孟 龍, 盧朝霞，黃福川, 黃伊琳，劉宇恒

（廣西大學化學化工學院，廣西石化資源加工及過程強化技術重點實驗室， 廣西 南寧 530004）

LNG衛(wèi)星站冷能制冰與發(fā)電工藝模擬分析

孟 龍, 盧朝霞，黃福川, 黃伊琳，劉宇恒

（廣西大學化學化工學院，廣西石化資源加工及過程強化技術重點實驗室， 廣西 南寧 530004）

因為LNG存在著豐富的壓力火用與低溫火用，為了能夠充分利用所存在的各種形式的火用，提高能源的利用率，所以選擇比較合適的冷能利用方式進行設計，并且通過HYSYS軟件進行模擬計算。結果表明對于氣化量10×104(m3/d)的LNG氣化站全年的制冰量0.11億t，全年發(fā)電量功率約為5.92×104kW，壓縮機的耗功率為5×104kW，年產值達1.1億元，經濟效益顯著。

LNG衛(wèi)星站；制冰；發(fā)電；HYSYS

LNG（liquefied natural gas）是天然氣經過脫水、脫硫與低溫技術液化處理而成的無色、無味、無毒且透明的低溫液體混合物，其存儲的溫度約為-162 ℃，主要成分是甲烷。生產1 t LNG需要耗電量850 kW·h。當LNG在1 atm壓力下氣化時，溫度由-162℃上升到5 ℃釋放的冷量約為230 kW/t[1]。傳統(tǒng)的工藝是將LNG直接加熱或者是和海水換熱的方式將LNG加熱到5 ℃以上，這不僅造成大量的能源浪費而且引起冷污染。LNG衛(wèi)星站是小型的LNG氣化站和接收站，是用來接收來自沿海地區(qū)液化天然氣以及氣化后供工業(yè)用戶、商業(yè)用戶和居民使用的二級氣源站[2]。對于氣化量為10×104m3/d的小型LNG衛(wèi)星站，可利用的冷功率將近1 MW，每年可節(jié)約電能約數(shù)百萬度[3]。LNG冷能利用的研究已經涉及到發(fā)電[4]，空分[5]，低溫粉碎[6]，冷庫[7]，空調[8]等等。王靜玲[9]等提出冷能用于制冰工藝的流程圖, 況岱坪[10]等對制冰工藝做了優(yōu)化，但是LNG-162 ℃超低溫與制冰需要的溫位不匹配，并且LNG本身存在的壓力火用都被浪費，所以有必要更進步一步的研究，怎樣合理的利用LNG的壓力火用與低溫火用，提高能源的利用率。

1 LNG衛(wèi)星站

由于我國大力開發(fā)和引進天然氣啟動的較晚，天然氣在我國終端能耗的比例為4.8%，遠遠低于世界平均水平24%。隨著北方地區(qū)霧霾肆虐，空氣污染越發(fā)嚴重，治理空氣污染已經到了刻不容緩的地步，而造成環(huán)境污染關鍵因素之一就是煤炭石油燃料的使用。而最近的《能源發(fā)展戰(zhàn)略行動計劃（2014-2020年）》中把天然氣到2020年的所占一次能源比例提高到10%以上。隨著國家經濟的快速發(fā)展，國家城市化的進程加快，中小城市得到了快速的發(fā)展，而城市燃氣是城市的重要基礎設施和現(xiàn)代化的重要標志，隨著國家天然氣的深入推廣，LNG每年的進口量和生產量的不斷增加，而作為中小城市燃氣供應中心的LNG的衛(wèi)星站也得到的廣泛的發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計我國已建成的衛(wèi)星站多達200多個,是城鎮(zhèn)液化天然氣供應的主要站場，承擔著存儲上游LNG的氣化供給下游用戶使用的作用。

LNG衛(wèi)星站是一種小型的LNG接收和氣化站[11],建設具有以下特點：LNG 衛(wèi)星站建站投資規(guī)模小；可以和天然氣輸氣管道相互配合以解決LNG衛(wèi)星站的調峰問題；建站周期短，若需建成一定規(guī)模的LNG 衛(wèi)星站大約用半年時間便可；同時，LNG衛(wèi)星站的建站投資較少，相對于城鎮(zhèn)的管網輸送，能節(jié)約1/ 3 以上的建設投資[12]。

1.1 衛(wèi)星站一般工藝

衛(wèi)星站工藝流程圖見圖1。

圖1 衛(wèi)星站工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of LNG satellite station

衛(wèi)星站中的LNG被送入LNG泵中，加壓后送入空溫式汽化器中，加熱到5 ℃送入下游天然氣管網，如果空溫式汽化器無法滿足時，LNG通過水浴式氣化器換熱，最終LNG儲存的低溫火用完全浪費到空氣中。

1.2 LNG衛(wèi)星站冷能利用方案的選擇

LNG衛(wèi)星站相對于大型LNG氣化站氣化量相對較少，但是直接面對下游用戶，可以直接提供冷能附加產品給下游用戶，所以包括LNG發(fā)電，制冰，冰蓄冷空調，冷凍倉庫等等。由于隨著國家經濟的發(fā)展，用電量勢必每年都會高速的增加，而膨脹發(fā)電也可以削減用電量的峰谷差，同時市場對于冰需求量大，廣泛用于超市的保鮮，冷凍冷藏，醫(yī)療，化工，食品等各個行業(yè)，因此具有良好的市場前景。本工藝選擇膨脹發(fā)電與制冰工藝相結合的方式，不但能利LNG存在的低溫火用而且也不浪費LNG中可觀的壓力火用，使經濟效益最大化。

