石油与天然气化工  2015, Vol. 44 Issue (6): 60-65, 69
一种LNG卫星站冷能制冰工艺的改进优化
张自波 1, 董事尔 1, 况岱坪 2     
1. 西南石油大学土木工程与建筑学院;
2. 中国石油集团工程设计有限公司北京分公司
收稿日期：2015-05-28；修改日期：2015-07-20
作者简介：张自波(1990-)，男，西南石油大学土木工程与建筑学院在读研究生。现从事LNG冷能利用及新能源开发技术的研究。E-mail：swpuzzb@163.com.
摘要：通过分析发现，目前一种新的LNG卫星站冷能制冰工艺(文中工艺流程一)仍存在一些不足：其仅能回收利用LNG高品位冷能，而不能有效回收利用低品位冷能。为此，对该工艺作了进一步改进，在其基础上提出了两套更加节能的LNG卫星站冷能制冰工艺(文中工艺流程二、三)，并对其工艺参数作了模拟优化。对于气化量为(2~10)×104 m3/d的小型LNG卫星站，在给定的几种工况下，通过Aspen软件模拟计算，并对比分析发现，改进优化后的工艺流程二、三较工艺流程一，压缩机能耗最高分别降低了26.51%、28.75%；在制冰经济效益上，日收益额最少可分别高出107元、119元，最高可达307元、489元，年收益额则最多可分别高出11.2万元、17.8万元；此外，在设备初投资及运行维护费用上，工艺流程三较工艺流程二更经济。由此可见，在LNG冷能制冰上，改进优化后的两套新工艺较改进前的工艺更具经济优势，且随着气化量的增大，其优势越来越明显，其中工艺流程三优势更突出，更适合LNG卫星站冷能制冰项目。
关键词：LNG卫星站    冷能制冰    低品位冷能    Aspen    工艺优化    压缩机能耗    经济效益    
Improvement and optimization of an ice-making process utilizing cold energy from LNG satellite station
Zhang Zibo1 , Dong Shier1 , Kuang Daiping2     
1. School of Civil Engineering and Architecture, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China;
2. Beijing Branch of China Petroleum Engineering Co., Ltd, Beijing 100085, China
Abstract: Analysis results show that there are still some shortcomings in the latest ice-making processes of utilizing cold energy from LNG satellite station (the first process in this paper): only the high-grade cold energy of LNG can be recycled while the low-grade cold energy is wasted. So, improvements have been made, and two more efficient energy saving ice-making processes (the second process and the third process in this paper) are proposed on the basis of the first process, and the process parameters are optimized. Simulation and analysis for the ice-making process of utilizing cold energy from LNG satellite station, whose vaporizing quantity is (2-10)×104 m3/d, are made by the application of Aspen software. The results show that the energy consumption of compressor in the second and third process can reduce 26.51% and 28.75% respectively than that of the first process. For the first investment of equipment and operation cost, the third process has more advantages than the second process. Obviously, the two modified processes have more advantages than the first processes, and the advantages become more obviously with the increase of vaporizing quantity and the advantages of the third process is most apparent, and it is more suitable for ice-making project of LNG satellite station.
Key Words: LNG satellite station    cold energy to ice-making    low-grade cold energy    Aspen    process optimization    energy consumption of compressor    economic benefit    

