液化天然氣冷能儲存技術(shù)研究

曾樂才, 張 東, 徐建輝, 廖文俊

(1.上海電氣中央研究院，上海 200070;2.同濟(jì)大學(xué)，上海 200092;3.上海電機(jī)學(xué)院，上海 200240)

作為低排放的清潔燃料,液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)是當(dāng)今世界能源供應(yīng)增長最快的能源。根據(jù)國家發(fā)展規(guī)劃,2015年LNG進(jìn)口將達(dá)到42 Mt。研究探索LNG冷能利用關(guān)鍵技術(shù),如冷能儲存技術(shù),將有利于提高LNG利用效率,推動能源資源的循環(huán)綜合利用。

1 液化天然氣冷能利用與儲存

天然氣海外運輸通常需液化,其在常壓下的液化溫度為-163℃,每液化1 t LNG耗電約為850 kW?h。而在LNG接收站,一般又需將LNG通過氣化器氣化后使用,氣化時放出很大的冷量,為830 kJ/kg[1]。通常,在天然氣氣化器中該冷能隨海水和空氣被舍棄了,造成了能源的浪費。若將LNG擁有的冷量以100%的效率轉(zhuǎn)化為電力,則可利用的冷能折合電量約為240 kW?h/t。據(jù)此推算,一座6 Mt/a的LNG接收站,每年可利用的冷能約為1.44 TW?h,以全國每年LNG 42 Mt的進(jìn)口規(guī)模,可利用的冷能約為10 TW?h,由此可見,可供利用的LNG冷能是相當(dāng)可觀的。

LNG冷能可采用直接或間接的方法加以利用。LNG直接利用方法包括冷能發(fā)電、海水淡化、液化分離空氣(液氧、液氮)、輕烴分離、冷凍倉庫、液化碳酸、制干冰、空調(diào)等;間接利用有冷凍食品、低溫粉碎廢棄物處理、凍結(jié)保存、低溫醫(yī)療、食品保存等。全世界LNG冷能利用較多的國家是日本,每年從國外進(jìn)口LNG約55 Mt,約20%的LNG冷能得到利用[2]。

從目前世界上冷能利用情況來看,冷能利用率都比較低,不超過20%。由于LNG主要用于調(diào)峰發(fā)電和城市燃?xì)?LNG的氣化負(fù)荷隨時間和季節(jié)發(fā)生波動。天然氣需求白天和冬季多,LNG氣化所提供的冷能也多。在夜晚和夏季,可以利用的 LNG冷能也隨之減少。以上海為例(如圖1所示),預(yù)計LNG氣化量最高將達(dá)1.04×106m3/h,而最低只有8.5×104m3/h,起伏波動有十幾倍,這給LNG冷能的利用帶來了很大影響;為了保證冷能利用設(shè)備的平穩(wěn)運行,目前只能按最低氣化量來設(shè)計冷能利用規(guī)模,這樣,LNG利用率僅達(dá)15.1%。

圖1 上海LNG使用需求波動示意圖

如果開發(fā)一種冷能儲存技術(shù)與裝備,在高峰時將LNG氣化富余的冷量貯存起來,在低谷時將儲存的冷量釋放出來,或外運到其他所需要的地方,供冷能利用設(shè)備使用,將有利于解決目前冷能供應(yīng)波動性很大等問題,大幅度提高 LNG冷能的利用率。

在液化處理中引入基于相變材料的冷能儲存技術(shù),可提高系統(tǒng)的運行效率,但正戊烷作為LNG冷能深冷儲能介質(zhì),由于導(dǎo)熱性能較差,需要添加復(fù)雜的傳熱結(jié)構(gòu)加以克服,這些缺點都使得該項技術(shù)在應(yīng)用中存在很大的復(fù)雜性和難度,而且其相變溫度單一,適用范圍較窄。

2 液化天然氣冷能儲存相變材料

在低溫相變材料的研究中,通過采用差示掃描量熱儀(Differential Scanning Calorimetric,DSC)試驗方法,通過對處于3個低溫溫度段的10余種低溫相變材料進(jìn)行測試,分別篩選出3種相變材料,該3種相變材料都有較大的相變潛熱值。

