曾樂才, 張 東, 徐建輝, 廖文俊

(1.上海電氣中央研究院，上海 200070;2.同濟大學，上海 200092;3.上海電機學院，上海 200240)

作為低排放的清潔燃料,液化天然氣(Liquefied Natural Gas,LNG)是當今世界能源供應增長最快的能源。根據(jù)國家發(fā)展規(guī)劃,2015年LNG進口將達到42 Mt。研究探索LNG冷能利用關(guān)鍵技術(shù),如冷能儲存技術(shù),將有利于提高LNG利用效率,推動能源資源的循環(huán)綜合利用。

1 液化天然氣冷能利用與儲存

天然氣海外運輸通常需液化,其在常壓下的液化溫度為-163℃,每液化1 t LNG耗電約為850 kW?h。而在LNG接收站,一般又需將LNG通過氣化器氣化后使用,氣化時放出很大的冷量,為830 kJ/kg[1]。通常,在天然氣氣化器中該冷能隨海水和空氣被舍棄了,造成了能源的浪費。若將LNG擁有的冷量以100%的效率轉(zhuǎn)化為電力,則可利用的冷能折合電量約為240 kW?h/t。據(jù)此推算,一座6 Mt/a的LNG接收站,每年可利用的冷能約為1.44 TW?h,以全國每年LNG 42 Mt的進口規(guī)模,可利用的冷能約為10 TW?h,由此可見,可供利用的LNG冷能是相當可觀的。

LNG冷能可采用直接或間接的方法加以利用。LNG直接利用方法包括冷能發(fā)電、海水淡化、液化分離空氣(液氧、液氮)、輕烴分離、冷凍倉庫、液化碳酸、制干冰、空調(diào)等;間接利用有冷凍食品、低溫粉碎廢棄物處理、凍結(jié)保存、低溫醫(yī)療、食品保存等。全世界LNG冷能利用較多的國家是日本,每年從國外進口LNG約55 Mt,約20%的LNG冷能得到利用[2]。

從目前世界上冷能利用情況來看,冷能利用率都比較低,不超過20%。由于LNG主要用于調(diào)峰發(fā)電和城市燃氣,LNG的氣化負荷隨時間和季節(jié)發(fā)生波動。天然氣需求白天和冬季多,LNG氣化所提供的冷能也多。在夜晚和夏季,可以利用的 LNG冷能也隨之減少。以上海為例(如圖1所示),預計LNG氣化量最高將達1.04×106m3/h,而最低只有8.5×104m3/h,起伏波動有十幾倍,這給LNG冷能的利用帶來了很大影響;為了保證冷能利用設備的平穩(wěn)運行,目前只能按最低氣化量來設計冷能利用規(guī)模,這樣,LNG利用率僅達15.1%。

圖1 上海LNG使用需求波動示意圖

如果開發(fā)一種冷能儲存技術(shù)與裝備,在高峰時將LNG氣化富余的冷量貯存起來,在低谷時將儲存的冷量釋放出來,或外運到其他所需要的地方,供冷能利用設備使用,將有利于解決目前冷能供應波動性很大等問題,大幅度提高 LNG冷能的利用率。

在液化處理中引入基于相變材料的冷能儲存技術(shù),可提高系統(tǒng)的運行效率,但正戊烷作為LNG冷能深冷儲能介質(zhì),由于導熱性能較差,需要添加復雜的傳熱結(jié)構(gòu)加以克服,這些缺點都使得該項技術(shù)在應用中存在很大的復雜性和難度,而且其相變溫度單一,適用范圍較窄。

2 液化天然氣冷能儲存相變材料

在低溫相變材料的研究中,通過采用差示掃描量熱儀(Differential Scanning Calorimetric,DSC)試驗方法,通過對處于3個低溫溫度段的10余種低溫相變材料進行測試,分別篩選出3種相變材料,該3種相變材料都有較大的相變潛熱值。

(1)相變材料0℃～-50℃

通過對數(shù)種相變材料的測試和分析,初步選擇的相變材料其融化相變溫度峰值為-33.5℃,凝固相變溫度峰值為-46.6℃,相變潛熱為152～157 J/g。

圖2為該相變材料的DSC曲線。

圖20 ℃～-50℃溫度段相變材料DSC曲線

(2)相變材料-50℃～-100℃

在該溫度段通過對數(shù)種相變材料的測試和分析,初步選擇的相變材料其DSC曲線如圖3所示。

圖3 -50℃～-100℃溫度段相變材料DSC曲線

該材料相變潛熱為119～124 J/g。融化相變溫度峰值為-87.2℃,凝固相變溫度為-99.5℃。

(3)相變材料-100℃～-150℃

在該溫度段通過對數(shù)種相變材料的測試和分析,初步選擇的相變材料其DSC曲線如圖4所示。該材料相變潛熱為141～158 J/g,融化相變溫度峰值為-114℃,凝固相變溫度為-142℃。