LNG的生产是一个巨大的耗能过程，每生产1 t LNG约消耗850 kW·h的电能，这些电量很大一部分以冷能的形式储存在LNG中，其气化时可释放出约830~860 MJ/t的冷量，若转化成电能约为240 kW·h/t[1]。以我国沿海的大型LNG接收站为例，其LNG接收能力总共约为9 000×104 t/a，如将其冷能全部转化为电能则约为216×108 kW·h/a[2]。近年来，LNG冷能回收利用技术得到快速发展，LNG冷能用于发电[1-3]、低温粉碎[4]、空分[5]、低温冷库[6-7]、海水淡化及空调供冷[8]等工艺不断得到优化改进，其中LNG冷能用于发电、低温粉碎和空分工艺已经产业化，其余LNG冷能回收利用技术也相对成熟。但这些技术主要是针对大型LNG接收站，对小型LNG卫星站的冷能利用研究则相对较少。为缓解不断扩大的天然气市场需求与燃气管网基础建设滞后现状之间的矛盾，我国加快了LNG卫星站的建设步伐，截至2007年，建成的LNG卫星站已超过200个，供气能力达400×104 m3/d，而到2012年，规划建设的LNG卫星站数量则达到600多座，这为LNG卫星站冷能利用带来了巨大潜力[2, 9-11]。开发出适用于LNG卫星站冷能回收利用的新工艺，继续改进优化现有工艺，不断提高LNG卫星站冷能利用效率，努力提升LNG卫星站冷能回收经济效益意义重大。

1 LNG冷能制冰工艺的改进
1.1 现有LNG卫星站冷能制冰工艺分析

与沿海大型LNG接收站相比，单个LNG卫星站的冷能利用难以形成规模，这使得相关研究也相对滞后，直到2010年，国内才出现了首个LNG卫星站冷能利用工程项目，其冷能利用研究工作也陆续展开[12-13]。近年来，随着国内LNG卫星站数量不断增加，我国掀起了LNG卫星站冷能利用研究的热潮，然而对LNG冷能制冰项目的研究则相对较少，虽然国内已经有了这方面的专利，但仍然存在着两个问题：其一是冷用户对冰的需求量与LNG气化量在时间上不同步；其二是冰产量过度依赖于燃气用户用气规模[13-15]。为了解决这两个问题，文献[15]中提出了如图 1所示的新型LNG卫星站冷能制冰工艺(工艺流程一)。该工艺将传统的LNG冷能制冰工艺与蒸汽压缩式制冷循环有机结合起来，并采用天然气作为压缩机的驱动燃料[15]。其工艺流程说明如下：在流程1-2-3-7-17-6中，经泵加压后的0.2~0.5 MPa、-162 ℃的LNG由调节阀3调节后，在LNG换热器中与压力为0.4 MPa左右、温度为-16~-10 ℃的气态R410A换热后变为压力0.2~0.5 MPa、温度为-20~-15 ℃的低温天然气，然后经空气加热型汽化器加热到15 ℃，最后经调压后送入城市燃气管网；在流程7-8-9-10-11-12中，与LNG换热后温度为-35~-28 ℃的液态R410A经离心泵加压和调节阀调压后，在制冰机中与水换热后成为压力为0.4 MPa左右、温度为-16~-10 ℃的低温气态工质，然后经调节阀调节后回到LNG换热器或者压缩机内继续循环(R410A流量调控原则及方式：根据LNG小时气化量的大小，通过流量调节阀12优先控制进入LNG换热器的R410A流量，设某时段的要求制冰总量与该时段LNG换热制冰总量的差值为时段制冰差，根据冰的实际需求情况为压缩机设定时段制冰差上、下限值，当时段制冰差值达到其上限值时压缩机开启，当低于其下限值时压缩机关闭)；在流程11-13-14-15-16-18-19中，压缩机的出口压力为1.7~2.5 MPa，在换热器16出口处，R410A成为25~40 ℃的液态冷媒；流程1-2-4-5-6为LNG直接气化流程；流程20-15为发动机燃料供输流程[15]。

图 1     LNG冷能制冰工艺流程一 1-LNG储罐；2—LNG泵；3、4、12、13—流量调节阀；
5、17—空气加热型气化器；6、20—调压器；7—LNG换热器；
8—低温冷媒储罐；9—离心泵；10—调压阀；11—制冰机；
14—R410A压缩机；15—天然气发动机；16—蒸发式冷凝器；
18—常温冷媒储罐；19—节流阀 Figure 1     First ice-making process utilizing cole energy from LNG