2 LNG用于制冰方案的設計與分析

2.1 工藝流程圖

圖2是LNG冷能利用流程圖，LNG從儲罐出來，經LNG泵1加壓到3 MPa后分成兩股，一股經空氣加熱型汽化器5加熱汽化，然后經過調壓閥10調壓進入燃氣管網。另一股經過LNG換熱器后進入空氣加熱型汽化器4汽化后溫度升高到15 ℃，在進入透平機7膨脹發(fā)電，溫度降低-68 ℃，通過制冰設備15b升溫，在通過空氣加熱型汽化器5加熱，經調壓閥10調壓進入燃氣管網。

圖2 LNG 衛(wèi)星站冷能利用工藝Fig.2 The Use of Cold Energy in the LNG Satellite Station

在LNG換熱器11中與LNG換熱后的R410a進入12冷媒儲液罐中經15制冰設備后氣化成氣體，釋放冷量。當夏季用氣量不足，電壓縮機可提供動力，驅動制冰流程，這樣可以緩解夏季需冰量多，可利用的LNG冷量少的矛盾。

本工藝流程的創(chuàng)新之處是同時利用LNG的低溫火用與壓力火用，在LNG換熱后直接膨脹發(fā)電后，又產生了低溫的LNG同時用做制冰工藝，這樣配合前部分的制冰工藝，使制冰的產能增加。夏季用氣量不足時，可以靠冷能發(fā)電驅動電壓縮機帶動制冷流程增加夏季的產冰量，從而消除夏季的產冰量不足的問題。

2.2 模擬計算

采用HYSYS軟件進行模擬計算。

圖3 HYSYS計算模擬工藝流程圖Fig.3 Process simulation of the HYSYS

模擬LNG衛(wèi)星站的供氣能力為10×104（m3/d）。LNG的組分中，各物質的質量分數(shù)為：甲烷83.28%，乙烷12.04%，丙烷3.16%，異丁烷0.53%，正丁烷0.69%，異戊烷0.04%，氮0.26%。LNG的溫度一般為-159 ℃，壓力為0.2 MPa，汽化后輸入管網的溫度15 ℃。LNG泵的效率為75%，膨脹機的效率70%，壓縮機的效率35%。根據(jù)文獻[13]LNG膨脹發(fā)電的溫度-68 ℃。HYSYS軟件的計算工藝流程（見圖3）。

分別取5×104與10×104氣化量作為夏季與冬季的氣化量,并且冬季只由LNG的冷能制冰，而不啟動壓縮機提供動力(表1)。在夏季用氣量不足時，LNG 存在的冷能不足時，可以由壓縮機提供動力。

表1 工藝關鍵運行參數(shù)模擬Table 1 Simulation result of process key operating parameters

從以上結果可以看出對于每天的氣化量分別為5×104m3和10×104m3的氣化站冰量與電量如表2所示。

通過以上工藝對于氣化量為10×104(m3/d)的LNG氣化站全年的制冰量達0.11億t，按照10元/t的價格，則年制冰產值約1.1億元，壓縮機的耗功率50 000 kW，驅動電壓縮機后，發(fā)電量仍有結余可以為供給日常用電。

表2 模擬結果處理Table 2 The simulation results kW

3 結束語

（1）通過制冰工藝與發(fā)電工藝分別利用LNG存在的冷能和壓力能，大大提高了能源的利用率。

（2）利用發(fā)電產生的電能配合電動壓縮機驅動制冰流程，來解決因季節(jié)性因為用氣量不足引起的制冰量減少的問題。

（3）制冰工藝年產值達1.1億元，經濟效益顯著，具有良好的市場推廣性。

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Process Simulation of Ice-making and Power Generation Utilizing Cold Energy From LNG Satellite Station

MENG Long, LU Zhao-xia, HUANG Fu-chuan , HUANG Yi-lin, LIU Yu-heng
（Guangxi Key Laboratory of Petrochemical Resource Processing and Process Intensification Technology，School of Chemistry and Chemical Engineering，Guangxi University，Guangxi Nanning 530004，China）

Due to the existence of rich pressure energy and low temperature energy in LNG, in order to make full use of the existing energy, a suitable way was chosen for the design of cold energy utilization, and the simulation calculation was carried out by the HYSYS software. The results show that the gasification rate of 10×104(m3/d) LNG has about 11 Mt/a ice making capacity, the annual power generation is about 5.92×104kW, compressor power consumption rate is about 5×104kW and the annual output value is about 110 million Yuan, the economic benefit is remarkable.

LNG satellite station；Ice making；Power generation；HYSYS

TE 624

： A

： 1671-0460（2015）11-2665-03

2015-06-08

孟龍（1988-），男，河南三門峽人，碩士研究生，廣西大學化學化工學院制冷及低溫工程專業(yè)，研究方向：LNG的冷能利用。E-mail：283454438@qq.com。

黃福川（1963-），男，教授，博士，研究方向：石化及可再生能源利用。E-mail：huangfuchuan@gxu.edu.cn。