液化天然气卫星站冷能梯级优化利用.pdf

第 3 9卷 第 1 1 期 2 0 1 1年 1 1 月 化学工程 C H E MI C A L E N G I N E E R I N G C H I N A Vo 1 ． 3 9 N o ． 1 1 NO V． 2 01 1 液化天然气卫星站冷能梯级优化利用 罗 凯，陈保 东，李朝阳，张莉莉，高 岩 ，刘 亮 辽宁石油化工大学 石油与天然气工程学院，辽宁 抚顺1 1 3 0 0 1 摘要 近年来随着中国液化天然气 L N G 产业的迅速发展， 全国各地相继建设了2 0 0多座 L N G卫星站， 今后还将会 以较快的速度继续增长。研究如何高效合理地利用这些卫星站的冷能对于节能环保 、 建设节约型社会有着重要的 意义。文中对 L N G卫星站的冷炯特性进行了分析， 得出L N G卫星站冷能的利用特点。通过对 L N G冷能梯级利用 理论的分析和探讨 ， 指出为充分高效地利用 L N G卫星站的冷能应该安排一系列用户 ， 按照温位由低到高， 逐级地利 用 L N G的冷能， 并讨论了 L N G冷能梯级利用实施的关键技术， 继而开发出将卫星站的冷能应用于废旧橡胶低温粉 碎一 室内滑冰场- 果蔬保鲜库的梯级利用工艺， 以期望能够达到尽量减少炯损失、 合理利用 L N G冷能的目的。 关键词 液化天然气； 卫星站； 冷．炯分析； 冷能； 梯级利用 中图分类号 T Q 0 2 8 ． 9 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 5 - 9 9 5 4 2 0 1 1 1 1 - 0 0 3 6 - 0 3 Ca s c a d e u t i l i z a t i o n o f c o l d e n e r g y o f l i q u e fie d n a t ur a l g a s s a t e l l i t e s t a t i o n LUO Ka i ，CHEN B a o - d o n g，LI Z h a o - y a n g，Z HANG Li - i i ，GAO Ya n，L I U Li a n g C o l l e g e o f P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， L i a o n i n g S h i h u a U n i v e r s i t y ， F u s h u n 1 1 3 0 0 1 ， L i a o n i n g P r o v i n c e ， C h i n a A b s t r a c t Wi t h t h e r a p i d d e v e l o p m e n t o f l i q u e fi e d n a t u r a l g a s L N Gi n d u s t ry i n C h i n a ，mo r e t h a n 2 0 0 L N G s a t e l l i t e s t a t i o n s we r e b u i l t t h r o u g ho u t t h e c o u n t r y，a n d t h e y a r e g o i n g t o g r o w wi t h a f a s t e r r a t e．I t i s v e ry i mp o r t a n t t o s t u d y ho w t o ma k e b e t t e r us e o f i t s c o l d e n e r g y t o s a v e e n e r gy a n d p r o t e c t e n v i r o n me n t ．Th e e x e r gy o f LNG wa s a n aly z e d，a n d c a me t o t h e r e s u l t o f t h e c o l d e n e r gy f e a t u r e s o f t h e L NG s a t e l l i t e s t a t i o n ．