孫 超，樊栓獅，郎雪梅，王燕鴻

（華南理工大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，傳熱強(qiáng)化與過程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510640）

城市實(shí)現(xiàn)管道天然氣供氣后，解決燃?xì)庥脩粼谟脷飧叻寮皺z修改造等非正常狀況下的正常用氣問題，對(duì)于樹立燃?xì)馄髽I(yè)信譽(yù)和城市形象具有重要意義[1]。LNG可大大節(jié)約儲(chǔ)運(yùn)空間，且便于遠(yuǎn)距離輸送，已成為應(yīng)急、調(diào)峰的首選氣源。目前已經(jīng)商業(yè)應(yīng)用的LNG應(yīng)急供氣系統(tǒng)包括城市LNG衛(wèi)星 站[2]、小區(qū)或工商業(yè)用戶的LNG瓶組氣化站[3]以及在其基礎(chǔ)上發(fā)展而來的移動(dòng)式LNG應(yīng)急裝置[4-6]。

移動(dòng)式LNG應(yīng)急裝置是一種可移動(dòng)的天然氣分布式供能系統(tǒng)，相比于固定的LNG衛(wèi)星站和LNG瓶組氣化站，其設(shè)備利用率更高，供氣更為靈活，對(duì)城市燃?xì)鈶?yīng)急保障體系形成了重要補(bǔ)充[7]。LNG應(yīng)急裝置根據(jù)所用主氣化器的不同劃分為明火水浴式和空溫式應(yīng)急裝置。明火水浴式LNG應(yīng)急裝置以部分LNG（約占總氣化量的1.3%～1.6%）高品質(zhì)的燃燒熱作為熱源氣化剩余LNG，供氣量大且穩(wěn)定性好，能夠?qū)崿F(xiàn)不間斷連續(xù)供氣，但由于以天然氣作為燃料，運(yùn)行成本高，且明火燃燒存在安全隱患，對(duì)自控系統(tǒng)和防火系統(tǒng)要求很高，目前設(shè)備依賴于國外進(jìn)口，控制維護(hù)保養(yǎng)成本高[8-9]?？諟厥絃NG應(yīng)急裝置以免費(fèi)的空氣熱能作為主要?dú)饣療嵩?，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)運(yùn)行成本低，但供氣性能受空氣狀態(tài)影響很大，穩(wěn)定性和可控性差，大型化時(shí)設(shè)備體積大，易受公路運(yùn)輸?shù)南拗芠10]。

熱源供熱和LNG用熱的不匹配性使現(xiàn)有應(yīng)急裝置的經(jīng)濟(jì)性、安全性和穩(wěn)定性受到極大限制，尋找一種供熱穩(wěn)定的低成本熱源是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式LNG應(yīng)急供氣裝置大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。移動(dòng)蓄熱技術(shù)已經(jīng)成熟并實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，廣泛用于居民住宅、學(xué)校、醫(yī)院等熱用戶的生活熱水和供暖服務(wù)，但在LNG應(yīng)急供氣領(lǐng)域的應(yīng)用未見報(bào)道[11-13]。為此，本文提出一種新型的移動(dòng)儲(chǔ)熱式LNG應(yīng)急裝置[14]，并對(duì)其進(jìn)行原理介紹、概念設(shè)計(jì)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。

1 基本原理

移動(dòng)儲(chǔ)熱式LNG應(yīng)急裝置的示意圖如圖1 所示，其具有獨(dú)特的LNG儲(chǔ)熱式氣化系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用蓄熱技術(shù)在空閑時(shí)段將豐富的工業(yè)余廢熱等廉價(jià)熱能儲(chǔ)存于蓄熱材料中，應(yīng)急供氣時(shí)將這部分熱能釋放出來用于LNG的氣化，氣化后的氣態(tài)天然氣依次經(jīng)過調(diào)壓、計(jì)量及加臭處理后進(jìn)入應(yīng)急用戶管網(wǎng)以保持該管網(wǎng)持續(xù)、不間斷地燃?xì)夤?yīng)。