该新工艺有效解决了传统LNG冷能制冰工艺所存在的两个问题，但仍存在其自身的不足：工艺仅回收利用了LNG高品位冷能，而其低品位冷能却被白白浪费了。以气化量为10×104 m3/d的LNG卫星站为例，与R410A换热后压力为0.4 MPa、温度为-20 ℃的低温天然气，与空气加热型汽化器换热升温至15 ℃所浪费的冷量约为1 842 MJ/d，折合成电能约为520 kW·h/d，如果该工艺长期运行，其浪费的低品位冷能将十分巨大，故有必要对该工艺作进一步的改进优化，以取得更优的经济效益。

1.2 工艺流程的改进

为了弥补工艺流程一存在的不足，本文在该工艺的基础上作了进一步的改进优化，提出了两套更加节能的LNG冷能制冰工艺(分别为工艺流程二与工艺流程三)，如图 2、图 3所示。

图 2     LNG冷能制冰工艺流程二 1-LNG储罐；2—LNG泵；3、4、12、13—流量调节阀；
5—空气加热型气化器；6、20—调压器；7—LNG换热器；
8—低温冷媒储罐；9—离心泵；10—调压阀；11—制冰机；
14—R410A压缩机；15—天然气发动机；16—蒸发式冷凝器；
17—水浴式换热器；18—常温冷媒储罐；19—节流阀 Figure 2     Second ice-making process utilizing cold energy from LNG

图 3     LNG冷能制冰工艺流程三 1-LNG储罐；2—LNG泵；3、4、12、13—流量调节阀；
5—空气加热型气化器；6、20—调压器；7—LNG换热器；
8—低温冷媒储罐；9—离心泵；10—调压阀；11—制冰机；
14—R410A压缩机；15—天然气发动机；16—蒸发式冷凝器；
17—水浴式换热器；18—常温冷媒储罐；19—节流阀 Figure 3     Third ice-making process utilizing cold energy from LNG

工艺流程二的主要改进特点为：由于LNG换热器中R410A冷凝温度的限制，LNG低品位冷能不能被R410A有效吸收，从而造成了LNG低品位冷能的极大浪费；但R410A出冷凝器16的温度远高于出换热器7的低温天然气温度，故在工艺流程二中，一次换热后的低温天然气没有直接经空气加热型气化器加热气化，而是再次与蒸汽压缩制冷循环的冷媒换热，以此来降低蒸汽压缩式制冷循环的冷凝温度，从而达到降低压缩机能耗的目的，进而取得更优的经济效益。

工艺流程三的主要改进特点：虽然工艺流程二可以有效回收利用LNG低品位冷能，但前提是必须要开启蒸汽压缩制冷循环，这正是工艺流程二存在的不足；工艺流程三在工艺流程二的基础上作了进一步的改进，经一次换热后的低温天然气直接用于预冷常温制冰用水，该工艺的优势为在不开启蒸汽压缩制冷循环的情况下，也可以有效回收利用这部分LNG低品位冷能，降低了低温冷能回收利用的限制条件。

1.3 LNG气源组分与中间冷媒的确定

本文以国内典型LNG为模拟用气源，其组分(以摩尔分数计)为：甲烷(91.18%)、乙烷(7.03%)、丙烷(1.26%)、正丁烷(0.21%)、氮气(0.16%)[16]。从两换热循环的工艺特点可以看出，选择一种既能满足与低温LNG直接换热的工艺要求，又能取得较好压缩制冷效果的中间冷媒至关重要。表 1给出了几种常用的中间冷媒及其相关性质。对比分析发现，丙烷及R410A能满足其换热循环冷凝温度、蒸发温度的要求，但丙烷易燃、易爆，故最终确定选择R410A为该工艺流程的中间冷媒[17-19]。