T h r o u g h a n aly z i n g a n d d i s c u s s i n g o f t h e t h e o ry o f c a s c a d e u t i l i z a t i o n，i t c a me u p wi t h tha t i n o r d e r t o ma k e e ff i c i e n t l y u s e o f t h e c o l d e n e r gy ，a s e r i e s o f u s e rs s h o u l d b e a r r a n g e d f r o m l o w t e mp e r a t u r e t o h i g h t e mp e r a t u r e S O a s t o u s e t h e c o l d e n e r gy o f L NG pr o gre s s i v e l y．Be s i d e s，t h e k e y t e c h n o l o g i e s o f c a s c a d e ut i l i z a t i o n i mpl e me n t a t i o n o f LNG we r e d i s c u s s e d． Th e p r o p o s a l Was p r e s e n t e d， i n whi c h t he c o l d e n e r g y c a n b e a p p l i e d t o t h e c a s c a d e u t i l i z a t i o n o f was t e r u bb e r c ryo g e n i c d e v i c e s k a t i n g rink p r e s e r v a t i o n l i b r a r y o f f r u i t s a n d v e g e t a b l e s ， wh i c h are e x p e c t e d t o mi ni mi z e t h e e x e r gy l o s s o f t h e c o l d e n e r g y a nd ma ke r a t i o n al u s e o f i t ． Ke y wor d s l i q u e fie d na t u r a l g as ；s a t e l l i t e s t a t i o n；c o l d e x e r g y a n aly s i s；c o l d e n e r gy ；c a s c a d e u t i l i z a t i o n 近年来随着液化天然气 L N G 产业的迅猛发展 以及人们对节能环保意识的不断提高， 如何有效地利 用 L N G 的冷能已成为一项亟待解决的问题。目前， 大型 L N G接收站的冷能利用 已受到全社会的普遍关 注， 并相继提出了一系列梯级利用的工艺方案⋯。相 比大型的接收站 ， 由于小型卫星站 的冷能较小、 冷量 随时间波动频繁等原因， 使得小型卫星站的冷能利用 未能得到充分的发展和重视。事实上， 小型卫星站的 管网输送距离短， 气化压力低 ， 相应消耗的 L N G压力 炯少， 可利用的冷能比大站还要多， 且其潜在的冷能 用户种类繁多 ， 温位分布广 ， 更有利于梯级利用。废 旧轮胎低温粉碎 、 制取干冰、 低温炯发 电、 冷库 、 滑冰 场、 冷水空调 、 果蔬保鲜等， 都是适合于与卫星站冷能 匹配的用户 ， 而且这些冷能用户投资少 ， 占地面积小 ， 很容易与卫星站同步规划和建设 J 。因此 ， 本文以大 型接收站冷能梯级利用的经验为基础， 提 出将 L N G 卫星站的冷能应用于废旧橡胶低温粉碎一 室内滑冰场 ．果蔬保鲜库的梯级利用方案。 1 L NG卫星站冷量分析 1 ． 1 L N G炯数学模型 炯分析是能量系统的一种重要分析方法 ， 其从 收稿 日期 2 0 1 1 5 3 作者简介 罗凯 1 9 8 6 一 ， 男， 硕 士， 研究方 向为 L N G卫星站的建设与研究 ， 电话 1 3 9 4 2 3 9 0 2 1 4 ， E m a i l l u o k a i 8 2 7 f o x mai l ． c o l r l 。 