利用液化天然氣余冷與氨供冷的低溫制冷系統性能對比

寧靜紅 王潤霞 劉華陽 賈永勤

(天津商業大學天津市制冷技術重點實驗室，天津 300134)

目前，國內外冷庫制冷系統所用制冷劑主要分為人工合成工質和自然工質[1]。對于人工合成工質的研究方向主要集中在混合工質上，Mostafa等[2]比較了R404a和R-454C在不同冷庫熱負荷和冷卻水溫度下的冷卻能力和能耗；趙海波等[3]對用于冷庫的R1270、R134a制冷劑的熱物性參數、熱力循環性能、最小惰化體積濃度進行計算分析，并與現有冷庫制冷劑進行對比；對于自然工質的研究有：Choudhari等[4]對以R290和R22為制冷劑，蒸發溫度范圍為10～25 ℃，冷凝溫度為45 ℃的標準蒸氣壓縮循環進行分析計算，比較兩種不同制冷劑下系統的熱力學性能；張建一等[5]通過調查發現，在制冷劑發展動向中，國內外大中型冷庫采用氨、CO2作為制冷劑仍是主流；然而，人工合成工質擴散到大氣中的氯氟烴類會加劇臭氧的損耗及全球變暖，進而對生態環境造成不良影響。因此，將自然工質應用于制冷系統是一項長期可行的選擇。其中，氨作為自然工質因綠色環保、價格低廉、單位容積制冷量大等優點而被廣泛應用[6]。但傳統氨蒸氣壓縮制冷系統耗電量較大，間接對環境產生較大影響。

液化天然氣(LNG)作為自然工質，能量品質極高，且高效、清潔、易儲[7]，而其在汽化過程中釋放的大量冷能被浪費。研究擬提出一種利用LNG余冷的低溫制冷系統，并建立LNG低溫制冷系統模型，通過改變乙二醇質量分數、冷間溫度和系統制冷量等參數，并與氨低溫制冷系統進行熱力性和經濟性對比，以期獲得性能更優的低溫制冷系統。

1 模型建立

1.1 系統概述

LNG低溫制冷系統分別以LNG和載冷劑為工作流體，圖1和圖2分別為該系統的工作原理圖和相應的P—h圖。

如圖1所示：從LNG儲蓄罐A輸出的LNG，由泵B升壓經流量控制閥C流入蓄冷池D與載冷劑換熱，完成汽化。升溫汽化后的LNG可供用戶使用。載冷劑在蓄冷池D放熱溫度降低，隨后進入冷庫E中的冷卻空氣換熱器F完成制冷，并通過泵G、流量控制閥H返回蓄冷池完成循環。

A. LNG儲蓄罐 B. 泵 C. 流量控制閥 D. 蓄冷池 E. 冷庫 F. 冷卻空氣換熱器 G. 泵 H. 流量控制閥

利用LNG余冷的低溫制冷系統壓焓圖如圖2所示，其中，1→2為LNG在泵內的升壓過程，2→3為LNG在流量控制閥的等焓降壓過程，3→4為LNG在蓄冷器內等壓吸熱過程，5→6為載冷劑在冷卻空氣換熱器中的等壓吸熱過程，6→7為載冷劑在泵內的升壓過程，7→8為載冷劑通過流量控制閥的等焓降壓過程，8→5為載冷劑在蓄冷器內的等壓放熱過程。

圖2 利用LNG冷能的低溫制冷系統壓焓圖

using LNG wasted cold

為獲取較低的冷間溫度，氨低溫制冷系統采用一級節流中間完全冷卻系統。以氨為制冷劑的一級節流中間完全冷卻系統模型與壓焓圖參考文獻[8]77。

1.2 LNG制冷系統載冷劑選擇

乙二醇凝固點低，性質穩定且熱容量大[9]，因此，選擇乙二醇作為LNG制冷系統的載冷劑。目前，質量分數為52%，60%，80%的乙二醇水溶液是最為常用的載冷劑，其物理性質如表1所示[10]。

