林 東 文 彬 鄧 偉

〔1 中國(guó)石化廣西石油分公司 廣西南寧 530021；2 廣西大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 廣西南寧 530004〕

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展極大地推動(dòng)了基礎(chǔ)能源的消費(fèi)，同時(shí)也帶來(lái)了許多環(huán)境問(wèn)題，雖然人們針對(duì)日益惡劣的環(huán)境問(wèn)題提出了一系列節(jié)能減排的措施，但世界總體能源需求量仍在持續(xù)攀升。根據(jù) BP 世界能源預(yù)測(cè)，到2035年，全球一次性能源消費(fèi)將會(huì)增長(zhǎng)37 %，化石燃料將滿(mǎn)足三分之二的新增能源需求[1]，為了解決能源消耗日益增長(zhǎng)以及保護(hù)環(huán)境之間的沖突，人們不斷調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，其中煤炭及石油占能源的比重下降，可再生能源和非常規(guī)化石燃料以及天然氣的比重在不斷提高。我國(guó)作為當(dāng)今世界上最大的能源消費(fèi)國(guó)家，能源結(jié)構(gòu)也在經(jīng)歷著舉世矚目的變革，大力發(fā)展天然氣產(chǎn)業(yè)是順應(yīng)改革趨勢(shì),符合市場(chǎng)與環(huán)境需求的合理選擇。黨的十八大以來(lái)，國(guó)家大力推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè),確立了能源革命戰(zhàn)略,將天然氣列為我國(guó)主力能源,并正式發(fā)布了能源生產(chǎn)和消費(fèi)革命戰(zhàn)略(2016—2030年)，明確要求到2030年一次能源結(jié)構(gòu)中天然氣占比達(dá)到15%左右[2]。

天然氣作為低碳、高效的清潔能源，主要運(yùn)用于工業(yè)、交通、發(fā)電等產(chǎn)業(yè)，我國(guó)的天然氣行業(yè)雖然基礎(chǔ)薄弱，但在政府大刀闊斧地進(jìn)行了包括油氣體制改革等一系列改革后[3]，天然氣產(chǎn)業(yè)得以迅速發(fā)展。以天然氣汽車(chē)為例,由于天然氣汽車(chē)在環(huán)保、經(jīng)濟(jì)等方面的優(yōu)勢(shì)[4]，使其在汽車(chē)市場(chǎng)得以迅速發(fā)展,而且隨著液化天然氣技術(shù)的不斷提高，LNG汽車(chē)加氣時(shí)間短、安全性高等優(yōu)勢(shì)也日益突出。目前全國(guó)壓縮天然氣(CNG)汽車(chē)已超過(guò)500萬(wàn)輛,CNG加氣站有6 000座左右[5]。然而氣態(tài)天然氣不便于運(yùn)輸，工業(yè)上將天然氣液化，冷凝后的液體稱(chēng)之為L(zhǎng)NG，相比于傳統(tǒng)的壓縮儲(chǔ)運(yùn)，液態(tài)運(yùn)輸更安全，且LNG的密度是標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下甲烷的625倍，這樣會(huì)提高運(yùn)輸能力[6]。LNG經(jīng)過(guò)槽車(chē)運(yùn)輸?shù)诌_(dá)加氣站后，通過(guò)低溫泵加壓成LCNG后再被加熱汽化成為 CNG 儲(chǔ)存銷(xiāo)售,即新型的LCNG加氣站。這種加氣站具有原料來(lái)源便捷和占地面積小等優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)CNG產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的前景下,LCNG加氣站必然會(huì)成為加氣站的主流發(fā)展方向。在已建成的 LCNG 加氣站中，其加工方式如下：槽車(chē)運(yùn)輸LNG至加氣站儲(chǔ)罐，而后LNG經(jīng)過(guò)低溫泵加壓至 25 MPa成為L(zhǎng)CNG，LCNG通過(guò)汽化器升溫后進(jìn)入CNG 儲(chǔ)罐再銷(xiāo)售給客戶(hù)。由于目前大多數(shù)加氣站采用空溫式汽化器對(duì)LCNG進(jìn)行升溫,該過(guò)程中約有860 kJ/kg的冷能被直接排放到空氣中,造成了巨大的浪費(fèi)。以南寧市新陽(yáng)加氣站每日加氣站汽化量10m3計(jì)算，每天直接浪費(fèi)的冷能就會(huì)有4.15×106kJ，若將這部分冷能進(jìn)行回收利用，可以獲得可觀的經(jīng)濟(jì)效益。目前國(guó)內(nèi)回收利用LNG的主要方式有冷能發(fā)電[7-8]、空氣分離[9]、輕烴分離及