罗 凯等液化天然气卫星站冷能梯级优化利用 3 7 “ 量” 和“ 质” 二方面对能量进行了统一 ， 应用炯分析 可 以揭示能量系统内不可逆损失分布 、 成 因及大小 ， 为合理高效地利用 L N G冷能提供重要的理论指导。 L N G是 以甲烷为主 ， 包括氮、 乙烷 、 丙烷等组分的低 温液体混合物。L N G与外界环境存在着温度差和 压力差 ， 所以其物理炯可分为压力 P F由热不平衡 引起 的冷炯 e 和力不平衡引起 的压 力炯 ． 这二 部分 J ， 计算式为 e ， P e h ，p 1 其中 e h e T ， P 一 e r o ， P 2 e e T o ， P 一 e r o ， P 0 3 1 ． 2 L N G卫星站冷炯特性 采用热力学 P e n g R o b i n s o n方程进行计算 ， 分析 不同气化压力下 L N G冷炯和压力炯的变化情况 ， 结 果如图 l 所示。从图 1中可以看出 ， 常压 的 L N G在 不同的工作气化压力下 ， 其物理炯变化很小 ， 压力炯 随着系统压力的增大而增 加， 而冷炯则 随着系统压 力的增大而减小 。由于冷炯和压力炯随系统压力变 化存在这种差异 ， L N G冷能的回收途径也应有所不 同， 在系统压力小于 1 ． 0 M P a时， 压力炯所 占比例很 小， 而冷炯所 占的比例较大， 此时应 当主要 回收 L N G的冷炯 ， 而且系统压力越小越有利于冷炯的回 收利用。对于大型的 L N G接收站 ， 其气化压力均在 6 ． 0 MP a以上 ， 而在小型卫星站 内， L N G的气化压力 一 般在 0 ． 7 _ _ o ． 8 MP a _ 4 J ， 因此卫星站 中单位质量 的 L N G冷炯比大型接收站的还要大。 _ l 曲 ● 暖 妞 系统压 力／ MP a 图 1 L NG冷能随 系统压力的变化 F i g ． 1 Ch a n g e o f c o l d e n e r g y o f L NG wi t I l s y s t e m p r e s s u r e 2 L N G 冷能梯级利用的理论基础及其实施的关键 技术 目前， 国内的 L N G卫星站冷能利用项目大都是 单一用户， 且其用冷温位大都与 L N G气化时一 1 6 0 oC 的冷 能温度不 匹配 ， 即“ 低 温冷 能高温用 ” ； 例 如， 一 3 0℃的冷库来利用 L N G气化时 一 1 6 0 o C 的低温冷 能， 显然会造成极大的冷炯损失， 经济效益降低。此 外， 不同用户对冷能的温位要求也有所不同； 为了能 够达到高效利用 L N G的冷能 ， 应该安排一系列用户， 按照温位 由低到高 、 逐级地利用 L N G的冷能， 做 到 “ 温度对口、 高能高用、 低能低用” 的梯级模式 J 。 想要对 L N G冷能进行梯级利用首先需解决几 个关键技术问题 ， 即 L N G气化操作过程和冷能利用 过程在时间和空间上的不同步问题 、 冷媒与 L N G的 换冷和冷能暂存技术以及冷媒循环与多级换冷网络 集成优化技术。对于时空不同步的问题 ， 目前常采 用的办法是利用循环冷媒作为冷能传递和存储的介 质 ， 按照 L N G的气化规律 回收冷 能， 这样可 以保证 冷能的稳定供应。而后2个技术问题目前也已在科 研工作和工程建设当中得到解决。因此 ， 对 L N G卫 星站的冷能进行梯级利用是可行 的。从物质流角度 讲， 各级之间采用各自冷媒进行循环换冷； 从能流角 度讲 ， L N G冷能可以按照用户所需温位 ， 由低到高 ， 逐级供冷； 从炯经济学角度讲， 过程炯损失的大小是 由换冷网络的优化设计所安排的冷媒和 L N G热容 的差异 ， 以及换冷温差所决定 的_ 6 J 。结合 当地用冷 的实际情况 ， 将 L N G卫星站的冷能进行梯级利用可 以实现经济效益的最大化。 3 L NG卫星站冷能梯级利用方案的工艺流程 考虑到 L N G卫星站 的冷能特点并结合梯级利 用理论 ， 本文提出将 L N G卫星站的冷能应用于废 旧 橡胶低温粉碎一 室内滑冰场一 果蔬保鲜库的梯级利用 方案 。我国每年报废的轮胎接近 1 亿条， 总的废 旧橡胶达到4 0 0万 t ， 废橡胶在 自然条件下很难降 解 ， 而且还容易引发火灾和环境污染。