石油与天然气化工  2014, Vol. 43 Issue (2): 140-145
LNG卫星站冷能制冰工艺优化及模拟分析
况岱坪 1, 董事尔 1, 杨冲伟 2, 黄泳硕 3, 杨小博 1     
1. 西南石油大学土木工程与建筑学院;
2. 上海昆仑新奥清洁能源股份有限公司;
3. 中国石油集团东南亚管道有限公司
收稿日期：2013-11-01；修回日期：2014-01-13
作者简介：况岱坪(1987-), 男, 重庆涪陵人, 西南石油大学土木工程与建筑学院在读硕士研究生, 主要从事液化天然气应用技术方面的研究。E-mail:kuangdaiping@163.com。地址:(610500)四川省成都市新都区新都大道8号西南石油大学明志楼A525办公室.
摘要：在现有的利用LNG卫星站冷能制冰的技术中，由于LNG气化量随季节及各时段用气量不同有很大的波动，会出现LNG气化量与冰的需求量不匹配的问题，且制冰量不稳定。针对这一问题，提出了一种新的联合制冰工艺，该工艺把利用相变冷媒（R410A）与LNG换热制冰的方法和蒸气压缩式制冷循环相结合，并采用天然气发动机为压缩机提供动力。除了能解决以上问题，还可缓解电力燃气的季节不平衡性。运用HYSYS软件对该工艺进行了模拟分析，并确定了该工艺的关键运行参数，模拟结果表明：气化量为2×104~10×104 m3/d的小型LNG卫星站，日制冰量约为127 t，相比用普通的制冰方法制取相同的冰最多每天可节约7 332 kW的能量。若按每100 kg冰块8元的批发价计算，年毛收入可达370.36万元，经济效益非常可观。
关键词：LNG卫星站    冷能利用    制冰工艺    HYSYS模拟    相变冷媒    
Process optimization and simulation of ice-making utilizing cold energy from LNG satellite station
Kuang Daiping1 , Dong Shier1 , Yang Chongwei2 , Huang Yongshuo3 , Yang Xiaobo1     
1. School of Civil Engineering and Architecture, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, Sichuan, China;
2. Shanghai Kunlun ENN Clean Energy Co., Ltd, Shanghai 200235, China;
3. Southeast Asia Pipeline Co., Ltd, Beijing 100028, China
Abstract: Owing to the vaporizing quantity of LNG changing a lot in different seasons and times, some problems occur in the existing ice-making process by utilizing cold energy from LNG satellite station, including the mismatch between LNG vaporizing quantity and ice requirement, with the unstable output of ice-making. To solve these problems, a novel associated ice-making process was proposed. This process combines the ice-making method of utilizing cold energy from LNG with phase transition refrigerant (R410A) and the vapor compression refrigeration cycle, adopting natural gas engine to provide the power for compressor. In addition to solve the above problem, the new process also can alleviate the seasonal imbalance of electricity and gas. Simulations were carried out with the process software HYSYS, and the key operational parameters of the new process have been determined. The simulation results show that the output of ice-making is about 127 t for the small LNG satellite station that vaporizing quantity is 20×103-100×103 m3/d. Compared with the ordinary ice-making method, the new process can save energy up to 7 332 kW per day. If the wholesale price of ice is 8 yuan per 100 kg, the annual gross income will amount to 3 703 600 yuan. The new process has considerable economic benefit.
Key Words: LNG satellite station    cold energy utilization    ice-making process    HYSYS simulation    phase transition refrigerant    