回收[10]、海水淡化[11]等。這些利用方式適用于大型LNG 接收站或衛(wèi)星站,而LCNG加氣站占地較少，汽化量不穩(wěn)定以及成本限制等因素，導(dǎo)致傳統(tǒng)的冷能利用方式并不適用，因此在這些前提下,本文以新陽(yáng)加氣站為例設(shè)計(jì)了一套合理利用 LCNG 加氣站冷能的方案。

1 設(shè)計(jì)方案

該LCNG加氣站冷能回收系統(tǒng)，采用兩級(jí)換熱方式，將LCNG汽化的冷能通過(guò)換熱傳遞給一級(jí)載冷劑，二級(jí)載冷劑再與一級(jí)載冷劑換熱吸收LCNG汽化的冷能，并將所攜帶的冷能通過(guò)二級(jí)循環(huán)回路中的末端設(shè)備為加氣站營(yíng)業(yè)房提供冷能。

1.1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

LCNG設(shè)計(jì)方案中主要考慮三方面問(wèn)題：①LNG每日汽化量與槽車(chē)加注頻率有關(guān)，導(dǎo)致加氣站汽化量不穩(wěn)定，因此設(shè)計(jì)的冷能回收系統(tǒng)必須滿(mǎn)足將LNG冷能吸收并儲(chǔ)存進(jìn)行持續(xù)利用的要求；②新陽(yáng)加氣站占地面積3922m2，其中站點(diǎn)罩棚面積600m2，營(yíng)業(yè)房面積200m2,可供冷能回收設(shè)備利用的面積不多，因此設(shè)計(jì)的冷能回收系統(tǒng)必須盡可能緊湊③LCNG在低溫泵的出口溫度低至-162℃,出口壓力高至25MPa。為防止天然氣泄漏造成危險(xiǎn)，要選用耐低溫高壓的LCNG換熱器。

1.2 流程設(shè)計(jì)

市場(chǎng)上符合LCNG換熱器換熱要求的換熱器有U 型管換熱器[12]和繞管式換熱器[13]。這兩種換熱器由于管道自身的彎曲可以很好地克服壓力和溫度巨大變化產(chǎn)生的形變,但U型管換熱器一般應(yīng)用于大型的換熱系統(tǒng)中，占地面積較大，而本設(shè)計(jì)中加氣站場(chǎng)地有限,因此設(shè)計(jì)中LCNG換熱器采用繞管式換熱器。系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)時(shí)考慮在一級(jí)循環(huán)系統(tǒng)和兩級(jí)循環(huán)系統(tǒng)中選擇，雖然一級(jí)循環(huán)對(duì)吸收LCNG冷能優(yōu)勢(shì)明顯[14]，但是也存在幾點(diǎn)缺陷：①回路中溫度很低，系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于低溫高壓的工作環(huán)境，會(huì)大大損耗設(shè)備壽命，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工藝要求很高；②為達(dá)到一級(jí)循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中儲(chǔ)存冷能的要求，設(shè)計(jì)的冰蓄冷裝置調(diào)試相對(duì)復(fù)雜，而且蓄冰槽本身成本過(guò)高且占地面積大。相比較而言雖然二級(jí)循環(huán)系統(tǒng)管路、設(shè)備多于前者,但是除去蓄冰槽及調(diào)試的成本,兩者的投資相差無(wú)幾,同時(shí)二級(jí)循環(huán)回路中的載冷劑能快速帶走一級(jí)循環(huán)回路中載冷劑所攜帶的冷能并儲(chǔ)存在二級(jí)循環(huán)回路中的冷凍水箱,減小了一級(jí)循環(huán)回路內(nèi)的溫差,大大提升了設(shè)備壽命。因此，本設(shè)計(jì)中采用二級(jí)循環(huán)系統(tǒng)吸收LCNG冷能。兩級(jí)循環(huán)系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖1:

圖1兩級(jí)循環(huán)系統(tǒng)示意

1—LNG儲(chǔ)罐；2—低溫泵；3—液體流量計(jì)；4—CNG儲(chǔ)罐5—LCNG換熱器；6—水浴加熱器；7—低溫儲(chǔ)罐；8—計(jì)量泵；9—管殼式換熱器；10—液體流量計(jì)；11—水浴加熱器；12—冷凍水箱；13—水泵；14—風(fēng)機(jī)盤(pán)管；15—液體流量計(jì)；P01～P05—壓力傳感器；T01～T10溫度傳感器