与此同时 ， 我 国又是一个生胶资源短缺的国家， 每年需要进口大 量的生胶， 因此废 旧橡胶的回收利用 ， 对于充分利用 再生资源， 摆脱 资源匮乏十分重要。 目前废旧橡胶 的回收利用一般采用低温粉碎法 ， 现有 的废旧橡胶 低温粉碎工艺一般采用液氮或涡轮膨胀制冷产生的 低温空气作为橡胶的冷却介质， 但这需要消耗大量的 冷能用于橡胶的冷冻和粉碎 ， 能耗成本高。由于普通 橡胶的玻璃化温度在 一 1 0 5 oC以上， 一般将其冷却至 一 8 0℃左右就脆化变硬了， 故可将废旧轮胎低温粉 碎作为L N G卫星站冷能梯级利用的第 1 级。L N G的 冷能经过低温粉碎工艺利用后， 其温度仍低于0 oC， 而室内滑冰场所需的温度在0 c I 以下， 据此可将室内 滑冰场作为梯级利用的第 2 级。经过前2 级利用后， 其温度仍低于环境温度， 可考虑将这部分冷量应用于 O O O 0 O O O 加 ∞ ∞ ∞ 们 加 3 8 化学工程2 0 1 1年第 3 9卷第 1 1 期 果蔬保鲜库 ， 果蔬保鲜库的温度在 0 1 0℃， 此温度 范围适合作为梯级利用的第 3级。这样可使 L N G的 冷量几乎无浪费地得到利用 ， 其冷能的利用效率将大 大提高。该方案的工艺流程如图 2所示。 L NG卫星站 低温 粉碎控 制区 滑冰 场控制 鲜 J车控制 ‘ 。 ’ 一 。一 一I 广’ 一 一’ 一 一 一一 一一 一 一一 一 一一 一 一一 一 一一 一 ● 一一 一 一’ 一 一一 一 一一 一 一一 ■一 一 一一 一 一一 一 一一 一 一一 一一 一 ’ 图 2方案工艺流程图 F i g ． 2 F l o w c h a r t o f p r o g r a m p r o c e s s 由图 2可知 ， 该方案各级之间的管路行程采用 串联方式 ， 按照 由低到高 的温 位 ， 各级用户先 后 用 自己的冷媒与 L N G的冷量进行逆流换 热。考虑 到 L N G属于易燃易爆的物质 ， 利用过程 的安全性要 求高 ， 最好不要将 L N G输送到卫星站以外进行冷能 利用 ， 因此 L N G从储罐出来 以后先送至换热器 E l 与高温冷媒进行完全换热 ， 经换热气化后的天然气 被送至城市管网供各类用户使用 ， 为满足天然气 的 正常供应 ， 需在工艺 中增设空温式气化器 。换热后 的低温冷媒经低温泵增压后被先后送入废 旧轮胎低 温粉碎工厂一8 0℃ 、 室内滑冰场 0℃ 以下 和果 蔬保鲜库 0 一l O℃ 进行冷能回收利用。在第 1 级 中， 废 旧轮胎经初步粉碎处理后形成粗胶粒 ， 粗胶粒 首先进入预冷室进行初步降温， 然后将其送人冷冻 室冷冻 ， 冷冻脆化后的粗胶粒在低温粉碎机 中进行 粉碎 ， 最后形 成细胶粉 。首先 ， 空气经压缩 机 T C 1 增压后在换热器 E 2处回收冷媒的冷能， 待空气的 温度降至 一 8 0 c I 左右后将其输送到冷冻室和低 温 粉碎机中用于粗胶粒的冷冻和粉碎， 对于多余的冷 量可以将其送入蓄冷装置用于调峰， 从冷冻室和低 温粉碎机中出来的温度仍然很低， 可将其送至预冷 室用于粗粉粒的预冷， 待空气的温度升至 0℃ 以上 后 ， 经压缩机 T C 2增压再送 回至换热器 E 2 ， 形成冷 媒的循环利用。经低温粉碎工厂利用后 ， 冷媒 的温 度仍低于 0℃ ， 将其送至室 内滑冰场进行冷能回收 利用。滑冰场冷媒在换热器 E 3处继续 回收 L N G的 冷量 ， 然后将回收的冷量送至滑冰场内部换热系统 ， 多余的冷量存人蓄冷装置以便调峰， 经换热后的滑 冰场冷媒被送入冷媒储罐准备再利用 ， 形成冷媒 的 循环利用 。为满足冷量的正常供应 ， 在该工艺 中设 置了 1 条冷量补充管线 ， 可通过调节 阀控制冷量 的 补充。经前二级利用后 ， 冷媒的温度仍低于环境温 度 ， 将其送人果蔬保鲜库进行冷能的第 3级利用 ， 该 部分流程同上。 该方案的优点在于 ①根据冷能用户对温度的不 同要求， 按照温位由低到高逐级利用 L N G的冷能， 这样 基本能够达到尽量减少炯损失的 目的； ② 由于 L N G的 气化规律随昼夜和季节变化较大， 故在各级中均增设 了蓄冷装置以便调峰， 这样可以保证冷能的稳定供应 ； ③相比大型接收站的冷能利用项目， 小型卫星站的冷 能用户投资少、 占地面积小、 管网输送距离短 ， 便于同 卫星站的同步规划和建设； ④该套方案工艺流程简单， 操作灵活 ， 在实际应用时， 还需结合当地企业的实际用 冷隋况做出梯级规划， 像低温炯发电、 制取干冰、 冷库、 冷水空调等也都是适合与卫星站冷能相匹配的用户， 例如图 3和图4也是比较好的梯级利用方案。 