首頁中小型液化天然氣站冷能回收裝置這樣設(shè)計
本文介紹了一種適用于中小型單點直供式的液化天然氣站冷能回收裝置的設(shè)計及應(yīng)用實例，利用該裝置可以替代空溫、水浴等傳統(tǒng)形式的氣化器，裝置回收的冷能可以供給廠區(qū)工藝?yán)鋬鏊驈S房、辦公樓制冷等用。裝置采用板殼式換熱器兩級換熱，液化天然氣的冷能由載冷劑帶走，載冷劑再與冷凍水換熱將冷能傳遞給冷凍水，過程中載冷劑通過蒸發(fā)和冷凝過程形成無動力的自主循環(huán)。該裝置目前已在多個項目中得到應(yīng)用，節(jié)能效果顯著。
液化天然氣(以下簡稱LNG)是將天然氣經(jīng)脫水、脫酸、去除重?zé)N后降溫液化而成的低溫液體(常壓下飽和溫度約為-162°C)，主要成分為甲烷，在使用時要經(jīng)過氣化裝置吸熱重新轉(zhuǎn)化為常溫氣體供終端用氣裝置使用。近幾年，隨著我國大氣污染防治計劃以及各地煤改氣政策的大力實施，尤其是LNG與管道天然氣相比在終端用戶側(cè)具有更高的性價比，單點直供式的LNG在我國工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。中小型LNG站作為單點直供式LNG的儲存、氣化、調(diào)壓、加臭以及計量的綜合性能源站，其通常采用空溫式氣化器或水浴式氣化器等裝置將低溫LNG氣化為常溫天然氣，冷量由環(huán)境空氣或高溫?zé)嵩?熱水或循環(huán)水)帶走，浪費了大量的冷量，且水浴式氣化器還需要額外消耗一定的熱能維持熱水溫度。針對該類中小型單點直供式的LNG站，設(shè)計了一套結(jié)構(gòu)緊湊、換熱高效的冷能回收裝置，回收的冷能可用于廠區(qū)工藝?yán)鋬鏊?、廠房或辦公樓制冷等，最終實現(xiàn)高效回收冷能、節(jié)約能源的目的。
各產(chǎn)地LNG組分不盡相同，因此其單位質(zhì)量可回收的冷量也不同，表1基于LKP方程計算了LNG中常見的幾種組成其單位質(zhì)量可回收的理論冷量。
其中，需要說明的是，由于在相同壓力下，氮氣和氧氣的泡點溫度要比甲烷低，若考慮LNG儲罐中底層LNG存在過冷現(xiàn)象，則氮氣和氧氣有可能為液態(tài)儲存于儲罐底部，否則均為氣態(tài)，即全部蒸發(fā)至儲罐氣相部分。在冷能回收計算時為保證計算的準(zhǔn)確性，氮氣和氧氣均不計算在內(nèi)。
在具體計算LNG可回收的冷量時還需考慮LNG組分中泡點溫度高于甲烷的乙烷、丙烷、異丁烷、正丁烷、異戊烷、正戊烷和二氧化碳從對應(yīng)壓力下甲烷的泡點溫度至各組分泡點溫度溫升的冷量。表2同樣基于LKP方程計算了上述各組成在壓力101325Pa下從該壓力下甲烷的泡點溫度(-161.65°C)至0°C時單位質(zhì)量可回收的理論冷量。
LNG的冷能利用方式可分為直接利用和間接利用。直接利用方式包括發(fā)電、空分、冷庫制冷、制干冰等;間接利用方式包括低溫醫(yī)療、低溫粉碎、食品保存等。本裝置屬于冷能直接利用的方式，將回收的冷能主要用于廠區(qū)循環(huán)冷卻水或冷凍水以及廠房空氣調(diào)節(jié)或辦公樓制冷等。本裝置主要由蒸發(fā)器、滿液式換熱器、冷凝器以及相應(yīng)的閥門、儀表等元件組成，工藝流程如圖1所示。