表1 不同質量分數乙二醇水溶液的物理性質

1.3 系統假設

(1) LNG由純甲烷組成。

(2) 忽略時間、地點對系統的影響，系統循環為穩態過程。

(3) 忽略換熱管與環境之間的熱交換以及乙二醇的黏度影響。

(4) 以氨為制冷劑的一級節流中間完全冷卻循環系統為理論循環。

2 數學模型

在上述系統模型和假設的基礎上，從熱力學和經濟學角度分析，建立LNG低溫制冷系統數學模型。

2.1 能量分析

2.1.1 工質泵1 工質泵1的功耗為：

Wp1=mLNG×(h2-h1)，

(1)

式中：

Wp1——工質泵1的功耗，kW；

mLNG——LNG的質量流量，kg/s；

h1、h2——LNG在狀態點1和2的焓值，kJ/kg。

2.1.2 工質泵2 工質泵2的功耗為[11]：

(2)

式中：

Wp2——工質泵2的功耗，kW；

mEG——乙二醇的質量流量，kg/s；

g——重力加速度，m/s2；

ρ——乙二醇密度，kg/m3；

ηp——泵的等熵效率，%；

H——泵2的揚程，m。

2.1.3 流量控制閥 假定LNG和乙二醇流經控制閥的壓降過程均為等焓過程，即：

h2=h3，

(3)

h7=h8，

(4)

式中：

h2、h3——LNG在狀態點2、3的焓值，kJ/kg；

h7、h8——乙二醇在狀態點7、8的焓值，kJ/kg。

2.1.4 冷卻空氣換熱器 冷卻空氣換熱器的換熱量為乙二醇在冷庫內的制冷量：

Q=mEG(h6-h5)，

(5)

式中：

Q——冷卻空氣換熱器的換熱量，kW；

h5、h6——乙二醇在狀態點5、6的焓值，kJ/kg。

2.1.5 蓄冷器 根據能量守恒原理，LNG在蓄冷器內的吸熱量等于乙二醇在冷庫內的制冷量和泵2的功耗[12]，如式(6)所示。

Qx=mLNG×(h4-h3)=Q+Wp2，

(6)

式中：

Qx——蓄冷器吸熱量，kW；

h4——LNG在狀態點4的焓值，kJ/kg。

2.1.6 系統性能系數 系統的性能系數按式(7)計算：

(7)

式中：

COP,LNG——系統性能系數。

氨一級節流中間完全冷卻循環相關計算詳見文獻[8]81-83。

2.2 經濟性分析

LNG低溫制冷系統的總投資費用Ctotal1[13]包括設備投資費用、工質投資費用、環境費用以及運行成本，如式(8) 所示。

Ctotal1=CLNG,inv+CLNG,f+CLNG,env+CLNG,0，

(8)

式中：

Ctotal1——LNG低溫制冷系統的總投資費用，元；

CLNG，inv——LNG低溫制冷系統的設備投資費用，元；

CLNG，f——LNG低溫制冷系統的工質投資費用，元；

CLNG，env——LNG低溫制冷系統的環境費用，元；

CLNG，0——LNG低溫制冷系統的運行成本，元。

氨低溫制冷系統總投資費用Ctotal2包括設備投資費用、工質投資費用、運行成本，如式(9)所示。

Ctotal2=Cammion,inv+Cammion,f+Cammion,0，

(9)

式中：

Ctotal2——氨低溫制冷系統總投資費，元；

Cammion，inv——氨低溫制冷系統的設備投資費用，元；

Cammion，f——氨低溫制冷系統的工質投資費用，元；

Cammion，0——氨低溫制冷系統的運行成本，元。

其中設備投資費用為：

Cinv=ΣnCn，

(10)

式中：

Cinv——設備投資費用，元；

Cn——LNG低溫制冷系統和氨低溫制冷系統各設備的投資費用，元。

兩低溫制冷系統的設備投資費用分別列于表2和表3。

表2 LNG低溫制冷系統設備投資費用方程?[14-16]

表3 氨低溫制冷系統設備投資費用方程?[17-18]

