基于LCNG加氣站氣化冷量用于空調制冷的研究

嚴　波，黃豪中，鄒銀政

（1.廣西大學機械工程學院，廣西南寧530004；

2.成都華氣厚普機電設備股份有限公司，四川成都610000）

基于LCNG加氣站氣化冷量用于空調制冷的研究

嚴波1，黃豪中1，鄒銀政2

（1.廣西大學機械工程學院，廣西南寧530004；

2.成都華氣厚普機電設備股份有限公司，四川成都610000）

闡述了LNG的特性及發展前景，分析現有對LNG氣化冷能利用方式，結合LCNG加氣站實際情況，設計一套LCNG加氣站氣化冷量用于空調制冷的設計方案。選取用于一級換熱工質R404A、二級換熱工質50%乙二醇水溶液。并對系統進行模擬計算及分析，得出系統的效率為0.3835.

LCNG加氣站；冷能回收；效率分析

天然氣相比于其他能源更清潔環保［1］，幾乎不含硫、粉塵和其他有害物質。燃燒產生的二氧化碳少于其他的石化能源，當量排放相比于煤的一半，石油燃燒的三分之一。由于天然氣不便于運輸，工業上采用將天然氣液化，冷凝后的液體稱之為LNG.LNG在常壓下為無色、無味、無毒且無腐蝕性的液體，溫度約為-162.0℃，通常LNG在155K左右才開始氣化，供給末端用戶通常需加熱使之氣化為零度以上的氣體，這一過程，會放出大量的冷能，約為 830～860 kJ/kg［2］。若利用這部分冷能使其轉化成電能，每噸LNG當量240 kW·h電能。

LNG冷能利用技術可以分為兩個方向：直接利用和間接利用。直接利用包括冷能發電、深冷空氣分離、冷凍倉庫、制取液態CO2、汽車冷藏、汽車空調、海水淡化、空調制冷等；間接利用包括低溫粉碎、水和污染物處理等。其分布方式如圖1所示［3-6］。

圖1　LNG冷能利用方案

LCNG加氣站經營LNG和CNG兩種不同相態，隨著汽車的混合動力的普及，這種加氣站具有良好的推廣前景。本文針對LCNG加氣站這類LNG氣化量小，且不連續穩定的工況提出一種利用兩級換熱回收LNG氣化冷量用于空調制冷的工藝系統。利用一級相變工質通過LNG換熱器將LNG氣化冷量取出，再通下一級換熱器將取出的冷量轉換到二級工質，再利用末端制冷裝置進行供冷。采用這種工藝，系統簡單，初期投資較小，兩次換熱中利用工質儲罐可以調節LNG氣化不連續工作這一難點，可以使工藝系統持續供冷，具有很高的實用價值。

1　用于兩級換熱的工藝流程

本文提出的兩級換熱工藝包括換熱循環和制冷循環，具體工藝流程如圖2所示。

圖2　兩級換熱系統原理圖

系統的工作原理：-162℃左右的LNG從LNG儲罐出來，經LNG泵升壓后進入LNG蒸發器與工質A換熱，換熱后，經過氣化器加熱到要求的溫度后進入儲氣罐；汽化狀態的工質A，進入LNG換熱器中冷凝成液態，經工質A泵加壓，輸送至冷凝器中與工質B換熱，受熱汽化，然后送入LNG蒸發器，完成換熱循環；工質B流經風機盤管與空氣換熱后進入工質B換熱器，換熱后流回工質B儲液罐，再由工質B泵送入風機盤管，完成供冷循環。其中，當工質B儲液罐中的溫度高于供冷所要求的最高溫度時，閥門b將關閉，a打開，工質B繼續吸收冷量；當工質B儲液罐中的溫度達到供冷要求，則將關閉a，打開b，進行供冷。

2　工質選取

工質的選取對于整個工藝的影響巨大。不同的工質，其熱物理參數差別很大，會影響系統中設備的效率，以及整體LNG冷能回收效率。同時，工質的理化性也會影響系統的穩定性及安全性。因此，對于系統工質，應該考慮以下幾個因素［7］：

（1）環境友好性。本文的出發點就是節能環保，提高能源利用率，所以選取的工質一定屬于環境友好型，工質不破壞臭氧層，循環是溫室效應小。

（2）熱物理化學性與安全性。工質的比熱容和汽化熱大，工質的儲能能力越高，系統中所需的工質流量就越小，這樣會降低系統中泵的功耗。

經研究分析當前對熱門的工質實用，本文選取了R404A作為換熱循環的工質，R404A具有很大優勢，屬于非共沸混合工質，相比于傳統的制冷劑，非共沸混合工質壓比低，工質泵功耗降低，使得系統的制冷能力增大?？紤]本文冷凝器運行溫度較低，制冷循環一般采用凝固點較低的工質，工程上普遍采用乙二醇水溶液。乙二醇易溶于水，乙二醇水溶液的冰點同乙二醇質量分數不成線性關系。具體質量濃度與凝固點關系見圖3.結合本文的工藝設計，選取乙二醇質量濃度百分比為五十的水溶液作為供冷工質。