移動(dòng)儲(chǔ)熱式LNG應(yīng)急裝置的供氣過程通過電控柜（自帶電源）控制實(shí)現(xiàn)，電控柜通過管路上安裝的溫度傳感器、壓力傳感器、流量計(jì)等反饋的信號(hào)來輸出電信號(hào)智能調(diào)節(jié)儲(chǔ)熱式氣化系統(tǒng)的氣化負(fù)荷以適應(yīng)用戶端的不同用氣需求。

圖1 移動(dòng)儲(chǔ)熱式LNG應(yīng)急裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of MLEU-HSV

2 移動(dòng)儲(chǔ)熱式LNG應(yīng)急裝置的概念設(shè)計(jì)

2.1 總述

2.1.1 裝置供氣規(guī)模

移動(dòng)式LNG應(yīng)急裝置根據(jù)供氣量不同可劃分為小型（小于50 Nm3/h）、中型（50～500 Nm3/h）和大型（大于500 Nm3/h）三種規(guī)格。為了滿足不同用戶的應(yīng)急供氣需求和不同程度的調(diào)峰需求，本工作擬設(shè)計(jì)10 Nm3/h、300 Nm3/h和1000 Nm3/h共三種基準(zhǔn)規(guī)格的移動(dòng)儲(chǔ)熱式LNG應(yīng)急裝置，分別采用LNG鋼瓶（有效容積為0.405 m3）、LNG槽車（有效容積為11 m3）和LNG集裝箱（有效容積為36 m3）作為應(yīng)急氣源。每戶的燃具按照1臺(tái)雙眼灶和1臺(tái)10 L熱水器計(jì)，取居民用戶同時(shí)工作系數(shù)為0.2 ，則用戶理論高峰小時(shí)用氣量為0.15 Nm3/h[15]，三種規(guī)格的移動(dòng)儲(chǔ)熱式LNG應(yīng)急裝置可分別為65戶、2000戶及6500戶的住宅提供臨時(shí)供氣。

2.1.2 蓄熱方式和工質(zhì)的選擇

目前蓄熱技術(shù)主要有顯熱蓄熱、相變蓄熱和熱化學(xué)蓄熱3種方式。選用的蓄熱方式應(yīng)符合移動(dòng)儲(chǔ)熱式LNG應(yīng)急裝置對(duì)供氣穩(wěn)定性和高氣化強(qiáng)度的要求，從各蓄熱方式的特點(diǎn)來看，顯熱蓄熱方式儲(chǔ)能密度低，且在放熱過程中溫度會(huì)發(fā)生連續(xù)變化，熱流不穩(wěn)定；熱化學(xué)蓄熱方式能量?jī)?chǔ)存密度大，儲(chǔ)存過程無熱耗散，但所用設(shè)備投資比較大，工藝較復(fù)雜，目前還處于實(shí)驗(yàn)階段；而相變蓄熱方式能量?jī)?chǔ)存密度較高，能量釋放過程近似等溫，且在移動(dòng)蓄熱領(lǐng)域已有眾多工程運(yùn)用[16-17]，故本工作將其作為主要的蓄熱方式。

相變蓄熱工質(zhì)的選擇受到LNG氣化效果和廉價(jià)熱源可獲得性的雙重約束，蓄熱溫度越高，LNG氣化速度越快，但同時(shí)可選擇的廉價(jià)熱源種類隨之減少，因此需綜合權(quán)衡。在保證LNG氣化效果的同時(shí)，應(yīng)適當(dāng)減小蓄熱工質(zhì)的蓄熱溫度，以擴(kuò)大移動(dòng)儲(chǔ)熱式LNG應(yīng)急裝置對(duì)不同熱源的適用性，綜合來看，蓄熱材料的適宜相變溫度為50～150 ℃。本文選取的相變蓄熱材料（PCM）有兩種，分別為低熔點(diǎn)的八水氫氧化鋇和高熔點(diǎn)的赤藻糖醇，并采用商業(yè)化的DowthermT導(dǎo)熱油作為中間傳熱介質(zhì)，利用導(dǎo)熱油的高傳熱性能強(qiáng)化相變蓄熱材料的換熱，同時(shí)導(dǎo)熱油的低凝固點(diǎn)可有效避免結(jié)冰對(duì)氣化器換熱效率帶來的不利影響。選用蓄熱工質(zhì)的參數(shù)見表1。