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

本文使用的Aspen軟件是一個(gè)供生產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬系統(tǒng),根據(jù)設(shè)計(jì)的示意圖1在軟件中模擬流程。儲(chǔ)罐內(nèi)LNG組分見(jiàn)表1。

表1 LNG組分

2.1 載冷劑的選取

對(duì)一、二級(jí)循環(huán)回路中載冷劑進(jìn)行選取，一級(jí)循環(huán)的載冷劑選擇標(biāo)準(zhǔn)是流動(dòng)性和安全性：由于一級(jí)載冷劑與LCNG在換熱器內(nèi)直接換熱，溫度快速下降，而系統(tǒng)設(shè)計(jì)的是便于控制和維護(hù)的開(kāi)式系統(tǒng),原理是利用冷熱流體間的溫差而產(chǎn)生的非相變制冷,因此一級(jí)循環(huán)應(yīng)選擇常壓下冰點(diǎn)很低的載冷劑,同時(shí)還要考慮系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中不可避免的泄漏問(wèn)題,所以載冷劑還應(yīng)滿(mǎn)足低毒性、低可燃性和低腐蝕性，滿(mǎn)足以上條件的載冷劑常見(jiàn)的有氨水、氯化鈣水溶液、乙二醇水溶液等。由于前兩者對(duì)不銹鋼管道腐蝕性大,因此，選擇乙二醇水溶液作為一級(jí)循環(huán)載冷劑,考慮到乙二醇水溶液輕微的腐蝕性,在乙二醇水溶液可加入少量的三乙醇胺防蝕劑。設(shè)計(jì)中一級(jí)循環(huán)的載冷劑采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%乙二醇水溶液, 二級(jí)循環(huán)的載冷劑考慮成本條件，選用水。

2.2 流程參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，列出兩級(jí)循環(huán)回路系統(tǒng)流程參數(shù)要求如下：

(1)設(shè)定LNG在儲(chǔ)罐中的壓力保持在0.12MPa，其對(duì)應(yīng)的飽和溫度為-160℃。南寧市新陽(yáng)加氣站每天的加氣量約6255 m3，LNG加液機(jī)工作設(shè)計(jì)壓力1.6MPa，CNG加氣機(jī)設(shè)計(jì)最大工作壓力25MPa。參照體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/625來(lái)計(jì)算，每日加氣站LNG汽化量為10 m3，實(shí)際情況中LNG 汽化成 CNG 的流量一定是不穩(wěn)定的，白天的流量較大，夜間流量減小甚至停止工作，在本設(shè)計(jì)中作簡(jiǎn)化處理,假設(shè)加氣站連續(xù)工作時(shí)間為10 h，LCNG汽化量為10 m3，因此，加氣站每小時(shí)汽化量為1 m3。

(2)設(shè)置低溫泵的效率為80%，LNG經(jīng)低溫泵加壓至25MPa(LCNG)。

(3)換熱器廠(chǎng)家一般以-10 ℃作為低溫設(shè)備和常溫設(shè)備的分界標(biāo)準(zhǔn)，低溫設(shè)備需要采用耐低溫材料并進(jìn)行低溫測(cè)試，使其價(jià)格遠(yuǎn)高于常溫設(shè)備，綜合考慮設(shè)備成本和換熱效果，將CNG出口溫度設(shè)定在-8 ℃。

(4)一、二級(jí)循環(huán)回路中泵提供的動(dòng)力僅能滿(mǎn)足載冷劑循環(huán)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)；假定一、二級(jí)循環(huán)回路中各換熱器的壓降為20kPa，假設(shè)LCNG在LCNG換熱器內(nèi)換熱壓力損失為50kPa。

(5)參考常水型風(fēng)機(jī)盤(pán)管進(jìn)出口溫差標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)置風(fēng)機(jī)盤(pán)管內(nèi)水的進(jìn)出口溫度分別為7℃、12℃。

(6)模擬采用的物性方程為RSK方程，所有參數(shù)均由Aspen plus計(jì)算得出。表2列出了Aspen plus模擬冷能回收系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)。

表2 Aspen plus模擬冷能回收系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)