表 1    常用冷媒及相关特性 Table 1    Common refrigerant and related features

2 工艺模拟优化对比分析
2.1 工艺模拟对比分析

由于LNG卫星站的气化量多在10×104 m3/d以内，且四季的气化量不尽相同。为了便于与工艺流程一进行压缩机能耗和工艺综合经济效益对比，本文分别选取2×104 m3/d、4×104 m3/d、6×104 m3/d、8×104 m3/d、10×104 m3/d的气化量来模拟一年中不同季节气化量，同样以冬季气化量为10×104 m3/d，且只用LNG冷能制冰(不开启蒸汽压缩制冷循环)的制冰量4 789 kg/h作为各工况下的要求制冰量[15]。

本文采用Aspen软件完成工艺流程模型建立及相关参数的模拟优化，在软件中选择好相关部件模块，输入相关参数的初值，并选择好LNG和R410A的物性包。运行软件模拟，得出3套工艺流程在相同的要求制冰量情况下的压缩机能耗对比关系，如图 4所示。从图 4中可以看出，在相同制冰量情况下，工艺流程二与工艺流程三的压缩机能耗均较工艺流程一低，且随着气化量的逐渐增大，两套新工艺的节能效果越来越明显。

图 4     工艺流程压缩机能耗对比 Figure 4     Contrast of energy consumption of compressor in three processes

2.2 工艺参数优化设置

为了确定出最优的工艺运行状态，取得更好的节能效益，必须对工艺参数作进一步优化设置。通过模拟优化对比分析，最终将工艺流程中几个重要温度参数作如下优化设置：蒸发温度(冷媒R410A进入制冰机的温度)设为-18.5 ℃，冷凝温度(冷媒R410A离开蒸发式冷凝器的温度)设为35 ℃，R410A与LNG换热后的温度(冷媒R410A离开LNG换热器的温度)设为-30 ℃，R410A与水换热后的温度(冷媒R410A离开制冰机的温度)设为-15 ℃。将优化后的参数输入软件重新模拟，得出优化前后工艺流程二与流程三压缩机能耗对比关系，分别如图 5、图 6所示。从图中可以看出，优化后两套工艺流程的压缩机能耗均明显降低，且在一定范围内，气化量越小，优化节能效果越明显。

图 5     工艺流程二参数优化前后压缩机能耗对比 Figure 5     Contrast of energy consumption of compressor for the second process before and after parameters opimization

图 6     工艺流程三参数优化前后压缩机能耗对比 Figure 6     Contrast of energy consumption of compressor for the third process before and after parameters optimization

3 工艺能效及其经济效益对比分析
3.1 工艺能效对比分析

为了对优化后各工艺流程作进一步的能效分析，本文模拟对比了3套工艺的蒸汽压缩式制冷循环能效比COP、压缩机能耗，其关系分别如图 7与表 2所示。其相关参数含义如下：能效比COP是工艺中压缩制冷循环所吸收的能量(冰产量为：m2-m1)与该工艺流程中压缩机能耗W的比值；m1为只利用LNG冷能(不开启制冷压缩循环)时冰产量(将30 ℃的水制成-10 ℃的冰)，m2为每种工况下的要求制冰量。

图 7     蒸汽压缩制冷循环COP对比 Figure 7     Contrast of COP for vapor compression refrigeration cycle

表 2    各工艺压缩机能耗对比 Table 2    Contrast of compressor energy consumption for three processes

从图 7可以看出，随着气化量的增大，工艺流程二的COP值迅速增大，但工艺流程一和流程三的COP值却保持稳定，且明显低于工艺流程二的值。这是因为工艺流程的COP值仅与制冷循环的冷凝温度与蒸发温度有关，而与循环工质流量大小无关；在工艺流程二中，LNG低品位冷能有效降低了蒸汽压缩制冷循环的冷凝温度，而在工艺流程一、三中，工艺的冷凝温度与蒸发温度均未受到LNG低品位冷能的影响，故工艺流程一、三的COP值相等且明显低于工艺流程二的值。模拟计算表明，工艺流程二的COP值最高可达3.04，最低也有2.34，且目前大多数制冰机的COP值只能达到2.0~2.4[19]。这表明，工艺流程二在提高蒸汽压缩式制冷循环的能效比上优势突出。

