民用商业设施直接供冷,需要采用中间冷媒来实现,从而避免易燃易爆的风险。

本设计的核心是在LNG接收站和下游民用冷能用户间设置换冷站,实现将LNG携带的低温冷能传递给下游冷能用户。自LNG接收站来的LNG,经管线输送至换冷站,LNG经冷媒加热汽化成天然气,经复热至>1 ℃后,再经管线输送返回至接收站;自下游冷能用户返回的冷媒(热)经长输管线进入换冷站,吸收LNG冷量使自身温度降低,降温后的冷媒(冷)经长输管线送至下游各冷能用户。换冷站主要单元组成见图1。

图1 换冷站主要单元组成

换冷站装置由总体管网、LNG-CO2系统、LNG-氟利昂系统、LNG-乙二醇水溶液系统、乙二醇储存系统、接收站管网等组成。

1.1.3 工艺方案说明

1.1.3.1 冰雪运动场馆LNG冷能供应工艺方案

根据冰雪运动场馆用冷负荷的变化特点,利用LNG与乙二醇水溶液换冷工艺,满足冰雪运动场馆的制冷需求。其主要工艺方案如下:

根据各冷能用户的制冷温度需求,冰雪运动场馆采用49%乙二醇水溶液作为冷媒。在LNG-乙二醇水溶液换热器内,乙二醇水溶液与来自LNG接收站的LNG换热后,作为一次冷媒经长输管道输送到下游冰雪运动场馆的板式换热器中,与用于冰雪运动场馆制冷的二次冷媒进行换热,乙二醇水溶液出口温度控制在-21～-27 ℃。板式换热器通过一次冷媒供应侧的三通阀流量控制二次冷媒的出口温度。一次冷媒在冰雪运动场馆换热器中分别进入制冰制雪板式换热器和场馆空调用板式换热器,出口温度分别为-14～-16 ℃和-6～-8 ℃,乙二醇水溶液按照上述两个温度区间阶梯利用后返回LNG-乙二醇水溶液换热器。

1.1.3.2 冷库LNG冷能供应工艺方案

本项目冷库包括低温冷库和深冷冷库,根据不同的库温采用不同的载冷剂进行制冷。低温冷库的冷间温度控制在-22 ℃,选择R744(CO2)作为载冷剂;深冷冷库的冷间温度控制在-55 ℃,选择R23(氟利昂)作为载冷剂。其主要工艺方案如下:

低温冷库和深冷冷库分别设置LNG-CO2换热器、LNG-氟利昂换热器。将来自LNG接收站的LNG分成二股,一股通过LNG-氟利昂换热器直接换冷,换冷后的氟利昂介质作为冷源为深冷冷库制冷,氟利昂按照液相形态、温度-60 ℃输送至冷库;一股通过LNG-CO2换热器间接换冷,换冷后的CO2介质作为冷源为低温冷库制冷,CO2按照液相形态、温度-29 ℃输送至冷库。与冷库通过风机换冷后,作为载冷剂的氟利昂和CO2分别以气相形态返回对应换热器循环制冷。

1.1.3.3 LNG气化返回工艺方案

来自LNG接收站的液化天然气(工艺设计点7.5 MPa,-145 ℃)经不同换热器气化,经过空温复热器升温,满足接收站NG管网要求的温度(>3 ℃)后送回接收站NG系统。考虑出各换热器的NG温度不同(LNG-CO2换热器出口NG温度约-35 ℃、LNG-氟利昂换热器出口NG温度约-65 ℃、LNG-乙二醇换热器出口NG温度约-15 ℃),且考虑材质、成本问题,换热器出口NG分为两股分别进入两路空气复热器(NG空温复热器和低温NG空温复热器)。考虑的冬季环境温度偏低,空气复热器出口不能满足NG管网要求温度,设置两台水浴式电加热器备用。

1.2 关键设计问题解决

1.2.1 冰雪运动场馆LNG冷能供应控制方案

1.2.1.1 冰雪运动场馆用冷负荷变化规律

冰雪运动场馆包括滑冰馆、滑雪馆等设施,正常运行情况下需要制冰、制雪及空调制冷,其随季节变化导致的用冷负荷工况变化见表2。

表2 冰雪运动场馆不同工况下用冷负荷

即使在同一天内,冰雪运动场馆的用冷负荷受外界气温、客流量等影响变化频繁,冰雪运动场馆典型的日用冷负荷变化系数见表3。

表3 冰雪运动场馆典型日用冷负荷变化系数

从表2、3中可以看出,冰雪运动场馆用冷负荷的特点是季节变化幅度大,单日用冷负荷变化频繁。基于上述特点,按照常规的控制方案会导致接收站所供LNG流量的频繁变化,对接收站的日常运行带来不便并造成极大的生产安全隐患。