LNG是在低温下以液态形式存在的天然气，储存温度通常为-162 ℃。LNG卫星站则是一种小型的LNG接收和气化站，通常建设在远离中心城市的卫星城市，站内LNG经汽化加臭后直接送入城市管网供民用、商用和工业用，是天然气气源的二级气源站[1]。当1 t LNG在一个大气压力下由-162 ℃气化为常温时，能释放出约230 kWh的冷量，对于一个气化量为10×104 m3/d的小型LNG卫星站，可利用冷功率近1 MW, 每年折合电能约为数百万度, 可节省近千万度的制冷电能[2]。随着我国LNG产业的迅速发展，LNG卫星站如雨后春笋般建立起来，目前已建成的多达200多个[3]。对于LNG卫星站冷能利用的研究已涉及发电[4]、空分[5]、食品冷冻[6]、空调[7]及梯级利用[8-9]等方面。冰，因其市场需求量大，在食品、空调、医疗、电子、建筑、运输等行业应用广泛，且制冰的工艺流程简单，技术成熟，投资少，占地小且地域限制低等，特别适合小型LNG卫星站的冷能利用。然而，将LNG冷能用于制冰的研究则较少，仅在部分文献[2, 10]和书籍[11]中有所提及，且国内直到2012年才有了此类专利[12]。虽然文献[13]对LNG卫星站冷能用于制冰的方案进行了设计和分析，但仍有很多问题没能有效解决，其中包括冷媒的选择、气化量季节性不均匀带来的问题等。因此，LNG冷能制冰值得进一步深入研究。

1 LNG卫星站冷能用于制冰的工艺优化
1.1 现有工艺流程及其存在的问题

图 1为现有的利用LNG卫星站冷能制冰的工艺流程[13]。因小型LNG卫星站主要负责城市天然气的供应，所以其气化量随季节及各时段用气量不同波动很大。冬季和白天的天然气需求量大，所以可供利用的LNG冷量也大；夏季和夜晚的天然气需求量小，可以利用的LNG冷量也相应减小[11]。但是，夏季的冰需求量却很大，冬季的冰需求量则较小。因此，该工艺流程在运行过程中会存在LNG气化量与冰的需求量不匹配的问题，且制冰量不稳定。虽然在专利[12]和文献[13]中都采用了低温冷媒储罐来减少气化量不均匀带来的影响，但因冷媒储罐不可能做得太大，其只能解决气化量的小时不均匀性或周不均匀性，对于气化量季节性不均匀带来的问题一直没能很好解决。

1—LNG储罐；2 —空温汽化器；3—水浴汽化器；4—低温换热器; 5—低温冷媒储罐；6—制冰机组；7-蓄冰桶；P1—LNG泵；P2—低温变频冷媒泵；P3—变频水泵；VI、V8—调节阀；V2~V7、V9~V17_截止阀 图 1     现有工艺流程图 Figure 1     Existing process flow diagram

1.2 优化后工艺流程

图 2为优化后LNG卫星站冷能用于制冰的工艺图。LNG储罐中的LNG经LNG泵1后分为A、B两股，两股的流量分配由调节阀2、5确定，B股经空气加热型汽化器3汽化后，再经调压器4调压后进入城市燃气管网；A股在LNG换热器7中与气态混合制冷剂R410A换热，换热后送入空气加热型汽化器6升温，再与汽化器3汽化后的天然气汇合进入城市燃气管网。

1—LNG泵；2、5、12、13—调节阀；3、6—空气加热型汽化器；4、19—调压器；7—LNG换热器；8—低温冷媒储罐；9—离心果；10—调压阀；11—制冰设备；14—R410A压缩机；15—天然气发动机；16—换热器；17—常温冷媒储罐；18—节流阀 图 2     优化后LNG卫星站冷能用于制冰的工艺图 Figure 2     Optimized process of ice-making utilizing cold energy from LNG satellite

在LNG换热器7中与LNG换热后的R410A将变为液态，温度降为-35~-28 ℃，然后将液态R410A送入低温冷媒储罐8中，再由离心泵9增压至0.6~0.8 MPa后经调压阀10调压为0.36~0.48 MPa，调压后的R410A和节流阀18节流后的R410A汇合，汇合之后进入制冰设备11中与水换热，水凝结为冰，再将冰以块冰或片冰的形式产出。