表1 選用蓄熱工質(zhì)的參數(shù)[18-19]Table1 Parameters of heat storage materials and transfer oil used in this study[18-19]

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

移動(dòng)儲(chǔ)熱式LNG應(yīng)急裝置包括LNG相變儲(chǔ)熱式氣化系統(tǒng)，調(diào)壓、計(jì)量、加臭系統(tǒng)和安全控制系統(tǒng)。其中調(diào)壓、計(jì)量、加臭系統(tǒng)和安全控制系統(tǒng)在應(yīng)急供氣領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)已經(jīng)非常成熟，本工作不再作討論，重點(diǎn)對(duì)儲(chǔ)熱式氣化系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2所示為本工作設(shè)計(jì)的相變儲(chǔ)熱式LNG氣化系統(tǒng)，由循環(huán)泵、油浴式氣化器和相變蓄熱器組成。循環(huán)泵流量通過控制系統(tǒng)智能控制導(dǎo)熱油的流量以適應(yīng)不同的氣化負(fù)荷，油浴式氣化器選用臥式管殼式換熱器，相變蓄熱器設(shè)計(jì)優(yōu)先采用立式儲(chǔ)罐形式，高徑比取1.2，考慮到公路運(yùn)輸對(duì)裝置高度（2.5 m以內(nèi)）和寬度（2.3 m以內(nèi)）的限制，當(dāng)立式儲(chǔ)罐形式不滿足要求時(shí)，改用長(zhǎng)方箱體式設(shè)計(jì)。相變蓄熱器主要包括相變材料蓄熱單元以及安置在相變材料外部的蓄熱換熱器，蓄熱換熱器和相變材料均浸沒在導(dǎo)熱油中，以保證蓄熱器具備良好的充放熱特性，同時(shí)，相變材料內(nèi)部分布有傳輸通道，減小了液態(tài)導(dǎo)熱油的流通阻力。

圖2 相變儲(chǔ)熱式LNG氣化系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of LNG regasification system with PCM

本工作提出的移動(dòng)儲(chǔ)熱式LNG應(yīng)急裝置的應(yīng)急供氣流程包括儲(chǔ)熱、運(yùn)輸和供氣3個(gè)過程，系統(tǒng)邊界如圖3所示。儲(chǔ)熱過程分為余廢熱與導(dǎo)熱油的換熱、PCM融化蓄熱兩個(gè)子過程，運(yùn)輸過程為應(yīng)急裝置在廉價(jià)熱源生產(chǎn)地點(diǎn)和應(yīng)急供氣地點(diǎn)的行駛過程；氣化過程分為L(zhǎng)NG與導(dǎo)熱油的換熱、PCM凝固放熱兩個(gè)子過程。系統(tǒng)輸入包括余廢熱、LNG、電能和運(yùn)輸燃料等能源，系統(tǒng)輸出為廢氣、未利用的余廢熱排放和氣態(tài)天然氣。

2.3 參數(shù)設(shè)定及計(jì)算

在計(jì)算過程中作出以下假定：① 熱源為鋼廠等制造工業(yè)的200 ℃低溫廢氣，儲(chǔ)熱時(shí)間為5 h，1天累加供氣時(shí)間取10 h，年供氣時(shí)間取300天；② 一次儲(chǔ)熱完成后進(jìn)行多地點(diǎn)應(yīng)急供氣，一天行駛總距離折合60 km，平均行駛速度為30 km/h，柴油價(jià)格為7.2元/L；③ 相變材料及導(dǎo)熱油的重量分別占蓄熱器總重的70%和10%；⑤ 只考慮運(yùn)輸過程中的熱損失，溫度損失取0.5 ℃；⑥ 換熱設(shè)備及膨脹空間所占體積為蓄熱器的15%；⑦ 小型裝置調(diào)壓前設(shè)計(jì)壓力為0.8 MPa，大、中型裝置為1.4 MPa，調(diào)壓后設(shè)計(jì)壓力中壓為0.35 MPa，低壓為0.0025 MPa；⑧ 各物流和蓄熱材料在儲(chǔ)熱、運(yùn)輸和供氣過程中的溫度設(shè)定見表2。

