工厂小型LNG气站冷能回收

王炎震

(浙江宏纪能源环境科技有限公司，浙江 宁波 315100)

1 案例分析

1.1 工厂实际生产情况分析

宁波某工厂日LNG消耗量V为50 m3，使用的是水浴式气化器，小型气化站距离工厂的空压机站30 M。该空压站配备了10台制冷量为12 kW的冷干机，冷凝温度为4 ℃。该工厂24 h不间断运作。LNG气化吸热量为830 kJ/kg，密度ρ为0.44 t/m3，传热损失δ1为20%，QLNG为气化吸热量。通过下式可知通过换热气化站能给空压站提供的最大冷量为1.46×107kJ。按24 h计算平均功率约为169 kW。

Q冷量=V×ρ×QLNG×(1-δ1)

由此可见，在正常工况下，气化站的冷量满足空压站的用能需求。

1.2 工厂经济性分析

工厂原先使用的为水浴式气化器，采用的是电加热的方式进行气化，在热损失的情况下，满足每日50 m3的供气量时最小耗热量通过下式可以计算得出为1.8×107kJ。换算为日耗电量为5 072 kWh。折标系数按0.288 kWh/kg计算，日耗煤量为1.46 t。

Q热量=V×ρ×QLNG

空压站最大消耗的冷量为120 kW，按照24 h计算，日耗冷量为2 880 kWh。冷干机中制冷系统的的COP约4.0。所以日耗电量为720 kWh。

所以如果设计换热器以及换热管路，同时将气化站原有的水浴式改为空温式气化器，节能量为气化站与空压站节能量的总和。气化站的日节能量为5 072 kWh，空压站节能量为720 kWh。日总节能量为5 792 kWh，年节能为2 114 080 kWh，按照折标系数为0.288 kWh/kg计算，年节煤量为608.9 t。

2 方案设计

通过系统性分析，考虑到系统的稳定性，设计了如下方案(图1)：该方案中共包含了三个方面LNG气化、冷冻水循环与空压机排气冷凝。

图1 流程设计方案

正常工况下LNG先经过总阀进入气化器Ⅰ，在气化器Ⅰ中与换热介质乙二醇换热，将所有的气化潜热在气化器Ⅰ中进行释放，同时释放大部分的显热。低温天然气再进入气化器Ⅱ继续释放剩余显热，再经过调压装置输送到指定厂区。在这过程中，气化器Ⅱ起辅助作用，保障调压装置正常稳定运行。

在气化器Ⅰ中一共有三种工质，分别是：LNG、乙二醇溶液、水。由于冷干机中的冷冻水温度为4 ℃左右，所以气化器Ⅰ中冷冻水出口温度在0～4 ℃。目前水浴式气化器中水浴温度一般为70 ℃，如果温度过低极易导致LNG气化管段结冰，影响气化效果。为了满足冷干机的温度需求，本方案将乙二醇溶液作为中间介质。同时换热器上下对称布置，上方布置LNG气化管，下方布置冷冻水换热管道，乙二醇溶液在换热器内自然循环。

将乙二醇溶液作为中间介质有一定的风险性，因为乙二醇溶液具有一定的腐蚀性，但它又是目前很多LNG冷能利用较为常用的介质。乙二醇溶液中含有溶解氧, 能加速金属的腐蚀过程。溶解氧在浓度小于1 mg/L的情况下就有可能引起碳钢的腐蚀。随着温度的升高,氧腐蚀速率加快。

为了避免由于乙二醇溶液腐蚀导致的装置泄露，所以在气化器Ⅰ中要设置检查口，通过定期检查乙二醇溶液中铁的含量，判断是否要更换换热盘管。

冷冻水循环。冷冻水先经气化器先经过气化器Ⅰ与乙二醇换热，将冷冻水冷却至4 ℃左右再通过管道运送至空压站，冷冻水与空压机排气换热，然后通过循环水泵回到气化器Ⅰ中冷却，如此循环。

空压机排气循环，空压机排气从空压机出来后，先储存在一个小型的储气罐中(图中未标出)，再通过阀门进入到前过滤器，过滤部分杂质后进入与冷凝水换热的换热管道，然后进入到冷干机中进一步的冷却最后通过过滤器进入到储液罐中。在这过程中排期的大部分热量被冷冻水吸收，一小部分通过冷干机吸收。

在整个系统中，天然气的气化为最高优先级，所以气化器Ⅰ中还有温度传感器当乙二醇溶液的温度偏离阈值时，会自动调节冷冻水的循环水泵，保证气化效果。

3 实施方案

实施方案需根据企业原有设备情况再做具体调整。在该工厂中，其原有冷干机设备以及水浴式汽化器。

实施方案分三部分：气化器部分、冷干机部分、管路部分。

气化器部分：在气化器设计时第一要根据企业的天然气使用情况设计合理气化器Ⅰ，再设计气化器Ⅰ时主要考虑换热情况，以天然气稳定为核心，天然气冷能利用为辅。

气化器Ⅰ设计、加工完成后一共有六个的进出管道，分别为两个天然气的进出口，两个冷冻水进出口，两个乙二醇溶液进出口。先将将部分原有的水浴式气化器拆卸下来，将气化器Ⅰ的天然气进口连接到LNG管道出口，这里要注意的是由于气化器Ⅰ的设计在连接管道时一定要按照设计位置，LNG在气化器Ⅰ里面和乙二醇溶液进行换热后再经过气化器Ⅰ内置的气液分离装置从气化器Ⅰ的天然气出口出来再接入气化器Ⅱ，经过空温式气化器后，再将天然气通过调压装置输送到指定的厂房。

同时在天然气部分如图所示安装各个阀门，在设计工况情况下，旁路阀门关闭，气化器Ⅰ入口阀门打开。当气化器Ⅰ发生故障时或年检时，可以关闭气化器Ⅰ的入口，打开旁路，通过气化器Ⅱ保证不断气。在气化器Ⅱ部分。

在开始调试气化器Ⅰ时要将配置好的乙二醇溶液加入到气化器Ⅰ的乙二醇溶液水位线。保证其能正常工作。

冷干机部分：主要包括冷冻水的循环过程、冷干机配置、主要阀门安装等。冷冻水的循环从循环水泵开始、冷冻水经过循环水泵的增压(循环水泵需要安装在低位防止水泵气蚀)，然后冷冻水通过气化器Ⅰ的冷冻水入水口进入，将气化器Ⅰ中乙二醇溶液的冷能吸收(吸收的冷量由气化器Ⅰ中的温度传感器与水泵联合控制)，冷冻水从气化器的Ⅰ的冷冻水出口。

出来进入输送管道到达空压机站，将冷冻水输送到各个冷干机中，将冷干机原有的部分盘管替换为冷冻水盘管，保留部分冷干机盘管，这样做的目的是为了保证冷干机工作正常不会由于波动导致故障。冷干机的温度调节主要还要靠冷干机实现，在冷干机内部温度稳定在2～4 ℃，制冷以冷冻水为主，冷干机为辅，可以延长冷干机寿命，同时节约冷干机的耗能，在条件允许的条件下基本冷干机可以不做功，靠冷冻水即可达到冷却要求。

4 结语

在该方案中，利用LNG的冷能对空压机的排气进行冷凝，结合工厂的实际需求进行设计，但是对LNG的冷能利用温度只有0～4 ℃，对高品位部分没有合理利用。这主要由以下两个原因：(1)LNG高品位部分利用成本较大，初期投入大，成本回收年限长；(2)工厂LNG使用量较小，同时对高品位冷能没有需求。由此来看在未来小型的LNG气站的冷能利用还有很大空间。