在制冰设备11中与水换热后的R410A将变为气态，温度升高为-16~-10 ℃，压力为0.3~0.45 MPa，气态R410A将分为C、D两股，两股的流量分配由调节阀12、13确定。C股经过调节阀12后再次进入LNG换热器7中与LNG换热，构成循环；D股经过调节阀13后进入压缩机14，压缩后压力为1.7~2.5 MPa，再进入换热器16中与冷却水换热，换热后的R410A液化为25~40 ℃的液体，液化后的R410A将送入常温冷媒储罐17中，再经节流阀18节流后与调压阀10调压后的R410A汇合进入制冰设备11，构成循环。节流阀18节流后的R410A的压力与调压阀10调压后的R410A的压力相同。

将调压器4调压后的常温天然气引一小部分，由调压器19调压至适合天然气发动机的压力，再送入天然气发动机15作为燃料。天然气发动机15为压缩机14提供动力。

如图 2所示，本工艺流程的创新之处在于把利用相变冷媒(R410A)与LNG换热制冰的方法和蒸气压缩式制冷循环相结合，并采用天然气发动机为压缩机提供动力，能很好地解决LNG卫星站的气化量与冰的需求量之间不匹配的问题。在夏季，利用富余的天然气作为天然气发动机的燃料带动压缩机制冷补充不足的冷量，可解决夏季LNG气化量小而冰需求量大的矛盾；在冬季，LNG气化量大，只利用R410A与LNG换热制冰就可满足冰的需求量；在过度季节，则尽量利用LNG气化时的冷量，当冷量不足时则开启蒸气压缩式制冷循环以补充不足的冷量。

2 工艺模拟分析
2.1 工艺模型建立

本文选择的是气化量为2×104~10×104 m3/d的小型LNG卫星站。采用HYSYS软件进行工艺模拟分析，建立了工艺流程模拟图(见图 3)。

图 3     HYSYS软件工艺流程模拟图 Figure 3     Process simulation of the HYSYS

结合不同季节气化量波动的特性，选择了气化量分别为2×104 m3/d、5×104 m3/d、8×104 m3/d和10×104 m3/d的4种典型工况。为了便于各工况能耗的对比分析，本文将冬季气化量为10×104 m3/d时只利用LNG冷能制冰的制冰量作为每种工况的冰需求量。LNG组分选用国内某LNG气源组分，其摩尔分数分别为：甲烷91.17%, 乙烷7.03%, 丙烷1.26%, 异丁烷0.16%, 正丁烷0.21%, 异戊烷0.01%，氮0.16%。LNG的存储温度为-159 ℃，压力为0.2 MPa，经LNG换热器汽化后的LNG温度设定为-18 ℃。压缩机绝热效率为75%，选用R410A作为冷媒。计算中，LNG和R410A的物性包分别为Peng-Robinson和PRSV。

2.2 运行参数模拟分析
2.2.1 蒸发温度对压缩机能耗的影响

由于实际工程中一般都通过调节物流5的压力来控制蒸发温度，所以笔者通过改变物流5的压力来进行分析。结果表明(见图 4)，压缩机能耗随蒸发温度(物流5温度)的升高而降低。考虑到制冷剂在制冰换热器中的温差要求，最终选择0.42 MPa作为节流阀节流后(物流5压力)的设计压力。

图 4     蒸发温度对压缩机能耗的影响 Figure 4     Influence of evaporation temperature on the compressor energy consumption

2.2.2 冷凝温度对压缩机能耗的影响

模拟结果表明(见图 5)，压缩机能耗随冷凝温度(物流9温度)的升高而升高，所以应尽量降低冷凝温度。但由于冷凝温度受冷凝方式和环境温度的影响非常大，并不能设计得太低。本文参照国内某大型制冰机生产商的设备选型和设计资料，选用蒸发式冷凝器作为物流9的冷却设备，并根据其运行参数，最终将冷凝温度设计为35 ℃。

图 5     冷凝温度对压缩机能耗的影响 Figure 5     Influence of condensing temperature on the compressor energy consumption

2.2.3 冷媒与LNG换热后的温度对压缩机能耗及冷媒流量的影响

由模拟结果可见(见图 6)，LNG换热后的温度(物流2温度)对压缩机能耗基本没有影响，随着物流2温度的上升，冷媒流量(物流5流量)会有增加，但其增加量并不大。又因物流2的温度直接影响管道和冷媒储罐的保温成本，所以本文将物流2的温度设计为-30 ℃。