本裝置設(shè)計時為減小對數(shù)換熱溫差，避免冷凍水或冷卻水直接與LNG換熱時出現(xiàn)結(jié)冰凍裂換熱器和管道，采用了兩級換熱，通過載冷劑“中間過渡”，將LNG釋放的低溫冷能傳遞給冷凍水或冷卻水等常溫介質(zhì)。裝置中的蒸發(fā)器和冷凝器采用板殼式換熱器，與傳統(tǒng)的管殼式換熱器相比，其換熱系數(shù)更高，體積更小。該裝置在設(shè)計時主要有兩方面的難點需要考慮:一是LNG-載冷劑換熱器與滿液式換熱器的高度差以及載冷劑-冷凍水與滿液式換熱器的高度差，這是裝置形成自主循環(huán)的關(guān)鍵;二是裝置的控制策略，必須嚴(yán)格控制在事故工況時各關(guān)鍵點壓力和溫度參數(shù)不超過設(shè)計高限，否則可能會影響LNG站的安全運行。
該裝置具有如下主要特點:
(1)以載冷劑的蒸發(fā)和冷凝形成的密度差為裝置驅(qū)動力，實現(xiàn)“無動力”運行，相當(dāng)于冷量“免費”輸出，可為企業(yè)節(jié)省大量的運行成本，尤其是常年穩(wěn)定需要冷凍水或循環(huán)水的工業(yè)企業(yè)。
(2)采用高效的板殼式換熱器，在其中集成了蒸發(fā)段與過熱段，與管殼式換熱器相比具有造價低、體積小、重量輕等諸多優(yōu)點。
(3)各元件防爆等級符合LNG場站設(shè)計要求，并且具有完善的運行和安全保護連鎖控制，裝置無須日常運行人員維護。
以本裝置在我國某大型化工生產(chǎn)企業(yè)單點直供式LNG站中的應(yīng)用為例，該場站氣化能力約1070kg/h(1500Nm3/h)，企業(yè)常年需要大量穩(wěn)定的冷凍水(7°C/12°C)和循環(huán)冷卻水(30°C/42°C)?？紤]到循環(huán)冷卻水水質(zhì)條件較冷凍水要差很多，裝置在設(shè)計時只考慮由冷凍水帶走全部的冷量。裝置可回收的額定冷量為240kW，冷凍水進出口溫度為12°C/7°C，水量為45±5t/h。系統(tǒng)采用“一用一備”的形式，天然氣出口串聯(lián)電加熱復(fù)熱器，保證氣化系統(tǒng)全年穩(wěn)定的運行。裝置在該企業(yè)已連續(xù)穩(wěn)定運行6個月，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，回收的冷量約為1036800kWh，若這部分冷量以傳統(tǒng)電制冷來獲取(電制冷機平均COP按3.5計)，消耗的電量為296229kWh，平均電價若按0.8元/kWh計，則相當(dāng)于已經(jīng)節(jié)省費用23.70萬元，經(jīng)濟效益非常顯著。
針對一般工業(yè)企業(yè)的中小型LNG氣化站使用傳統(tǒng)的空溫、水浴等氣化裝置，冷能無法回收，且若使用水浴氣化器還需要持續(xù)穩(wěn)定提供高溫?zé)嵩吹牟蛔?，設(shè)計了一套能夠基本實現(xiàn)“無動力”回收冷量的裝置，該裝置能夠?qū)⒒厥盏睦淞恐苯佑傻蜏乩鋬鏊蜓h(huán)冷卻水帶走，且不會出現(xiàn)冷凍水或冷卻水結(jié)冰而導(dǎo)致?lián)Q熱失效的問題。目前該裝置已成功應(yīng)用于多個LNG氣化站，節(jié)能效果非常顯著，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，對我國日漸增多的中小型LNG氣化站的直接冷能回收具有重要的意義。
（文 姚鈺鋒、吳竺、張冬霞）
來源：氣體精英
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