本文介紹了一種適用于中小型單點(diǎn)直供式的液化天然氣站冷能回收裝置的設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例，利用該裝置可以替代空溫、水浴等傳統(tǒng)形式的氣化器，裝置回收的冷能可以供給廠區(qū)工藝?yán)鋬鏊驈S房、辦公樓制冷等用。裝置采用板殼式換熱器兩級(jí)換熱，液化天然氣的冷能由載冷劑帶走，載冷劑再與冷凍水換熱將冷能傳遞給冷凍水，過程中載冷劑通過蒸發(fā)和冷凝過程形成無動(dòng)力的自主循環(huán)。該裝置目前已在多個(gè)項(xiàng)目中得到應(yīng)用，節(jié)能效果顯著。

1概述

液化天然氣(以下簡(jiǎn)稱LNG)是將天然氣經(jīng)脫水、脫酸、去除重?zé)N后降溫液化而成的低溫液體(常壓下飽和溫度約為-162°C)，主要成分為甲烷，在使用時(shí)要經(jīng)過氣化裝置吸熱重新轉(zhuǎn)化為常溫氣體供終端用氣裝置使用。近幾年，隨著我國(guó)大氣污染防治計(jì)劃以及各地煤改氣政策的大力實(shí)施，尤其是LNG與管道天然氣相比在終端用戶側(cè)具有更高的性價(jià)比，單點(diǎn)直供式的LNG在我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。中小型LNG站作為單點(diǎn)直供式LNG的儲(chǔ)存、氣化、調(diào)壓、加臭以及計(jì)量的綜合性能源站，其通常采用空溫式氣化器或水浴式氣化器等裝置將低溫LNG氣化為常溫天然氣，冷量由環(huán)境空氣或高溫?zé)嵩?熱水或循環(huán)水)帶走，浪費(fèi)了大量的冷量，且水浴式氣化器還需要額外消耗一定的熱能維持熱水溫度。針對(duì)該類中小型單點(diǎn)直供式的LNG站，設(shè)計(jì)了一套結(jié)構(gòu)緊湊、換熱高效的冷能回收裝置，回收的冷能可用于廠區(qū)工藝?yán)鋬鏊?、廠房或辦公樓制冷等，最終實(shí)現(xiàn)高效回收冷能、節(jié)約能源的目的。

2冷能分析

      各產(chǎn)地LNG組分不盡相同，因此其單位質(zhì)量可回收的冷量也不同，表1基于LKP方程計(jì)算了LNG中常見的幾種組成其單位質(zhì)量可回收的理論冷量。

      其中，需要說明的是，由于在相同壓力下，氮?dú)夂脱鯕獾呐蔹c(diǎn)溫度要比甲烷低，若考慮LNG儲(chǔ)罐中底層LNG存在過冷現(xiàn)象，則氮?dú)夂脱鯕庥锌赡転橐簯B(tài)儲(chǔ)存于儲(chǔ)罐底部，否則均為氣態(tài)，即全部蒸發(fā)至儲(chǔ)罐氣相部分。在冷能回收計(jì)算時(shí)為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性，氮?dú)夂脱鯕饩挥?jì)算在內(nèi)。

      在具體計(jì)算LNG可回收的冷量時(shí)還需考慮LNG組分中泡點(diǎn)溫度高于甲烷的乙烷、丙烷、異丁烷、正丁烷、異戊烷、正戊烷和二氧化碳從對(duì)應(yīng)壓力下甲烷的泡點(diǎn)溫度至各組分泡點(diǎn)溫度溫升的冷量。表2同樣基于LKP方程計(jì)算了上述各組成在壓力101325Pa下從該壓力下甲烷的泡點(diǎn)溫度(-161.65°C)至0°C時(shí)單位質(zhì)量可回收的理論冷量。

3裝置設(shè)計(jì)

      LNG的冷能利用方式可分為直接利用和間接利用。直接利用方式包括發(fā)電、空分、冷庫(kù)制冷、制干冰等;間接利用方式包括低溫醫(yī)療、低溫粉碎、食品保存等。本裝置屬于冷能直接利用的方式，將回收的冷能主要用于廠區(qū)循環(huán)冷卻水或冷凍水以及廠房空氣調(diào)節(jié)或辦公樓制冷等。本裝置主要由蒸發(fā)器、滿液式換熱器、冷凝器以及相應(yīng)的閥門、儀表等元件組成，工藝流程如圖1所示。