图 3 方案 2 F i g ． 3 P r o p o s a l 2 【 下转第 4 8页】 4 8 化学丁程2 0 1 1 年第 3 9卷第 l 1 期 起重要作用 。同时探讨了该二元混合体系摩尔体积 和组分的表观摩尔体积与温度及组成 的相关性 。研 究结果为该二元体系相关热力学性质的研究提供实 验基础。 参考文献 『 1 ] T R E S Z C Z A N O WI C Z A J ， B E N S O N G C ．E x c e s s v o l u m e s f 0 r 2 - me t h y l b u t a n - 2 一 o l n h e p t a n e a n d f o r c y c l o p e n t a n o l n h e p t a n e [ J ] ．J C h e m T h e r m o d y n ，1 9 9 8 ， 1 7 1 1 2 3 1 2 9 ． [ 2 ] 林明穗 ， 王仁章． 1 ， 3 - 丙二醇在水 、 乙醇溶液中的体积 性质[ J ] ． 吉林师范大学学报 自然科学版， 2 0 0 8 4 3l 一 3 4． [ 3 ] G U P T A M，V I B H U I ，S H U K L A J P ．R e f r a c t i v e i n d e x ， mo l a r r e f r a c t i o n d e v i a t i o n a n d e x c e s s mo l a r v o l u me o f b i n a r y m i x t u r e s o f 1 ， 4 - d i o x a n e w i t h e a r b o x y l i e a c i d s [ J ] ． P h y s C h e m L i q ， 2 0 1 0 ， 4 8 4 4 1 5 _ 4 2 7 ． [ 4 ] G O N Z A L E Z B， C A L V A R N， G O ME Z E，e t a 1 ．D e n s i t y ， d y n a mi c v i s c o s i t y ，a n d d e ri v e d p r o p e r t i e s o f b i n a r y mi x t u r e s o f me t h a n o l o r e t h an o l wi t h w a t e r ，e t h y l a c e t a t e a n d m e t h y l a c e t a t e a t T 2 9 3 ． 1 5 ， 2 9 8 ． 1 5 a n d 3 0 3 ． 1 5 K [ J ] ．J C h e m T h e r mo d y n ， 2 0 0 7， 3 9 1 2 1 5 7 8 1 5 8 8 ． 【 上接第3 8 页】 图 4方案 3 F i g ． 4 P r o p o s a l 3 4结 论 1 通过对 L N G卫星站冷量的分析 ， 指 出 L N G 的物理炯 由冷炯和压力炯组成， 在不 同的工作气化 压力下 ， 压力炯随着系统压力的增大而增加 ， 而冷炯 则随着系统压力的增大而减小， 由于卫 星站的气化 压力较低， 因此卫星站中单位质量的L N G冷炯比大 型接收站的还要大。 2 通过对 L N G冷能梯级利用理论的研究 ， 指 出单一T艺无法充分利用 L N G的冷量 ， L N G的冷炯 损失较大。为充分高效地利用 L N G卫星站的冷能， 应该安排一系列用户， 按照温位由低到高， 逐级地利 用 L N G的冷能。 3 提出将 L N G卫星站的冷能应用于废旧橡胶 低温粉碎． 室内滑冰场 果蔬保鲜库的梯级利用方 案， 以期望能够尽量减少冷炯损失， 达到合理地利用 [ 5 ] 凌锦龙， 徐敏虹， 赵明星， 等． 乙酸乙酯一 异丙醇混合液 的密度和折光率[ J ] ． 