由表 2可知，工艺流程二、三较工艺流程一的压缩机能耗明显降低，且气化量越大，节能效果越明显：如在气化量为2×104 m3/d时，工艺流程二、三分别较工艺流程一节能2.25%、2.49%，而在气化量为8×104 m3/d时，则节能高达26.51%、28.75%。虽然工艺流程二的COP值明显较高，但从表 2可以看出，两套新工艺的压缩机能耗值却相差很小。这是因为，工艺流程三通过预冷制冰用水，使得LNG时段换热制冰量明显较工艺流程二高，从而使得其时段制冰差较工艺流程二低，进而增大了其压缩机的开启时间间隔，有效缩短了压缩机开启时间；而工艺流程二的压缩机能耗虽较低，但开启时间间隔较短，故压缩机开启时间也较长，这使得两套工艺的整体能耗差距不明显。故仅从工艺能耗上很难判断两套工艺的优劣，需进一步对工艺作设备投资及运行维护费用分析。在低温天然气加热气化方面，工艺流程三中水浴式换热器内低温天然气压力约为0.2~0.5 MPa；而在与工艺流程二中，由于压缩后进入水浴式换热器内的R410A的压力可达1.7~2.5 MPa，因此该水浴式换热器必须具备较好的承压能力。这表明工艺流程三在设备初投资与后期运行维护上要明显优于工艺流程二。

3.2 工艺经济效益对比分析

为了更好地反映各工艺流程的整体综合经济效益，本文给出了优化后工艺流程二、三的部分对比数据，分别如表 3、表 4所示。表中相关参数说明如下：qLNG为LNG日气化量; m0为每种工况下的要求日制冰量(除工艺流程三工况5下为126.36 t/d外，其余各工况均为114.94 t/d，由要求每小时制冰量为4 789 kg/h求得); Y0为冰的日销售额(Y0=m0×80元/t, 其中80元/t为冰的售价); Q1为压缩机发动机日耗气成本(天然气按3.2元/m3)；Q2为每日制冰用水成本；Y2、Y3分别为改进优化后的工艺流程二、三的制冰日收益额(Y2(或Y3)=Y0-Q1-Q2，其中Y0、Q1、Q2为Y2(或Y3)所在表中的值，Y1为工艺流程一的制冰日收益额；E2-1、E3-1与E3-2分别表示在制冰日收益额上，工艺流程二、三高出工艺流程一的值及工艺流程三高出工艺流程二的值，即E2-1=Y2-Y1、E3-1=Y3-Y1、E3-2=E3-1-E2-1。

表 3    工艺流程二经济效益分析 Table 3    Economic benefit analysis of the second process

表 4    工艺流程三经济效益分析 Table 4    Economic benefit analysis of the third process

从表 3、表 4可以看出，一方面，在气化量相同的情况下，工艺流程一、二、三的制冰日收益额依次增大；另一方面，随着气化量的逐渐增大，工艺流程一、二、三之间的制冰日收益额差值逐渐扩大，工艺流程二、三的制冰经济优势越来越明显，如E2-1、E3-1与E3-1分别从工况1下的107元、119元与12元迅速增大到工况4下的307元、489元和182元，而三套工艺在工况4下的年收益差值则分别为11.21万元、17.85万元、6.64万元。这说明，两套新工艺在制冰上的综合经济效益明显高于工艺流程一，且LNG气化量越大，工艺改进优化效果越明显，其中工艺流程三优势更突出。同时，工艺流程三将换热后的气态低温天然气用于预冷制冰用水，所以工艺流程三在工况5下的制冰量明显大于其他工况，其冰的日销售额也高于其他工况。

