LNG汽化過程中冷量回收的研究及優化

林 東 ，王祥保 ，馬芝玉 ，鄧 偉

（1.中國石化銷售有限公司廣西石油分公司，廣西 南寧530021；2.廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧530004）

LNG汽化過程中冷量回收的研究及優化

林 東1，王祥保1，馬芝玉1，鄧 偉2

（1.中國石化銷售有限公司廣西石油分公司，廣西 南寧530021；2.廣西大學 機械工程學院，廣西 南寧530004）

普通LNG汽化工藝流程中LNG直接通入汽化器汽化造成極大浪費，且低溫環境會減少設備的使用壽命。據此設計了一種吸收LNG汽化過程中浪費的冷能的回收裝置，通過兩級冷媒的吸收轉換將LNG的冷量運用于水冷式風機盤管。并對系統進行模擬計算，分析LNG的進口壓力、出口溫度對效率的影響。

LNG汽化；冷能回收；兩級冷媒；炬用效率

LNG在常壓下為無色、無味、無毒且無腐蝕的液體，溫度約為-162℃，然而液化天然氣最終大多是以氣態形式加以利用，這就需要把LNG再次汽化，汽化過程中所創造的低溫環境廣泛的運用到各個領域，通常情況下LNG汽化到零度以上，這一過程放出的冷能大約為830～860 kJ/kg[1]，工業條件常使用空溫式汽化器對LNG作升溫處理，浪費了極大的冷量。因此提供一種能夠吸收LNG汽化過程冷量的系統是本發明的技術背景。

1 系統設計

本文設計了一種LNG汽化過程中的冷量回收系統，如圖1所示。

圖1 系統示意圖

1.1 系統流程

LNG經過法蘭1進入系統，閥門2關閉，4打開，LNG進入換熱器5內與工質A換熱，換熱汽化后的LNG進入到汽化器進一步升溫后進入到收集裝置；1級回路工質A在換熱器5內被冷卻至液態后，流回到低溫儲蓄罐，經泵7加壓后，進入到換熱器6內與2級回路工質B換熱，換熱升溫后的工質A再次進入換熱器5內完成循環；2級回路循環工質B流經換熱器6降溫后，進入到流回儲蓄罐，從儲蓄罐出來的工質B經泵12加壓后送入到風機盤管達到制冷效果。

1.2 工質選擇

2級回路中使用風機盤管達到對室內環境的制冷，所以工質B選擇為水；對于工質A的選取，應考慮其安全性、環境友好性，對于設計的系統，由于換熱器5內溫度較低，制冷循環需采用凝固點較低的環境友好型工質，本文使用了質量分數為25%CaCl2水溶液。

2 效率計算

20世紀80年代，首次提出了炬用傳遞的概念[2]，項新耀[3]建立了炬用傳遞方程，引用“炬用阻”的概念，以熱力學與傳輸原理相結合的方法為基礎，提出了炬用傳遞分析，以揭示傳遞過程中能質的變化規律，本文通過炬用傳遞的概念來分析整個系統的炬用效率。

工質在某一點的炬用可以表示為：

式中：Ei為工質某一狀態下的炬用；m為工質的質量；T0為環境溫度，本文取35℃；hi、h0為工質在某一狀態、環境狀態的比焓值；Si、S0為工質在某一狀態、環境狀態的比熵值。

炬用傳遞過程的由炬用平衡的定義有：

換熱器換熱過程可視為一個炬用傳遞過程，所以換熱器炬用效率等于換熱器換熱過程中收益炬用與換熱過程的輸入炬用的比值。換熱器5炬用效率：

E2，0、E2，i分別為換熱器熱端輸出炬用、輸入炬用，E1，i、E1，0分別為換熱器冷端輸入炬用、輸出炬用。

整個系統的輸入炬用由液氮進入到換熱器5的進出口炬用值的差值 E1，i-E1，0，系統風機盤管功率 W、兩個泵功率P1、P2組成；系統收益炬用為工質B進出水冷式風機盤管的炬用的差值，當系統穩定運行時，等于工質B在換熱器6內獲得的炬用。系統收益炬用：

