基于液化天然氣冷能的紅細胞凍干及保存系統分析

畢 成，譚先琳，梁梓原

（廣西大學機械工程學院，廣西 南寧 530004）

0 引言

天然氣的主要組分為甲烷（CH4）采用天然氣作為能源，可減少煤和石油的用量，因而大大改善環境污染問題。天然氣作為一種清潔能源，能減少二氧化硫和粉塵排放量近100%，減少二氧化碳排放量60%和氮氧化合物排放量50%，并有助于減少酸雨形成，減緩地球溫室效應，從根本上改善環境質量。LNG 蘊含大量冷能，將液化天然氣從-150 ℃提升到26 ℃，在此期間每千克液化天然氣需吸收900 多千焦的熱焓[1]。如果這部分冷能被有效回收并利用，將產生巨大的經濟效益。因此，對LNG 加氣站冷能利用的研究具有很高的研究價值。

紅細胞的冷凍干燥保存法以其重量大大減輕、便于運輸、適合室溫保存、易于再水化等優勢備受關注[2]。為此本文將LNG 冷能利用與紅細胞凍干工藝創造性的結合，為紅細胞凍干工藝的普及和LNG 冷能合理利用提供了新的思路。

1 紅細胞凍干及保存系統

系統基本原理如圖1 所示，LNG 經泵加壓進入一級換熱器換熱后使凍干室達到凍干溫度，通過自動控制裝置改變冷媒1 流量實現凍干室控溫。經過一級換熱器后的LNG 流經二級換熱器，此時冷媒2 送入二級換熱器中吸收剩余冷能，再進入空調換熱器將冷能傳遞給空調，交換熱量后經泵送回二級換熱器完成循環，實現紅細胞存儲冷庫的制冷。

圖1 系統基本流程

根據凍干系統和空調制冷系統的用冷需求不同，采用不同冷媒與LNG 進行換熱。此系統不僅能有效地減少LNG 氣化過程中對周圍環境造成的冷污染，還能減少下游用冷用戶的制冷電耗，降低下游用冷用戶的運行成本，提高能源綜合利用率，實現了LNG 的二級利用。

2 紅細胞凍干及保存系統技術分析

根據系統兩部分用冷需求不同的特點，結合加氣站供冷的特性，經查閱相關資料后，凍干系統選取R-123 作為冷媒，冰蓄冷空調冷媒選擇乙二醇，其冰點能夠達到要求，另外其經濟性安全性也較好[3]。

2.1 LNG 冷能和火用分析

通過Aspen Plus 模擬軟件對LNG 冷能的釋放情況計算，并通過計算結果對LNG 冷能的釋放規律進行分析，模擬參數取環境溫度為20 ℃，環境壓力為0.1 MPa，LNG 組分為純甲烷，計算結果如圖2、圖3所示。

圖2 LNG 冷能釋放規律

圖3 LNG 冷火用釋放規律

2.1.1 冷能分析

由圖2 可知，當壓力不變時，LNG 升溫至環境溫度時所釋放的冷能隨環境溫度的升高而上升，且在低溫段的冷能釋放率較大。當環境溫度不變時，LNG 釋放的冷能隨著壓力的升高而降低。壓力為0.1 MPa、2 MPa、5 MPa 的LNG 溫度升高至環境溫度時釋放的冷能分別為898.5 kJ/kg、874.0 kJ/kg、834.9 kJ/kg；5 MPa 為0.1 MPa 條件下LNG 釋放冷能的92.9%。由此可知壓力對LNG 冷能釋放量影響不大。

2.1.2 火用分析

由圖3 可知，當壓力不變時，LNG 溫度火用隨溫度的升高而不斷大，且低溫段溫度火用增長率較大；當溫度不變時，壓力的升高將導致LNG 的溫度火用降低。0.1 MPa 時，溫度火用為1053.6 kJ/kg；2 MPa 時，溫度火用為611.2 kJ/kg；5 MPa 時，溫度火用為492.1 kJ/kg，僅為0.1 MPa 時溫度火用的46.7%。故壓力對LNG 的壓力火用及溫度火用影響較大。故模擬需選擇LNG 合適壓力，且根據以上數據綜合分析，選定LNG 壓力參數0.1 MPa。

2.2 系統模擬

利用Aspen plus 軟件對工藝系統進行模擬計算，并列出關鍵參數?？紤]到管道運輸途中的能量損失等因素，選擇進入系統的LNG 流量為421.2 kg/h。模擬過程中假設LNG 組分為純CH4。設定環境溫度25 ℃，LNG 流量421.2 kg/h，進口溫度-162 ℃[4]，初步設定壓力0.1 MPa，泵效率80%，空調冷媒出口溫度為5 ℃、壓力為0.1 MPa，換熱器最小傳熱溫差為1 ℃。不考慮換熱器內的壓力損失以及與外界的熱量交換，也不考慮管道泄漏。圖4 為系統流程模擬圖。

圖4 系統流程模擬

2.2.1 結果分析

各凍干溫度對應的冷媒進出口流量與焓差如圖5 所示。系統進出口質量焓差隨溫度的升高而增大，維持進口溫度所需流量隨溫度的升高而減少。

圖5 各制冷溫度下冷媒質量流量

2.2.2 經濟性分析

根據加氣站工作時間，按設備每天工作16 h，每年平均工作8 個月，系統收益詳情見表1，節省的電費作為設備投資的成本回收來計算，初步預計系統總投資100 萬元左右，預計投資回收期四到五年。

表1 系統收益

3 結語

本文提出冷能回收裝置，將LNG 加氣站中LNG轉化為CNG 過程中釋放的冷量加以利用可以提高能量的利用效率，同時可為加氣站用冷節約成本，具有可觀的節能效益和經濟效益。通過Aspen Plus 對LNG 冷能及火用進行了模擬分析，研究其釋放規律與壓力及溫度的關系，分析結果如下：LNG 的冷能和冷火用均隨著溫度的上升而增大。LNG 的冷能和冷火用均隨著壓力的增大而降低。LNG 的冷能和冷火用在低溫下均有較大的釋放率。并做了經濟性分析，預計投資回收年限小于5 年，整套設備兼具有較高的環保性和經濟性。