4 结论

通过对工艺流程一的进一步改进和对两套新工艺的模拟优化及对比分析可以得出如下结论：

(1) 在相同工况下，优化后的工艺流程二、三较工艺流程一，其压缩机能耗明显降低，且气化量越大，节能效果越明显，但在设备初投资及后期运行维护费用上，工艺流程三比工艺流程二更具优势。

(2) 相同气化量情况下，两套新工艺的制冰日收益额均高于工艺流程一，但工艺流程三的优势更突出，且随气化量的逐渐增大，三套工艺的制冰经济效益对比效果越来越明显，两套新工艺的制冰综合经济优势也越来越突出。

(3) 无论是在设备初投资及工艺运行维护费用上还是在制冰综合经济效益上，工艺流程三均比工艺流程一、二改进优化效果明显，故工艺流程三更适合LNG卫星站冷能制冰项目。

参考文献
[1]
杨红昌. 液化天然气(LNG)冷能发电系统的优化研究[D]. 北京: 北京工业大学, 2010.
[2]
林范. LNG冷能用于冰蓄冷空调的技术开发应用研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2013.
[3]
易惠芳, 洪建安, 宋悦, 等. 浅谈利用LNG冷能的发电系统[J]. 广州化工, 2014, 42(6): 142-143.
[4]
熊永强, 华贲, 贾德民, 等. 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, 2009, 29(7): 59-62.
[5]
陈敏. LNG冷能用于发电和空调供冷工艺开发及优化[D]. 广州: 华南理工大学, 2013.
[6]
唐贤文, 杨泽亮. LNG卫星站中的冷能应用于冷库设计的探讨[J]. 中山大学学报论丛, 2007, 27(2): 88-91.
[7]
熊永强, 华贲. 基于LNG冷能利用的低温冷库与冷能发电系统的集成[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2012, 40(9): 20-25.
[8]
徐文东, 边海军, 樊栓狮, 等. LNG卫星气化站冷能利用技术[J]. 天然气工业, 2009, 1(5): 112-114.
[9]
王静玲, 马国光, 余洋, 等. LNG卫星站冷量利用方案选择[J]. 石油化工应用, 2012, 31(9): 22-25.
[10]
陈赓良. 小型LNG气化站的冷能利用[J]. 石油与天然气化工, 2013, 42(6): 588-593.
[11]
李振宇, 胡徐腾, 黄格省, 等. 进口LNG中乙烷资源与冷能利用途径分析及建议[J]. 石油与天然气化工, 2013, 42(2): 143-148.
[12]
孙宪航, 陈保东, 王雷. 以太阳能为高温热源的LNG卫星站冷能发电系统[J]. 天然气工业, 2012, 32(10): 103-106. DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2012.10.025
[13]
徐文东, 段娇, 程运文, 等. 液化天然气能利用技术及其产业化发展[J]. 天然气化工, 2013, 38(5): 79-84.
[14]
张青, 赵劼, 刘铭炎. LNG卫星站冷能用于除雾制冰技术的研究及发展[J]. 城市燃气, 2014(11): 25-27. DOI:10.3969/j.issn.1671-5152.2014.11.004
[15]
况岱坪, 董事尔, 杨冲伟, 等. LNG卫星站冷能制冰工艺优化及模拟分析[J]. 石油与天然气化工, 2014, 43(2): 140-145.
[16]
王竹筠. 液化天然气(LNG)冷能回收及应用研究[D]. 大庆: 大庆石油学院, 2010.
[17]
张华俊. 制冷原理与性能[M]. 武汉: 华中科技大学出版社, 2010.
[18]
卢士勋, 杨万枫. 制冷技术及工程应用[M]. 上海: 上海交通大学出版社, 2009.
[19]
周英贵. 一种制取流体冰新方法的数值模拟研究[D]. 广州: 东南大学, 2005.
X