LNG蓄冷及其冷能的应用

0 前言

近 40年来，由于人们对环境保护的重视，天然气的开发与应用越来越受到重视，被广泛用于发电、汽车燃料、化工原料、民用燃料等方面，其消耗量以5%~10% 的速度逐年增长。由于LNG的温度为-162℃，将它气化成室温时将会放出很大的冷量，LNG冷量值大约是837kJ/kg，因此如何合理利用这些制冷量是一个影响经济效益的重要问题。

1 中国液化天然气的发展

为了改变能源结构、改善环境状态、发展西部经济，中国政府十分重视天然气的开发和利用。近十年来，中国的LNG开发已起步，在LNG链的每一环节上都有所发展，尤其是近几年内，在某些环节上的进展还比较大。已建天然气液化工厂有上海的LN G事故调峰站和河南中原天然气液化工厂。新疆正在筹建一座规模更大的天然气液化工厂。中国为了引进国外LNG，正在广东深圳建造LNG接收终端；并准备在福建建造第二座LNG接收终端。在LNG运输方面，储罐制造商生产的LNG槽车已投入运行，正计划开发制造运输LNG的集装箱。中国政府已开始制定建造 LNG船的计划。在LNG应用方面,山东、江苏、河南、浙江和广东等省的一些城镇建立了气化站，向居民或企业提供燃气。为了使LNG在中国得到迅速发展，相应的LNG标准制定工作也已经开展。在高等院校，展开了对天然气应用的基础研究。

天然气是当今世界能源消耗中的重要组成部分,它与煤炭、石油并称为世界能源的三大支柱。天然气是一种洁净的能源。我国具有丰富的天然气资源。随着我国西部大开发中四大工程之一的“西气东输”工程的实施,将有力地促进天然气的开发和利用。

2 LNG蓄冷

2.1 LNG蓄冷原理

LNG 主要用于发电和城市燃气，LNG的气化负荷随时间和季节发生波动。对天然气的需求是白天和冬季多，所以LNG气化所提供的冷能也多。反之，在夜晚和夏季，可以利用的LNG冷能也随之减少。LNG冷能的波动，将会对冷能利用设备的运行产生不良影响，必须予以重视。蓄冷装置是利用相变物质的潜热存储LNG冷能。原理如下，白天LNG冷能充裕时，相变物质吸收冷量而凝固；夜间LNG冷能供应不足时，相变物质溶解，释放出冷量供给冷能利用设备。

2.2 LNG蓄冷与冰蓄冷的比较

冰蓄冷主要是利用夜间的谷价电运行制冷机组将冷能储存于蓄冷装置中供白天冷能利用设备。冰蓄冷将白天的电力峰负荷转移到晚上，而冷能供给主要集中在白天，冷能利用在中高温范围内。LNG蓄冷主要利用LNG气化时富裕的冷量贮存起来，根据需气化的LNG气体的量，供冷主要集中在晚上，白天将充裕的冷量储存起来。由于LNG温度在-162℃左右，且单位冷量值极大，可运用到深冷领域。相变物质的选择是LNG蓄冷装置研究的关键，要充分考虑相变物质的熔点、沸点及安全性问题。

2.3 LNG蓄冷装置的系统流程设计

该系统主要由液化过程、蓄冷过程、LNG气化过程、释冷过程组成。

流程图如下：

充排管需从罐顶或是罐底引入储液槽，防止由于工作过程中由于温度变化和液体压力作用，会在管道的轴向和垂直方向产生位移，在节点处产生扒力和瞬时负荷。

2.3.1 LNG液化循环

该循环主要将闪发的LNG蒸汽再液化，提高储罐的安全性和LNG利用率。该流程利用膨胀机的绝热膨胀降低制冷剂温度，以此作为液化流程的冷源，同时可以有效回收膨胀功用于压缩原料天然气，减少部分压缩机功耗。