表2 流入和流出各系統(tǒng)的物流溫度設(shè)定Table2 Assumed temperature of in- and out-flowing materials in each system

圖3 應(yīng)急供氣工藝系統(tǒng)邊界Fig.3 System boundary of emergency gas supply process

根據(jù)式(1)～式(5)分別計(jì)算物流焓值H、相變材料的焓值PCMH、系統(tǒng)儲(chǔ)放熱量HΔ及換熱功率Q，并以此作為氣化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)依據(jù)，獲得相變儲(chǔ)熱式LNG氣化系統(tǒng)性能參數(shù)，包括蓄熱器的蓄熱量、儲(chǔ)熱和供氣過程的吸放熱功率、導(dǎo)熱油和PCM用量以及設(shè)備占地面積，詳見表3。

表3 相變儲(chǔ)熱式LNG氣化系統(tǒng)性能參數(shù)Table 3 Parameters of LNG regasification system with PCM

3 技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)

一項(xiàng)工程能被人們所接受必須具備兩個(gè)條件：一是技術(shù)上的可行性；二是經(jīng)濟(jì)上的合理性。本工作以氣化強(qiáng)度和應(yīng)急供氣成本作為技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)移動(dòng)儲(chǔ)熱式LNG應(yīng)急裝置進(jìn)行分析，并與空溫式和明火水浴式進(jìn)行對(duì)比。

3.1 氣化強(qiáng)度分析

氣化強(qiáng)度是指氣化系統(tǒng)每平方米的有效截面積每小時(shí)所氣化的LNG量，是衡量LNG應(yīng)急裝置氣化性能的一個(gè)重要指標(biāo)。結(jié)合各類應(yīng)急供氣裝置氣化系統(tǒng)的氣化量和占地面積得出氣化強(qiáng)度，如圖4所示。由圖4可知，移動(dòng)儲(chǔ)熱式LNG應(yīng)急裝置的氣化強(qiáng)度介于空溫式和明火水浴式之間，采用赤藻糖醇作為蓄熱材料時(shí)比采用八水氫氧化鋇具有更高的氣化強(qiáng)度，由于公路運(yùn)輸對(duì)大型裝置的尺寸存在限制，大氣化量下更宜采用赤藻糖醇作為蓄熱材料。對(duì)比大中型的儲(chǔ)熱式（赤藻糖醇）和明火水浴式應(yīng)急裝置，儲(chǔ)熱式的氣化強(qiáng)度在300 Nm3/h和1000 Nm3/h下分別為明火水浴式的85%和72%，表明儲(chǔ)熱式應(yīng)急裝置具有良好的氣化性能。蓄熱式應(yīng)急供氣裝置的氣化強(qiáng)度最終穩(wěn)定在70 Nm3/(m2·h)，以公路運(yùn)輸限定的車輛長(zhǎng)18 m、寬2.5 m進(jìn)行計(jì)算，其最大供氣量可達(dá)3200 Nm3/h，明火水浴式應(yīng)急裝置的氣化強(qiáng)度隨著氣化量增加而不斷增強(qiáng)，當(dāng)氣化量為6000 Nm3/h時(shí)，其氣化強(qiáng)度可達(dá)320，據(jù)此計(jì)算出其最大應(yīng)急供氣量可達(dá)14400 Nm3/h，是超大氣化量下唯一可選的移動(dòng)供氣技術(shù)。

圖4 不同規(guī)格應(yīng)急供氣裝置的氣化強(qiáng)度Fig.4 Gasification intensity of MLEUs with different scales