圖4 -100℃～-150℃溫度段相變材料DSC曲線

3 液化天然氣冷能儲存系統(tǒng)

液化天然氣冷能儲存系統(tǒng)的工作原理如圖5所示。

圖5 儲能裝置原理圖

系統(tǒng)蓄冷能介質(zhì)采用前文確定的深冷相變材料,并將該相變材料與納米多孔石墨進行復合制成納米多孔石墨基深冷相變復合材料[3-4]以進一步改善綜合性能。二次冷媒作為輸出冷媒采用R410a。R410a是一種新型環(huán)保高效制冷劑,沸點為-52.7℃,汽化潛熱為256.7 kJ/kg,液體比熱(30℃)為1.03 kJ/(kg?K),氣體比熱(30 ℃)為0.85 kJ/(kg?K)。能量交換均通過銅質(zhì)盤管進行,銅質(zhì)盤管置入深冷相變儲能介質(zhì)中,一次冷媒與二次冷媒都在銅質(zhì)盤管中流過。

系統(tǒng)儲能時,儲能介質(zhì)從LNG(或一次冷媒)吸收冷能;系統(tǒng)輸出冷能時,系統(tǒng)儲能介質(zhì)向二次冷媒輸出能量。

4 液化天然氣冷能儲存試驗分析

(1)蓄冷試驗

為確保試驗安全,以液氮替代LNG作為冷能輸入源,模擬LNG氣化過程產(chǎn)生的冷能。

蓄冷試驗時間為 289.5 min,儲能介質(zhì)量為354.31 L,液氮釋放總量479 L。測量的系統(tǒng)各處溫度與流量如圖6所示。試驗前儲能介質(zhì)平均溫度5.18℃,蓄冷后達到-119.63℃。

圖6 蓄冷試驗

對試驗結(jié)果進行分析可得:儲能介質(zhì)吸收冷量184MJ,吸冷功率8.67kW,最大蓄冷量51.2kW?h。

(2)冷量釋放試驗

釋冷試驗時間為108.5 min,測量的系統(tǒng)各處溫度如圖 7所示。試驗前儲能介質(zhì)平均溫度為-116.66℃,釋冷后達到-61.87℃。

對試驗結(jié)果進行分析可得:儲能介質(zhì)釋放冷量47 MJ,吸冷功率7.23 kW。

(3)系統(tǒng)散熱(冷)試驗

系統(tǒng)散熱(冷)試驗時間為108.5 min,測量的系統(tǒng)各處溫度如圖8所示。試驗前儲能介質(zhì)平均溫度-28.89℃,散熱后達到-19.66℃,環(huán)境溫度26.58℃。

圖8 儲能系統(tǒng)科學散熱(冷)試驗

對試驗結(jié)果進行分析可得:儲能介質(zhì)散失冷量7.9 MJ,散熱(冷)功率0.18 kW。儲能箱散熱系數(shù)3.99 J/(℃?s)。

假定系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)與環(huán)境溫差 180℃,儲能50 kW?h,可保溫71.4 h。

4 結(jié) 語

本課題研制的儲能系統(tǒng)具有較大的蓄冷容量,試驗達到的最大蓄冷量為51.2 kW?h;系統(tǒng)能較快地吸收與輸出冷能,冷能吸收與輸出功率分別為8.67 kW,7.225 kW;儲能箱保溫情況良好,儲能箱散熱系數(shù)3.99 J/(℃?s)。研究與實驗表明:本課題開發(fā)的液化天然氣冷能儲存技術(shù)是可行的。

[1]顧安忠.液化天然氣技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003,3-7.

[2]王 坤,顧安忠.LNG冷能利用技術(shù)及經(jīng)濟分析[J].天然氣工業(yè),2004,24(7):122-125.

[3]張 東.復合相變材料研究進展[J].功能材料,2007,38(12):1936-1940.

[4]張 東.多孔石墨基相變儲能復合材料及其制備方法:中國,ZL200410052870.X[P].2007-01-10[2010-04-25].