林 東 ，王祥保 ，馬芝玉 ，鄧 偉

（1.中國石化銷售有限公司廣西石油分公司，廣西 南寧530021；2.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

LNG汽化過程中冷量回收的研究及優(yōu)化

林 東1，王祥保1，馬芝玉1，鄧 偉2

（1.中國石化銷售有限公司廣西石油分公司，廣西 南寧530021；2.廣西大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 南寧530004）

普通LNG汽化工藝流程中LNG直接通入汽化器汽化造成極大浪費(fèi)，且低溫環(huán)境會減少設(shè)備的使用壽命。據(jù)此設(shè)計(jì)了一種吸收LNG汽化過程中浪費(fèi)的冷能的回收裝置，通過兩級冷媒的吸收轉(zhuǎn)換將LNG的冷量運(yùn)用于水冷式風(fēng)機(jī)盤管。并對系統(tǒng)進(jìn)行模擬計(jì)算，分析LNG的進(jìn)口壓力、出口溫度對效率的影響。

LNG汽化；冷能回收；兩級冷媒；炬用效率

LNG在常壓下為無色、無味、無毒且無腐蝕的液體，溫度約為-162℃，然而液化天然氣最終大多是以氣態(tài)形式加以利用，這就需要把LNG再次汽化，汽化過程中所創(chuàng)造的低溫環(huán)境廣泛的運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域，通常情況下LNG汽化到零度以上，這一過程放出的冷能大約為830～860 kJ/kg[1]，工業(yè)條件常使用空溫式汽化器對LNG作升溫處理，浪費(fèi)了極大的冷量。因此提供一種能夠吸收LNG汽化過程冷量的系統(tǒng)是本發(fā)明的技術(shù)背景。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種LNG汽化過程中的冷量回收系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)示意圖

1.1 系統(tǒng)流程

LNG經(jīng)過法蘭1進(jìn)入系統(tǒng)，閥門2關(guān)閉，4打開，LNG進(jìn)入換熱器5內(nèi)與工質(zhì)A換熱，換熱汽化后的LNG進(jìn)入到汽化器進(jìn)一步升溫后進(jìn)入到收集裝置；1級回路工質(zhì)A在換熱器5內(nèi)被冷卻至液態(tài)后，流回到低溫儲蓄罐，經(jīng)泵7加壓后，進(jìn)入到換熱器6內(nèi)與2級回路工質(zhì)B換熱，換熱升溫后的工質(zhì)A再次進(jìn)入換熱器5內(nèi)完成循環(huán)；2級回路循環(huán)工質(zhì)B流經(jīng)換熱器6降溫后，進(jìn)入到流回儲蓄罐，從儲蓄罐出來的工質(zhì)B經(jīng)泵12加壓后送入到風(fēng)機(jī)盤管達(dá)到制冷效果。

1.2 工質(zhì)選擇

2級回路中使用風(fēng)機(jī)盤管達(dá)到對室內(nèi)環(huán)境的制冷，所以工質(zhì)B選擇為水；對于工質(zhì)A的選取，應(yīng)考慮其安全性、環(huán)境友好性，對于設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，由于換熱器5內(nèi)溫度較低，制冷循環(huán)需采用凝固點(diǎn)較低的環(huán)境友好型工質(zhì)，本文使用了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%CaCl2水溶液。

2 效率計(jì)算

20世紀(jì)80年代，首次提出了炬用傳遞的概念[2]，項(xiàng)新耀[3]建立了炬用傳遞方程，引用“炬用阻”的概念，以熱力學(xué)與傳輸原理相結(jié)合的方法為基礎(chǔ)，提出了炬用傳遞分析，以揭示傳遞過程中能質(zhì)的變化規(guī)律，本文通過炬用傳遞的概念來分析整個(gè)系統(tǒng)的炬用效率。

工質(zhì)在某一點(diǎn)的炬用可以表示為：

式中：Ei為工質(zhì)某一狀態(tài)下的炬用；m為工質(zhì)的質(zhì)量；T0為環(huán)境溫度，本文取35℃；hi、h0為工質(zhì)在某一狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)的比焓值；Si、S0為工質(zhì)在某一狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)的比熵值。

炬用傳遞過程的由炬用平衡的定義有：

換熱器換熱過程可視為一個(gè)炬用傳遞過程，所以換熱器炬用效率等于換熱器換熱過程中收益炬用與換熱過程的輸入炬用的比值。換熱器5炬用效率：

E2，0、E2，i分別為換熱器熱端輸出炬用、輸入炬用，E1，i、E1，0分別為換熱器冷端輸入炬用、輸出炬用。

整個(gè)系統(tǒng)的輸入炬用由液氮進(jìn)入到換熱器5的進(jìn)出口炬用值的差值 E1，i-E1，0，系統(tǒng)風(fēng)機(jī)盤管功率 W、兩個(gè)泵功率P1、P2組成；系統(tǒng)收益炬用為工質(zhì)B進(jìn)出水冷式風(fēng)機(jī)盤管的炬用的差值，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，等于工質(zhì)B在換熱器6內(nèi)獲得的炬用。系統(tǒng)收益炬用：