圖3　乙二醇水溶液的凝固點

3　系統分析

本文利用CFD模擬軟件對系統進行模擬，通過計算，得到最佳計算流量，LNG流量為2 880 kg/hr， R404A流量為8 136.67 kg/hr，工質B的流量為14 400 kg/hr.具體分析見下表。

Ei為工質某一狀態下的；m為工質的質量；T0為環境溫度，本文取28℃；hi為工質在某一狀態下的焓；h0為工質在環境狀態下的焓；si為工質在某一狀態下的熵；s0為工質在環境狀態下的熵。

式中：

圖4　黑箱模型原理圖

式中，ηe為系統效率；

結合圖4中的黑箱模型，上述表達式可變為：

其中：

Ex，sup為輸入系統供給；Ex，br為輸入系統帶入；Ex，eff為輸出系統有效；Ex，ineff為輸出系統的無效；Ex，in為系統內部損。

式中，E1，o為換熱器熱端流出；E1，i為換熱器熱端流入；E2，o為換熱器冷端流出；E2，i為換熱器冷端流入

式中，ηt為熱交換器的熱效率，換熱器的實際換熱量與理論換熱量的比值；ηe，T為溫度效率。

式中，T0為環境溫度；為冷流體平均吸熱溫度；為熱流體平均放熱溫度；ε1為熱流體的損Ir1與EQ1放出的比值；ε2為冷流體的損Ir2與EQ2吸收的比值。

圖5　換熱器分析計算示意圖

根據能量平衡方程有：

換熱為定壓過程：

由此得：

換熱器的完善度ε為：

表1　設備效率計算

表1　設備效率計算

設備　耗費/MJ　收益

4　結論

（2）R404A泵消耗的電能為27.654 MJ，做功26.343 MJ，效率為0.952 5；工質B泵消耗的電能為1.299 MJ，做功1.254 MJ，效率為0.965 4.

5　結束語

我國天然氣利用極為不平衡，天然氣在我國能源中的比重很小。從我國的天然氣發展形勢來看，天然氣資源有限，天然氣產量遠遠小于需求，供需缺口越來越大。盡管還沒有形成規模，但是LNG的特點決定LNG發展非常迅速。隨著本地區LCNG加氣站的不斷增長，LNG氣化冷能利用方式的研究還會不斷地進行。提高能源利用效率將會使冷能回收利用的更具實際效益，具有重要意義。

［1］Pun-Lee Lam.The growth of Japan’s LNG industry：lessons for China and Hong.Kong.Energy Policy［J］.2000，（28）：327-333.

［2］李靜，李志紅，華賁.LNG冷能利用現狀及發展前景［J］.天然氣工業，2005，25（5）：103-105.

［3］王靜玲，馬國光，余洋，等.LNG衛星站冷量利用方案選擇［J］.石油化工應用，2012，31（9）：22-25.

［4］Rosetta，M.，B.Price，L.Himmelberger.Optimize energy consumption for LNG vaporization：Gas processing develop ments［J］.Hydrocarbon processing，2006，85（1）：57-64.

［5］Dharmadhikari，S.Optimize LNG vaporizers［J］.Hydrocarbon processing，2004，83（10）：95-99.

［6］余黎明，江克忠，張磊.我國液化天然氣冷能利用技術綜述［J］.化學工業，2008，26（3）：9-18.

［7］馬利敏.中高溫熱泵工質的理論與實驗研究［D］.天津：天津大學，2006.

Study on Air Conditioning and Refrigeration based on LCNG Filling Station Gasification Cooling Capacity

YAN Bo1，HUANG Hao-zhong1，ZHOU Yin-zheng2
（1.Mechanical Engineering College，Guangxi University，Nanning 530004，China；
2.Chengdu China Gas&Electric Equipment Limited by Share Ltd.，Chengdu Sichuang 610000，China）

The paper expounded the characteristics and development prospects of LNG，analysed existing utilization of LNG cold energy，combining with LCNG refueling station actual situation，designed a system of LCNG refueling station gasification cooling capacity for air conditioner refrigeration.This paper selects R404A as first order heat exchange refrigerant，and chooses 50%ethylene glycol aqueous as second order heat exchange refrigerant.By simulating computation and analysing the system，we concluded that the exergy efficiency of system is 0.3835.

LCNG refuelingstation；cold energy recovery；exergy efficiency analysis

U469

A

1672-545X（2016）07-0056-03

2016-04-15

嚴波（1989-），男，重慶人，碩士研究生，研究方向：能源回收與利用。