3 經(jīng)濟(jì)性分析

本設(shè)計(jì)中新陽(yáng)LCNG加氣站所有的基礎(chǔ)配套設(shè)施齊全，因此在對(duì)冷能回收裝置主要設(shè)備的成本進(jìn)行投資估算時(shí)，統(tǒng)計(jì)的對(duì)象是主要用于冷能回收系統(tǒng)而新增的設(shè)備，包括換熱器、低溫泵、乙二醇工質(zhì)、循環(huán)泵、風(fēng)機(jī)盤(pán)管等。根據(jù)廠(chǎng)家對(duì)比得到設(shè)備報(bào)價(jià)為：換熱器9萬(wàn)元，低溫泵4萬(wàn)元，乙二醇工質(zhì)及循環(huán)泵1萬(wàn)元，其他小型設(shè)備和零件1萬(wàn)元，管道安裝及管道保溫費(fèi)4萬(wàn)，總計(jì)投資19萬(wàn)元。

冷能回收系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用包括電費(fèi)、人工費(fèi)用及維護(hù)成本等，根據(jù)ASPEN 模擬結(jié)果,低溫泵消耗電費(fèi)占比最大每年約為1.7萬(wàn)元,計(jì)量泵及水泵與風(fēng)機(jī)盤(pán)管消耗電費(fèi)每年約為0.1萬(wàn)元, 人工費(fèi)用及維護(hù)成本每年為0.3萬(wàn)元。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)在一級(jí)循環(huán)回路載冷劑中添加了少量緩蝕劑,因此減弱了乙二醇溶液對(duì)載冷劑管道的腐蝕,參照常見(jiàn)乙二醇水溶液水系統(tǒng)使用年限估算,整套設(shè)備的使用年限最低為10年。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的LCNG 冷能回收系統(tǒng)吸收的冷能通過(guò)水冷式風(fēng)機(jī)盤(pán)管為加氣站內(nèi)營(yíng)業(yè)房提供冷能,節(jié)省了常規(guī)加氣站營(yíng)業(yè)房中使用中央空調(diào)系統(tǒng)達(dá)到制冷效果所消耗的電量，可作為設(shè)備投資的成本回收來(lái)計(jì)算。根據(jù) ASPEN的模擬結(jié)果可知,1m3/h的LNG通過(guò)本系統(tǒng)可以獲得62.79kW的制冷量,那么風(fēng)機(jī)盤(pán)管每天可以得到冷量為627.9 kW·h,水冷式風(fēng)機(jī)盤(pán)管制冷系數(shù) COP 為1.8左右,那么冷能回收系統(tǒng)每天實(shí)際節(jié)省的電量為348.8kW·h, 按照夏季供冷每年5個(gè)月供冷時(shí)間，本地電價(jià)為0.9元/度計(jì)算,整套系統(tǒng)每年可以節(jié)約空調(diào)電費(fèi)4.7萬(wàn)元,南寧新陽(yáng)加氣站營(yíng)業(yè)房面積為200m2,按照公共場(chǎng)所每平米250W供冷量、工作時(shí)間8 h計(jì)算,營(yíng)業(yè)房每天需要400 kW·h的冷量,由此可得,冷能回收裝置提供的冷能可以完全替代中央空調(diào)制冷的效果。

參考評(píng)價(jià)工程項(xiàng)目投資的靜態(tài)評(píng)價(jià)方法，對(duì)冷能回收系統(tǒng)的投資及運(yùn)行費(fèi)用與冷能回收系統(tǒng)節(jié)省的電能進(jìn)行比較，求出簡(jiǎn)單投資回收期。

設(shè)投資回收期為n年,列出關(guān)系式如下:

IC+OC×n=n×RC

式中:IC——初始投資19萬(wàn)元;

OC——年運(yùn)行費(fèi)2.1萬(wàn)元;

RC——年電能成本回收4.7萬(wàn)元。

計(jì)算可得,此工程的投資回收期為7.3年,因此運(yùn)用兩級(jí)循環(huán)冷能回收裝置回收LNG的冷能是合理可行的。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的LCNG冷能回收系統(tǒng)，將LCNG 加氣站中LNG 轉(zhuǎn)化為CNG 過(guò)程中釋放的冷能儲(chǔ)存并加以利用，LCNE為加氣站節(jié)約了用冷成本，具有可觀的節(jié)能效益和經(jīng)濟(jì)效益，系統(tǒng)投資回收期為7.3年。