環境投資費用的具體計算[18-19]：

CCO2=mCO2×CCO2penalty/1 000，

(11)

mCO2=t×Wp×Fac，CO2/1 000，

(12)

式中：

CCO2——環境投資費用，元；

CCO2penalty——CO2生產的懲罰成本，假設為580元/t；

mCO2——一年內系統產生的CO2，kg；

t——一年內系統運行的時間，h；

Fac,CO2——污染物因素，設置為46.62 g/(kW·h)；

Wp——系統的耗功，kW。

工質投資費用[14]：

Cf=3 600×mf×cf，

(13)

式中：

Cf——工質投資費用，元；

mf——工質的質量流量，kg/s；

cf——工質成本，元。

根據目前中國LNG、乙二醇以及氨的交易價格，設置工質成本分別為3.29，7.86，3.16元/kg。

年度運行和維護成本費用：

C0=aCinv，

(14)

式中：

C0——年度運行和維護成本費用，元；

Cinv——系統設備投資費用，元；

a——系統部件運行和維護成本比，取0.06。

3 運行結果分析與討論

LNG低溫制冷系統熱力參數如表4所示。

表4 LNG低溫制冷系統熱力參數[20-23]

3.1 乙二醇質量分數對LNG低溫制冷系統性能的影響

通過計算，不同乙二醇質量分數下LNG低溫制冷系統的熱力學性能參數對比如表5所示。可以看出，乙二醇質量流量不變，隨著乙二醇質量分數增加，LNG質量流量、蓄冷量和功耗均增加，而制冷系統性能系數(COP)減小。這是由于在相同的基本參數下，冷卻空氣換熱器的乙二醇進出口溫度及壓力不隨乙二醇質量分數而改變，因此5點和6點乙二醇的焓差一定，乙二醇質量流量一定。乙二醇的密度隨其質量分數的增加而增加，則泵2功耗及蓄冷量均增加。在3和4兩點溫度和壓力一定的情況下，當蓄冷量增加時，LNG質量流量隨之增加，進而使得泵1功耗更大。在功耗及蓄冷量的綜合影響下，系統COP隨乙二醇質量分數的升高而降低。明顯的，乙二醇質量分數越大需要的工質投資越大，進而增加了經濟費用。因此，系統以52%乙二醇水溶液作為載冷劑。

表5 不同質量分數乙二醇下LNG低溫制冷系統性能參數對比

3.2 冷間溫度對兩低溫制冷系統性能的影響

冷間溫度因存儲貨物種類的不同而改變，進而影響系統的熱經濟性能，如圖3～圖5所示。當冷間供冷溫度升高時，兩系統的工質質量流量、功耗和投資費用均降低，系統的COP升高。且就系統COP來說，LNG低溫制冷系統大于氨低溫制冷系統。

圖3 冷間溫度對系統工質質量流量的影響

圖4 冷間溫度對系統泵功耗的影響

圖5 冷間溫度對系統COP的影響

對于LNG低溫制冷系統，冷間溫度升高，乙二醇在空氣冷卻換熱器進出口焓差增加，導致其質量流量及泵2功耗降低使得蓄冷量降低，同時LNG在蓄冷器進出口焓差不變的條件下，其質量流量及泵1功耗降低，COP升高。對于氨低溫制冷系統，隨著冷間溫度升高，相應的蒸發溫度升高，在制冷量不變的情況下，氨質量流量隨之減小。另外，蒸發溫度提高導致蒸發壓力提高，壓縮機壓縮比降低，因此壓縮機功耗減小，COP增加。

同時根據計算，隨著冷間溫度的升高，LNG低溫制冷系統中除冷卻空氣換熱器投資費用增加其他項投資費用均減少，并且在氨低溫制冷系統中除壓縮機和膨脹閥費用降低其他費用均增加，由于壓縮機投資費用約占總投資費用的77.08%，所以整體費用呈下降趨勢。如圖6所示，相比之下，LNG低溫制冷系統的總投資費用遠低于氨低溫制冷系統，充分表明LNG低溫制冷系統結構簡單，減少了傳統電驅動冷庫中的壓縮機、冷凝器等設備，極大地節省了投資費用，充分利用LNG汽化過程的冷能，可以節約能源、保護環境。實際應用中，在滿足貯存食品冷藏保鮮需求條件下，冷間溫度盡可能提高。