1.2.1.2 冰雪运动场馆LNG冷能供应控制方案

冰雪运动场馆冷负荷在不同时间都会有着较大变化,且变化频率快、用冷工况复杂,势必造成LNG-乙二醇水溶液换冷系统操作弹性大,操作不稳定。而上游LNG接收站作为重要的民生设施,必须保证其运行的平稳性。为了解决这个看似不可调和的矛盾,保证LNG接收站运行的平稳性,尽量减少上游LNG的调节频次,本工艺引入“蓄冷”的概念,通过乙二醇水溶液地下管道的管道容积和温度变化对LNG冷能进行储存。接收站提供的LNG的冷量大于下游用户消耗量时,把下游消耗不了的冷量在乙二醇系统内储存起来,下游用户用冷负荷增大甚至超过LNG接收站供应冷量时,可以利用乙二醇系统内储存的冷量。

在一定时期内,稳定LNG在LNG-乙二醇水溶液换热器进出口的温度和流量以及乙二醇的流量,通过乙二醇水溶液的出口温度变化进行冷能储存,同时保证乙二醇水溶液出口供水温度保持在-21～-27 ℃。通过乙二醇水溶液在-21～-27 ℃温度的变化达到在一定时期内稳定的LNG流量与下游商业设施负荷频繁变化的情况,即通过乙二醇水溶液出口供水温度在-21～-27 ℃的变化(6 ℃温差)进行储存冷能的方式解决上下游负荷不匹配的矛盾。

如果乙二醇水溶液出口温度在-21～-27 ℃之外,则通过增减乙二醇水溶液输送泵和LNG-乙二醇水溶液换热器运行数量从而改变乙二醇水溶液的流量,同时保持LNG-乙二醇水溶液换热器LNG进出口温度不变,使得乙二醇水溶液出口温度保持在-21～-27 ℃以内。调整后换热器台数对应的LNG的流量通过公式(1)确定。

QLNG=(T回水-T供水)•Q乙二醇•C/(HLNG出-HLNG进)

(1)

式中:QLNG——LNG流量;

T回水——LNG-乙二醇水溶液换热器进口处乙二醇水溶液回水温度;

T供水——LNG-乙二醇水溶液换热器出口处乙二醇水溶液供水温度;

Q乙二醇——乙二醇水溶液流量;

C——乙二醇水溶液质量热熔;

HLNG出——LNG-乙二醇水溶液换热器出口处LNG的焓值;

HLNG进——LNG-乙二醇水溶液换热器进口处LNG的焓值。

乙二醇水溶液供回水管线每隔500 m设贴面温度计,检测沿程温度。下游冰雪运动场馆负荷变化导致乙二醇水溶液回水温度变化,在确定的QLNG、T回水、Q乙二醇、C、HLNG出、HLNG进下通过公式(1)预测下一时段的T供水,如果T供水在-21～-27 ℃之外则通过增减LNG-乙二醇水溶液换热器运行数量从而改变乙二醇水溶液的流量,同时对应调整LNG流量,使得T供水调整回归到-21～-27 ℃区间运行。

1.2.2 关键换热设备的设计和选型

1.2.2.1 LNG-乙二醇换热器

LNG-乙二醇换热器是本项目换冷站系统中的核心设备,其在满足下游冰雪小镇换冷需求的前提下,对于设备可靠性、稳定性及适应性均有更高的要求,保障设备本身及其系统能够长周期无故障安全运行。设计、选型时重点考虑以下因素:

1)工艺介质:冷侧-LNG,热侧-49%乙二醇水溶液(向下游冰雪小镇供冷介质);

2)下游冰雪小镇用冷负荷存在较大波动,操作工况苛刻,LNG-乙二醇换热器需满足夏季最大需冷负荷,并同时在运行过程中尽可能减少对上游LNG接收站的波动;

3)LNG与乙二醇溶液换热温差较大,直接换热壁面温度低,避免出现乙二醇水溶液冰堵故障。

根据工艺计算并参照LNG气化领域行业经验,选用液化天然气(LNG)中间介质气化器(IFV);根据换热温差特点,选用丙烷作为中间介质。

1.2.2.2 LNG-CO2换热器

LNG-CO2换热器是满足冷库用冷需求的主要设备之一,设计、选型时重点考虑:

1) 设备满足负荷波动工况的影响,满足夏季最大负荷下的供冷能力;

2) 避免二氧化碳侧流体与低温LNG换热时结冰堵塞。

参照LNG-乙二醇换热器,选型IFV型式汽化器,丙烷为中间介质。

1.2.2.3 LNG-氟利昂换热器

LNG-氟利昂换热器是满足冷库用冷需求的主要设备之一,其下游用冷量稍小,根据氟利昂的性质,选用U形管式管壳式换热器。

1.2.2.4 NG复热系统设备

由LNG换热器出口的低温NG气体达不到接收站要求的气体温度,需经过升温后输送至LNG接收站。因此,根据NG气体特点选用空气复热式NG加热器,利用空气对低温NG气体进行升温、换热,节能降耗。由于下游用户用冷负荷波动较大,充分考虑LNG换热器出口NG气体温度及空温复热器的升温负荷,在空气复热式加热器下游设有水浴式电加热器,当空温复热器出口温度不能满足外输需求时启用水浴式电加热器,减少本换冷系统对LNG接收站的影响。