具体流程如下：

天然气经换热器A1,A3后再分离器A2中进行气液分离，气相部分进入主换热器A3冷却液化，经过冷换热器A4过冷节流到LNG储槽。

2.3.2蓄冷循环

利用LNG气化时通过换热气传递给载冷剂的大量冷量储 存在相变材料中。

2.3.3释冷过程

通过相变物质的溶解释放冷量利用载冷剂将冷量传递给冷量利用装置。

2.3.4系统优化

在白天需利用大量冷量的场合可以牺牲部分LNG。使之直接气化产生冷量提供给末端，蒸汽通过再液化装置回收。

3 应用

3.1 LNG蓄冷装置在LNG船上的应用

液化天然气船是贮存和运输液化气的主要工具，几乎所有的LNG船是用蒸汽轮机推进，汽化气或重油均可作为主锅炉的燃料，也可以混烧，特别是单用汽化气时最干净。若以燃烧液化燃料作为主机动力，实现热电联供，在液体燃料气化时将产生大量冷量，而这些冷量往往被浪费。而将这部分冷量储存起来或直接利用，对于 LNG船在航行中冷量需求量的巨大，意义重大。

3.1.1装货航行中冷却液货舱

液化气船在载货航行期间，必须进行货物状态控制，即保持货物数量，控制不必要的货物排放；保持液货舱的蒸汽压力在压力释放阀的调定值压力之下；根据需要保持或改变货物温度。对于全冷式或半冷、半压式液化气船，其货物状态控制比全压式液化气船要复杂得多。

在航行过程中，由于液货摇晃产生的热量和外界传给液货的热量会使液货温度不断升高，若不对其及时冷却，蒸汽压力不断升高，船舶的安全航行受到威胁。必须用相当于整船造价5％的再液化装置液化货物蒸汽，将液货温度和蒸汽压力降到安全范围内或通过安全阀向外界大量排放蒸汽。

对于大型液化气船，再液化装置的制冷量有限，往往需要数天才能把液货温度降低0.5℃左右，能耗巨大。即使船舶在海况恶劣的环境下航行，利用贮藏的LNG冷能，船舶的液货舱能得到实时监控释放冷量冷却，控制平稳，航行安全可靠，经济性突出。在海况平静船舶不摇晃时，可用LNG直接通到货舱底部，使货舱液货搅动。当货物冷却到要求程度，释冷冷量只需抵消从外界通过绝热层传给液货舱的热量。

3.1.2在船舶空调和伙食冷库的应用

LNG 在常压下的沸腾温度为-162℃，气化时冷量值大约是837kJ/kg，少量液体燃料在燃料燃烧前气化时吸收的气化潜热所产生的冷量，足以维持船舶冷库 -20℃的库温和船舶空调夏天26～28℃的环境控制温度，通过载冷剂将LNG蓄冷槽相变物质溶解释放的冷量传递给冷库和空气处理装置。

3.1.3对燃气轮机进气冷却的应用

燃气轮机的热效率和功率随机组燃气温度的升高而降低。如图所示：

从中我们得到温度与功率和效率的关系，见下表：

原理图如下：

从冷槽释放的相变物质熔解的冷量通过载冷剂传递给气液换热器冷却进气，换热后返回蓄冷槽重新获得冷量循环。

实验数据表明燃机在40F(4.4℃) 进气温度时的总出力要比102F(38.9℃)时高28%左右，总热效率提高约6%，排气温度降低约5%。 由于经过燃机的总的空气质量流量在被冷却后得到提高，余热锅炉的汽轮机出力可提高约8%。

3.2 利用码头液货贮存的冷量对液货舱预冷作业

当液货装入船舶液货舱和管系时，为了防止货舱和管系产生过度的热应力，在装货前必须把它们的温度逐渐冷却下来，直至接近装货温度，这一过程称为预冷。码头的大型LNG储槽贮存的LNG液货本身蕴涵着巨大冷量，将码头贮罐的液相货物通过货舱顶部的液货喷淋管以雾状喷入液货舱内，液货在液货舱内迅速汽化吸热，利用液货的汽化潜热来冷却液货舱。根据货舱内的压力和温度控制液相货物的输入速度，液相货物汽化产生的蒸汽可通过蒸汽回流管送回岸站。

3.3 岸站周边建筑冷能的利用和周边冷冻食品的制造

岸站周边的建筑空调可考虑采用利用LNG蓄冷装置贮存的冷能集中供冷，由于冷能供应时间上的不平衡，需考虑运行策略，以达到一定经济性。

快速冷冻食品具有保留食品的原始成分，维持良好的食品质量的优点，尤其许多深海鱼类需深度冷冻保鲜。利用码头岸站贮存的巨大冷量和LNG本身的低温性及时为它们的加工提供条件，开发速冻食品和深海鱼类加工是很有发展前途的工作。

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