圖6 冷間溫度對系統投資費用的影響

3.3 制冷量對兩低溫制冷系統性能的影響

當制冷量變化范圍為5～30 kW，如圖7～圖9所示，隨著制冷量的增大，工質質量流量和功耗均升高，而氨低溫制冷系統COP不變，LNG低溫制冷系統COP增加，且制冷量在5～20 kW時氨低溫制冷系統COP高于LNG低溫制冷系統，而在20～30 kW時相反。這是因為當制冷量增加時，需要乙二醇向冷間內提供的冷量增加，同時蓄冷器需要的冷量增加，則乙二醇和LNG質量流量隨之增加。LNG低溫制冷系統功耗由5.81 kW增加至7.92 kW，提升幅度明顯低于制冷量，則COP呈升高趨勢。同樣，氨低溫制冷系統質量流量和功耗變化原理如上。而氨系統制冷量的改變沒有引起各點焓值變化，因此COP不變。

圖7 冷庫制冷量對系統工質質量流量的影響

圖8 冷庫制冷量對系統泵功耗的影響

圖9 冷庫制冷量對系統COP的影響

圖10為兩低溫制冷系統總投資費用估算的對比。LNG低溫制冷系統的總投資費用為90 814～143 393元，而氨低溫制冷系統總投資費用則為181 075～659 369元。隨著制冷量的升高，各工質質量流量增大，兩個系統的設備投資費用以及運行維護費用均增加，使得兩系統總投資費用增加，并且LNG低溫制冷系統總投資費用仍遠低于氨低溫制冷系統。隨著制冷量的提高，LNG低溫制冷系統比氨低溫制冷系統要節省1～3倍的投資費用，因此LNG低溫制冷系統大大提高了制冷系統的經濟性能，更具有實際意義。

圖10 冷庫制冷量對系統投資費用的影響

4 結論

(1) 當液化天然氣低溫制冷系統冷間溫度為-25 ℃，制冷量為30 kW時，隨著乙二醇質量分數增加，乙二醇質量流量不變，液化天然氣質量流量由0.051 3 kg/s增加到0.052 2 kg/s，對應蓄冷量增加0.02，0.04 kW，功耗增大0.03，0.04 kW，制冷性能系數減少0.25%，0.51%。

(2) 當冷間溫度為-25～-15 ℃時，隨著冷間溫度的升高，除制冷性能系數有所升高之外，兩低溫制冷系統的質量流量、功耗均出現降低的趨勢；兩系統的投資費用也隨著冷間溫度的升高而減少，同時液化天然氣低溫制冷系統的投資費用明顯低于氨低溫制冷系統。

(3) 當制冷量為5～30 kW時，隨著制冷量升高，兩系統質量流量、功耗均升高，液化天然氣低溫制冷系統制冷性能系數增大，而氨低溫制冷系統制冷性能系數保持不變，在5～20 kW時，氨低溫制冷系統制冷性能系數大于液化天然氣低溫制冷系統。隨著制冷量增大，液化天然氣低溫制冷系統比氨低溫制冷系統要節省1～3倍的投資費用，因此利用乙二醇作為載冷劑對液化天然氣進行冷能回收對低溫制冷系統有實際意義。

(4) 目前液化天然氣接收站通常設置在港口附近，對于冷庫的冷凍冷藏也存在一定的區域局限性，不能在全國范圍內推廣。利用液化天然氣余冷系統上的難點在于液化天然氣和乙二醇換熱溫差大，對換熱器的要求較高，需綜合考慮兩種流體換熱對換熱器材料的影響，因此合適的載冷劑以及更有效的液化天然氣運輸是將液化天然氣余冷應用于冷庫冷凍冷藏系統上的關鍵。