3.2 經(jīng)濟(jì)性分析

經(jīng)濟(jì)性是決定移動(dòng)式LNG應(yīng)急裝置能否實(shí)現(xiàn)大規(guī)模運(yùn)用的重要因素，經(jīng)濟(jì)性分析應(yīng)綜合考慮不同方案的投資和運(yùn)行成本，選用應(yīng)急供氣成本最小的方案。投資主要由固定資產(chǎn)投資和流動(dòng)資金兩部分組成，固定資產(chǎn)投資主要包括設(shè)備投資和安裝費(fèi)，運(yùn)行成本包括原材料、燃料、動(dòng)力、工資和福利、修理費(fèi)及攤銷折舊費(fèi)。根據(jù)各類LNG應(yīng)急裝置的性能參數(shù)，結(jié)合制造廠商提供的設(shè)備報(bào)價(jià)和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)估算出各方案的總投資和運(yùn)行成本，詳見表4、表5。

根據(jù)上文的運(yùn)行成本計(jì)算結(jié)果計(jì)算出各類裝置在不同供氣規(guī)模下的應(yīng)急供氣成本，見表6。從表4～表6的結(jié)果可以看出，采用各小型裝置為用戶提供應(yīng)急供氣服務(wù)時(shí)，供氣成本高達(dá)7.5元/Nm3左右，燃?xì)夤咎幱谔潛p狀態(tài)，當(dāng)供氣量在300 Nm3/h以上時(shí)，應(yīng)急供氣成本減小至3元以下，此時(shí)燃?xì)夤究色@得盈利，因此，采用移動(dòng)式LNG應(yīng)急裝置進(jìn)行區(qū)域性的應(yīng)急供氣和調(diào)峰具備經(jīng)濟(jì)可行性。當(dāng)LNG成本價(jià)取2.1 元/Nm3時(shí)，對(duì)比三種類型的LNG應(yīng)急裝置的應(yīng)急供氣成本可以看出，大、中型儲(chǔ)熱式LNG應(yīng)急裝置的應(yīng)急供氣成本與空溫式相當(dāng)，分別為2.23元/Nm3和2.42元/ Nm3，比明火水浴式節(jié)約0.1元/Nm3，相當(dāng)于常規(guī)LNG產(chǎn)業(yè)鏈氣化環(huán)節(jié)成本（0.35元/Nm3）的28.5%[20]。

表4 移動(dòng)儲(chǔ)熱式LNG應(yīng)急裝置不同方案的投資運(yùn)行成本Table 4 The investment and operation cost for different cases of MLEU-HSV

表5 明火水浴式和空溫式LNG應(yīng)急裝置的投資 運(yùn)行成本成本Table 5 The investment and operation cost for MLEU-GFWB and MLEU-AAV

表6 不同LNG應(yīng)急裝置的應(yīng)急供氣成本比較Table 6 The emergency gas supply costs for different MLEU

4 結(jié) 論

移動(dòng)式LNG應(yīng)急裝置是擴(kuò)大應(yīng)急供氣應(yīng)對(duì)范圍和提高設(shè)備利用率的迫切需要。針對(duì)現(xiàn)有裝置熱量供應(yīng)和LNG應(yīng)急氣化用熱的不匹配性，結(jié)合移動(dòng)蓄熱技術(shù)的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，本文提出了移動(dòng)儲(chǔ)熱式LNG應(yīng)急裝置的概念，與空溫式應(yīng)急裝置相比，移動(dòng)儲(chǔ)熱式LNG應(yīng)急裝置的供氣穩(wěn)定性和氣化速率顯著增強(qiáng)，兩者在較大氣化量下的應(yīng)急供氣成本相當(dāng)，比明火水浴式應(yīng)急裝置節(jié)約0.1元/Nm3；另外，與明火水浴式LNG應(yīng)急裝置相比，儲(chǔ)熱式運(yùn)行過程無明火更安全，以導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì)可有效避免結(jié)冰對(duì)氣化器換熱效率帶來的不利影響。移動(dòng)儲(chǔ)熱式LNG應(yīng)急裝置適用于局部地區(qū)管網(wǎng)及流動(dòng)作業(yè)單位的應(yīng)急供氣，氣源補(bǔ)充調(diào)峰，局部管網(wǎng)補(bǔ)壓以及獨(dú)立小區(qū)用戶正常供氣、新用戶的前期供氣服務(wù)，在天然氣應(yīng)急供氣保障體系中有著廣泛的應(yīng)用前景。

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