化学工程， 2 0 1 0 ， 3 8 8 5 6 - 6 3 ． [ 6 ] P E R E I R O A B， R O D R [ G U E Z A ．T e r n a r y 1 i q u i dl i q u i d e q u i l i b r i a o f t h e a z e o t r o p e e t h y l a c e t a t e 2 - p r o p a n o 1 w i t h d i f f e r e n t i o n i c l i q u i d s a t T 2 9 8 ． 1 5 K[ J ] ．J C h e m T h e r m o d y n ， 2 0 0 7 ， 3 9 1 2 1 6 0 8 1 6 1 3 ． [ 7 ] P E R E I R O A B，R O D R I G U E Z A ．T h e r m o d y n a mi c p r o p e rt i e s o f i o n i c l i q u i d s i n o r g a n i c s o l v e n t s f r o m 2 9 3 ． 1 5 t o 3 0 3 ． 1 5 K[ J ] ．J C h e m E n g D a t a ，2 0 0 7 ， 5 2 2 6 0 0 6 0 8 ． [ 8 ] A N D R E A T Y A A E ， A R C E A， R O D I L E， e t a 1 ．P h y s i c a l pr op e rti e s o f bi na r y an d t e m a mi x t ur e s o f e t h y l a c e t a t e， e t h ano 1 ．a n d 1 一 o c t y l 一 3 一 me t h y l i mi d a z o l i u m b i s t r i fl u o r o m e t h y l s u l f o n y 1 i mi d e a t 2 9 8 ． 1 5 K [ J ] ．J C h e m E n g D a t a ， 2 0 0 9 ， 5 4 3 1 0 2 2 1 0 2 8 ． [ 9 ] 马沛生， 金会义， 李楠楠 ， 等． 苯乙烯正辛烷混合液密 度黏度的测定及关联 [ J ] ． 天津大学学报， 2 0 0 5 ， 3 8 4 3 5 6 - 3 6 0 ． [ 1 0 ]孙义， 马沛生． 巴豆酸乙酯与乙醇混合液密度和黏度 的测定及关联[ J ] ． 高校化学T程学报， 2 0 0 7 ， 2 1 3 51 1_ 5】 5． L N G卫星站冷能的 目的。 参考文献 [ 1 ] 尤海英， 马国光， 黄孟， 等． L N G冷能梯级利用方案 [ J ] ． 天然气技术 ， 2 0 0 7 ， 1 4 6 5 -68 ． [ 2 ] 华贲， 熊永强． 中国 L N G冷能利用的进展和展望[ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 9 ， 2 9 5 1 0 7 1 1 1 ． [ 3 ] 顾安忠， 鲁雪生， 汪荣顺， 等． 液化天然气技术[ M] ． 北 京 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 4 ] 熊永强， 华贲， 贾德民． 利用液化天然气卫星站冷能的 废旧橡胶低温粉碎装置[ J ] ． 现代化工， 2 0 0 9 ， 2 9 7 5 9 2． [ 5 ] 高文学， 王启 ， 项友谦． L N G冷能利用技术的研究现状 与展望[ J ] ． 煤气与热力 ， 2 0 0 7， 2 7 9 l 5 2 1 ． [ 6 ] 徐文东， 边海军， 樊栓狮， 等． L N G卫星气化站冷能利 用技术[ J ] ． 天然气工业， 2 0 0 9 ， 2 9 5 1 1 2 1 1 4 ． [ 7 ] 熊永强， 李亚军， 华贲． 液化天然气冷量利用的集成优 化[ J ] ． 华南理工大学学报 自然科学版 ， 2 0 0 8 ， 3 6 3 2 0- 2 5． [ 8 ] 刘刚， 关勇， 高岩． 液化天然气冷能用于人工滑冰场制 冷[ J ] ． 油气田地面工程， 2 0 0 6 ， 2 5 3 3 1 ．