E3、E4分別為工質B進出換熱器6的炬用值，則系統炬用效率：

3 實驗結果及分析

LNG由高壓鋼瓶儲存，流量為500 kg/h，工質A流量為2 000 kg/h，工質B流量為2 000 kg/h，根據溫度、壓力傳感器測量出的各數據求得對應的炬用值，本文給出了一種計算情況，LNG進出換熱器5的溫度為-162℃、-120℃，壓力不變為1.2 MPa；工質A進出換熱器5的溫度為10℃、-10.3℃，壓力不變為1.5 MPa；工質B進出換熱器6的溫度為25℃、11.8℃，壓力不變為3 MPa，根據以上數據查詢Refprop軟件，再根據公式 1 可求得 E2，0-E2，i=15 484 kJ/h，E1，i-E1，0=146 910 kJ/h，η5=10.54%，此時 E3-E4=6 842.5 kJ/h，η=6 842.5/（146 910+2.2×3 600）=4.4%.

圖2給出了LNG在換熱器5內換熱后的出口溫度的變化對系統炬用效率的影響規律。

圖2 天然氣的出口溫度對換熱器5及系統炬用效率的影響

由圖2可知，隨著天然氣出口溫度的升高，換熱器5及系統的炬用效率升高，這是因為氮氣在5內的進出口溫差增大，造成了換熱器5內的收益炬用及輸入炬用升高，且收益炬用的增速大于輸入炬用的增速，所以換熱器5的炬用效率隨出口溫度升高而增加；此時二級回路溫差小效率高，經過二級回路吸收利用的系統收益炬用（制冷量）的增速大于系統輸入炬用的增速，因此系統的炬用效率隨著溫度的升高而增大。

圖3給出了天然氣進口壓力對系統炬用效率的影響。

圖3 天然氣的進口壓力對換熱器5及系統炬用效率的影響

由圖3可知氮氣進口壓力越大，換熱器5及系統的炬用效率越高。這是由于氮氣進口壓力升高，造成了換熱器5內的收益炬用及輸入炬用降低，且收益炬用降低的速度低于后者，所以換熱器5的炬用效率隨著壓力的升高而增大；此時二級回路溫差小換熱效率高，系統輸入炬用降低的速度大于輸出炬用的速度，所以系統的炬用效率隨著壓力的升高而增大。

4 結論

（1）與LNG換熱的換熱器5的炬用效率最高為20.4%，效率較低，這是由于換熱器5的溫差過大導致的不可逆炬用損失過大。

（2）系統炬用效率最高為9.9%，效率很低，主要是因為換熱器5不可逆損失過大。

（3）提升LNG進口壓力、天然氣在換熱器5內的出口溫度能夠提升換熱器5及系統的炬用效率。

[1]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．

[2]Soma J.Exergy transfer-A new field of energy endeavor[J].EnergyEngineering，1985，82（4）：225-219.

[3]項新耀.炬用傳遞方程及炬用傳遞分析[J].大慶石油學院學報，1998，22（2）：416-418.

Study and Optimization of Cooling Recovery in LNG Vaporization Process

LIN Dong1，WANG Xiang-bao1，MA Zhi-yu1，DENG Wei2
（1.China Petrochemical Sales Co.，Ltd.，Guangxi Petroleum Branch，Nanning Guangxi 530021，China；2.Collegeof Mechanical Engineering，Nanning Guangxi 530004，China）

Ordinary LNG vaporization process directly to the LNG into the vaporizer resulting in a great waste.In this paper，a cold energy recovery device for absorbing LNG vaporization is designed，and the cooling capacity of LNG is applied to the water-cooled fan coil through the absorption conversion of two-stage refrigerant.The influence of inlet pressure and outlet temperature on the efficiency of LNG was analyzed.

LNG vaporization；cold energy recovery；two-stage refrigerant；exergy efficiency

TK01.9

A

1672-545X（2017）10-0146-03

2017-07-02

林 東（1964-），男，廣西博白人，大專，研究方向：LNG冷能回收；馬芝玉（1983-），女，廣西資源人，碩士，研究方向：LNG冷能回收；鄧 偉（1992-），男，湖北神農架人，碩士生，研究方向：LNG冷能回收。