E3、E4分別為工質(zhì)B進(jìn)出換熱器6的炬用值，則系統(tǒng)炬用效率：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

LNG由高壓鋼瓶儲存，流量為500 kg/h，工質(zhì)A流量為2 000 kg/h，工質(zhì)B流量為2 000 kg/h，根據(jù)溫度、壓力傳感器測量出的各數(shù)據(jù)求得對應(yīng)的炬用值，本文給出了一種計(jì)算情況，LNG進(jìn)出換熱器5的溫度為-162℃、-120℃，壓力不變?yōu)?.2 MPa；工質(zhì)A進(jìn)出換熱器5的溫度為10℃、-10.3℃，壓力不變?yōu)?.5 MPa；工質(zhì)B進(jìn)出換熱器6的溫度為25℃、11.8℃，壓力不變?yōu)? MPa，根據(jù)以上數(shù)據(jù)查詢Refprop軟件，再根據(jù)公式 1 可求得 E2，0-E2，i=15 484 kJ/h，E1，i-E1，0=146 910 kJ/h，η5=10.54%，此時(shí) E3-E4=6 842.5 kJ/h，η=6 842.5/（146 910+2.2×3 600）=4.4%.

圖2給出了LNG在換熱器5內(nèi)換熱后的出口溫度的變化對系統(tǒng)炬用效率的影響規(guī)律。

圖2 天然氣的出口溫度對換熱器5及系統(tǒng)炬用效率的影響

由圖2可知，隨著天然氣出口溫度的升高，換熱器5及系統(tǒng)的炬用效率升高，這是因?yàn)榈獨(dú)庠?內(nèi)的進(jìn)出口溫差增大，造成了換熱器5內(nèi)的收益炬用及輸入炬用升高，且收益炬用的增速大于輸入炬用的增速，所以換熱器5的炬用效率隨出口溫度升高而增加；此時(shí)二級回路溫差小效率高，經(jīng)過二級回路吸收利用的系統(tǒng)收益炬用（制冷量）的增速大于系統(tǒng)輸入炬用的增速，因此系統(tǒng)的炬用效率隨著溫度的升高而增大。

圖3給出了天然氣進(jìn)口壓力對系統(tǒng)炬用效率的影響。

圖3 天然氣的進(jìn)口壓力對換熱器5及系統(tǒng)炬用效率的影響

由圖3可知氮?dú)膺M(jìn)口壓力越大，換熱器5及系統(tǒng)的炬用效率越高。這是由于氮?dú)膺M(jìn)口壓力升高，造成了換熱器5內(nèi)的收益炬用及輸入炬用降低，且收益炬用降低的速度低于后者，所以換熱器5的炬用效率隨著壓力的升高而增大；此時(shí)二級回路溫差小換熱效率高，系統(tǒng)輸入炬用降低的速度大于輸出炬用的速度，所以系統(tǒng)的炬用效率隨著壓力的升高而增大。

4 結(jié)論

（1）與LNG換熱的換熱器5的炬用效率最高為20.4%，效率較低，這是由于換熱器5的溫差過大導(dǎo)致的不可逆炬用損失過大。

（2）系統(tǒng)炬用效率最高為9.9%，效率很低，主要是因?yàn)閾Q熱器5不可逆損失過大。

（3）提升LNG進(jìn)口壓力、天然氣在換熱器5內(nèi)的出口溫度能夠提升換熱器5及系統(tǒng)的炬用效率。

[1]李 靜，李志紅，華 賁.LNG冷能利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景[J]．天然氣工業(yè)，2005，25（5）：103-105．

[2]Soma J.Exergy transfer-A new field of energy endeavor[J].EnergyEngineering，1985，82（4）：225-219.

[3]項(xiàng)新耀.炬用傳遞方程及炬用傳遞分析[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1998，22（2）：416-418.

Study and Optimization of Cooling Recovery in LNG Vaporization Process

LIN Dong1，WANG Xiang-bao1，MA Zhi-yu1，DENG Wei2
（1.China Petrochemical Sales Co.，Ltd.，Guangxi Petroleum Branch，Nanning Guangxi 530021，China；2.Collegeof Mechanical Engineering，Nanning Guangxi 530004，China）

Ordinary LNG vaporization process directly to the LNG into the vaporizer resulting in a great waste.In this paper，a cold energy recovery device for absorbing LNG vaporization is designed，and the cooling capacity of LNG is applied to the water-cooled fan coil through the absorption conversion of two-stage refrigerant.The influence of inlet pressure and outlet temperature on the efficiency of LNG was analyzed.

LNG vaporization；cold energy recovery；two-stage refrigerant；exergy efficiency

TK01.9

A

1672-545X（2017）10-0146-03

2017-07-02

林 東（1964-），男，廣西博白人，大專，研究方向：LNG冷能回收；馬芝玉（1983-），女，廣西資源人，碩士，研究方向：LNG冷能回收；鄧 偉（1992-），男，湖北神農(nóng)架人，碩士生，研究方向：LNG冷能回收。