图 6     物流2温度对压缩机能耗和制冷剂流量的影响 Figure 6     Influence of t2 on the compressor energy consumption and the refrigerant mass flow

2.3 模拟结果分析

本工艺流程关键运行参数模拟结果见表 1。从表 1可以看出，随着LNG气化量的增加，冷媒R410A的总流量(物流5)和进入压缩机的流量(物流7)都在降低，而流经LNG换热器的冷媒量(物流1)则有较大的增加。在气化量不断变化的情况下，为达到相同的制冰量(即相同的制冰换热量)，本工艺主要是通过调节物流1和物流7的流量来实现。

表 1    工艺关键运行参数模拟结果 Table 1    Simulation results of process key operating parameters

3 工艺能耗的理论分析

结合模拟结果对新工艺的能耗进行了理论分析，其结果见表 2。其中，qLNG为LNG的气化量；m1为只利用LNG冷能部分制取冰(将30 ℃的水制成-10 ℃的冰)的冰量；W1为用普通制冰方法制取和m1相同冰量所需的能耗；m2为每种工况下的冰需求量(计划制冰量)；W2为该工艺中压缩机的能耗；COP值是该工艺中压缩制冷循环制冰量(m2-m1)所吸收的能量与W2的比值，即能耗比；qNG为天然气发动机的天然气消耗量。理论分析中，根据国内某LNG气源组分，该天然气的低位热值为40.67 MJ/m3。根据文献[14]对天然气发动机热效率的研究，本工艺天然气发动机热效率选为35%。

表 2    工艺能耗的理论分析结果 Table 2    Theoretical analysis results of the process energy consumption

从表 2可以看到，对于气化量为2×104~10×104 m3/d的小型LNG卫星站，采用本工艺可以制冰5 285 kg/h，日制冰量约为127 t，相比用普通的制冰方法制取相同的冰最多每天可节约7 332 kW的能量。年毛收入按目前每100 kg冰块8元的批发价，日制冰量为127 t的情况计算，可达370.36万元。

以工况1为例，压缩制冷循环的制冰量为4 228 kg/h(m2-m1)，天然气消耗量为64.16 m3/h，天然气价格按每标方3.25元计算，则每天的气费为5 004.48元。按国内某大型制冰机生产厂商提供的能耗资料，平均每产1 t冰的日耗电量为80~85 kWh。若采用电制冰方法制取相同量的冰，即每天101 t，按每吨日耗电量为82 kWh计算，每天的用电量为8 282 kWh，电价取0.65元/ kWh，则每天的电费为5 383.3元。可见，本工艺方案相比用电制冰的方法，经济效益较明显，所以采用天然气发动机为压缩机提供动力是经济可行的。如果将图 2中空气加热型汽化器6改为水浴式汽化器，用来预冷制冰用的水，则本工艺的能耗会更低，经济效益会更好，其具体能达到多大的效果还有待进一步研究。

另外，在气化量不断变化的情况下，本工艺方案相比电制冷更容易调节制冷量, 且使用的是站内的天然气，不仅可以降低电力增容等费用，还可以缓解电力燃气的季节不平衡性。

4 结论

(1) 在现有的利用LNG卫星站冷能制冰的技术中，存在着LNG气化量与冰的需求量不匹配的问题，笔者把利用相变冷媒(R410A)与LNG换热制冰的方法和蒸气压缩式制冷循环相结合，设计了一套新的工艺流程，能很好解决这一问题。

(2) 对不同运行参数进行模拟分析后得出：该工艺中压缩机能耗随蒸发温度的升高而降低，冷凝温度的升高而升高；并且冷媒(R410A)与LNG换热后的温度对压缩机能耗基本没有影响。

(3) 气化量为2×104~10×104 m3/d的小型LNG卫星站，日制冰量约为127 t，年毛收入可达370.36万元，经济效益非常可观。

(4) 用天然气发动机为压缩机提供动力，并使用站内天然气作为发动机燃料，不仅可以降低电力增容等前期投资费用，还可以缓解电力燃气的季节不平衡性。

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