(1)相變材料0℃～-50℃

通過對數(shù)種相變材料的測試和分析,初步選擇的相變材料其融化相變溫度峰值為-33.5℃,凝固相變溫度峰值為-46.6℃,相變潛熱為152～157 J/g。

圖2為該相變材料的DSC曲線。

圖20 ℃～-50℃溫度段相變材料DSC曲線

(2)相變材料-50℃～-100℃

在該溫度段通過對數(shù)種相變材料的測試和分析,初步選擇的相變材料其DSC曲線如圖3所示。

圖3 -50℃～-100℃溫度段相變材料DSC曲線

該材料相變潛熱為119～124 J/g。融化相變溫度峰值為-87.2℃,凝固相變溫度為-99.5℃。

(3)相變材料-100℃～-150℃

在該溫度段通過對數(shù)種相變材料的測試和分析,初步選擇的相變材料其DSC曲線如圖4所示。該材料相變潛熱為141～158 J/g,融化相變溫度峰值為-114℃,凝固相變溫度為-142℃。

圖4 -100℃～-150℃溫度段相變材料DSC曲線

3 液化天然氣冷能儲存系統(tǒng)

液化天然氣冷能儲存系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。

圖5 儲能裝置原理圖

系統(tǒng)蓄冷能介質(zhì)采用前文確定的深冷相變材料,并將該相變材料與納米多孔石墨進(jìn)行復(fù)合制成納米多孔石墨基深冷相變復(fù)合材料[3-4]以進(jìn)一步改善綜合性能。二次冷媒作為輸出冷媒采用R410a。R410a是一種新型環(huán)保高效制冷劑,沸點為-52.7℃,汽化潛熱為256.7 kJ/kg,液體比熱(30℃)為1.03 kJ/(kg?K),氣體比熱(30 ℃)為0.85 kJ/(kg?K)。能量交換均通過銅質(zhì)盤管進(jìn)行,銅質(zhì)盤管置入深冷相變儲能介質(zhì)中,一次冷媒與二次冷媒都在銅質(zhì)盤管中流過。

系統(tǒng)儲能時,儲能介質(zhì)從LNG(或一次冷媒)吸收冷能;系統(tǒng)輸出冷能時,系統(tǒng)儲能介質(zhì)向二次冷媒輸出能量。

4 液化天然氣冷能儲存試驗分析

(1)蓄冷試驗

為確保試驗安全,以液氮替代LNG作為冷能輸入源,模擬LNG氣化過程產(chǎn)生的冷能。

蓄冷試驗時間為 289.5 min,儲能介質(zhì)量為354.31 L,液氮釋放總量479 L。測量的系統(tǒng)各處溫度與流量如圖6所示。試驗前儲能介質(zhì)平均溫度5.18℃,蓄冷后達(dá)到-119.63℃。

圖6 蓄冷試驗

對試驗結(jié)果進(jìn)行分析可得:儲能介質(zhì)吸收冷量184MJ,吸冷功率8.67kW,最大蓄冷量51.2kW?h。

(2)冷量釋放試驗

釋冷試驗時間為108.5 min,測量的系統(tǒng)各處溫度如圖 7所示。試驗前儲能介質(zhì)平均溫度為-116.66℃,釋冷后達(dá)到-61.87℃。

對試驗結(jié)果進(jìn)行分析可得:儲能介質(zhì)釋放冷量47 MJ,吸冷功率7.23 kW。

(3)系統(tǒng)散熱(冷)試驗

系統(tǒng)散熱(冷)試驗時間為108.5 min,測量的系統(tǒng)各處溫度如圖8所示。試驗前儲能介質(zhì)平均溫度-28.89℃,散熱后達(dá)到-19.66℃,環(huán)境溫度26.58℃。

圖8 儲能系統(tǒng)科學(xué)散熱(冷)試驗

對試驗結(jié)果進(jìn)行分析可得:儲能介質(zhì)散失冷量7.9 MJ,散熱(冷)功率0.18 kW。儲能箱散熱系數(shù)3.99 J/(℃?s)。

假定系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)與環(huán)境溫差 180℃,儲能50 kW?h,可保溫71.4 h。

4 結(jié) 語

本課題研制的儲能系統(tǒng)具有較大的蓄冷容量,試驗達(dá)到的最大蓄冷量為51.2 kW?h;系統(tǒng)能較快地吸收與輸出冷能,冷能吸收與輸出功率分別為8.67 kW,7.225 kW;儲能箱保溫情況良好,儲能箱散熱系數(shù)3.99 J/(℃?s)。研究與實驗表明:本課題開發(fā)的液化天然氣冷能儲存技術(shù)是可行的。

[1]顧安忠.液化天然氣技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003,3-7.

[2]王 坤,顧安忠.LNG冷能利用技術(shù)及經(jīng)濟(jì)分析[J].天然氣工業(yè),2004,24(7):122-125.

[3]張 東.復(fù)合相變材料研究進(jìn)展[J].功能材料,2007,38(12):1936-1940.

[4]張 東.多孔石墨基相變儲能復(fù)合材料及其制備方法:中國,ZL200410052870.X[P].2007-01-10[2010-04-25].