      本裝置設(shè)計(jì)時(shí)為減小對(duì)數(shù)換熱溫差，避免冷凍水或冷卻水直接與LNG換熱時(shí)出現(xiàn)結(jié)冰凍裂換熱器和管道，采用了兩級(jí)換熱，通過載冷劑“中間過渡”，將LNG釋放的低溫冷能傳遞給冷凍水或冷卻水等常溫介質(zhì)。裝置中的蒸發(fā)器和冷凝器采用板殼式換熱器，與傳統(tǒng)的管殼式換熱器相比，其換熱系數(shù)更高，體積更小。該裝置在設(shè)計(jì)時(shí)主要有兩方面的難點(diǎn)需要考慮:一是LNG-載冷劑換熱器與滿液式換熱器的高度差以及載冷劑-冷凍水與滿液式換熱器的高度差，這是裝置形成自主循環(huán)的關(guān)鍵;二是裝置的控制策略，必須嚴(yán)格控制在事故工況時(shí)各關(guān)鍵點(diǎn)壓力和溫度參數(shù)不超過設(shè)計(jì)高限，否則可能會(huì)影響LNG站的安全運(yùn)行。

      該裝置具有如下主要特點(diǎn):

      (1)以載冷劑的蒸發(fā)和冷凝形成的密度差為裝置驅(qū)動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)“無動(dòng)力”運(yùn)行，相當(dāng)于冷量“免費(fèi)”輸出，可為企業(yè)節(jié)省大量的運(yùn)行成本，尤其是常年穩(wěn)定需要冷凍水或循環(huán)水的工業(yè)企業(yè)。

      (2)采用高效的板殼式換熱器，在其中集成了蒸發(fā)段與過熱段，與管殼式換熱器相比具有造價(jià)低、體積小、重量輕等諸多優(yōu)點(diǎn)。

      (3)各元件防爆等級(jí)符合LNG場(chǎng)站設(shè)計(jì)要求，并且具有完善的運(yùn)行和安全保護(hù)連鎖控制，裝置無須日常運(yùn)行人員維護(hù)。

4項(xiàng)目應(yīng)用

      以本裝置在我國(guó)某大型化工生產(chǎn)企業(yè)單點(diǎn)直供式LNG站中的應(yīng)用為例，該場(chǎng)站氣化能力約1070kg/h(1500Nm3/h)，企業(yè)常年需要大量穩(wěn)定的冷凍水(7°C/12°C)和循環(huán)冷卻水(30°C/42°C)?？紤]到循環(huán)冷卻水水質(zhì)條件較冷凍水要差很多，裝置在設(shè)計(jì)時(shí)只考慮由冷凍水帶走全部的冷量。裝置可回收的額定冷量為240kW，冷凍水進(jìn)出口溫度為12°C/7°C，水量為45±5t/h。系統(tǒng)采用“一用一備”的形式，天然氣出口串聯(lián)電加熱復(fù)熱器，保證氣化系統(tǒng)全年穩(wěn)定的運(yùn)行。裝置在該企業(yè)已連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行6個(gè)月，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，回收的冷量約為1036800kWh，若這部分冷量以傳統(tǒng)電制冷來獲取(電制冷機(jī)平均COP按3.5計(jì))，消耗的電量為296229kWh，平均電價(jià)若按0.8元/kWh計(jì)，則相當(dāng)于已經(jīng)節(jié)省費(fèi)用23.70萬元，經(jīng)濟(jì)效益非常顯著。

5結(jié)論

      針對(duì)一般工業(yè)企業(yè)的中小型LNG氣化站使用傳統(tǒng)的空溫、水浴等氣化裝置，冷能無法回收，且若使用水浴氣化器還需要持續(xù)穩(wěn)定提供高溫?zé)嵩吹牟蛔悖O(shè)計(jì)了一套能夠基本實(shí)現(xiàn)“無動(dòng)力”回收冷量的裝置，該裝置能夠?qū)⒒厥盏睦淞恐苯佑傻蜏乩鋬鏊蜓h(huán)冷卻水帶走，且不會(huì)出現(xiàn)冷凍水或冷卻水結(jié)冰而導(dǎo)致?lián)Q熱失效的問題。目前該裝置已成功應(yīng)用于多個(gè)LNG氣化站，節(jié)能效果非常顯著，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)我國(guó)日漸增多的中小型LNG氣化站的直接冷能回收具有重要的意義。