摘　要：介紹了一種液化天然氣(LNG)冷能用于冷庫制冷的工藝流程，通過壓力調(diào)節(jié)控制冷媒蒸發(fā)溫度使其為冷庫提供不同溫位冷能，模擬冷庫利用LNG冷能工藝流程，總結(jié)了LNG冷能用于冷庫技術(shù)的發(fā)展優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：液化天然氣、冷能、冷庫、能量回收

1　引言

隨著我國LNG產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展和節(jié)能工程的全面展開，LNG冷能的高效利用已越來越引起重視。我國自2003年在廣東大鵬興建第一座LNG接收站以來，陸續(xù)規(guī)劃和建設(shè)福建莆田、上海、浙江、江蘇、大連、唐山等多個(gè)接收站。據(jù)統(tǒng)計(jì)2007年我國LNG進(jìn)口量僅為291萬噸，到2011年已達(dá)到l220萬噸。國家發(fā)改委預(yù)計(jì)到2020年我國LNG進(jìn)口量將達(dá)N350億立方米，相當(dāng)于2500萬噸／年。LNG產(chǎn)業(yè)正以迅猛之勢高速向前發(fā)展。

生產(chǎn)一噸LNG的動(dòng)力及公用設(shè)施耗電量約為850kW·h，而在LNG接收站，其汽化過程中會釋放出大量冷能高達(dá)860～830kJ／kg。這部分冷能通常在汽化器中隨海水或空氣被舍棄了，造成能源的極大浪費(fèi)，甚至還會造成環(huán)境或海水冷污染，影響周圍海域及地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。

2　國內(nèi)外液化天然氣冷能利用現(xiàn)狀

目前世界已有17個(gè)國家和地區(qū)建設(shè)了56個(gè)LNG接收終端，還有一些接收終端正在建設(shè)或計(jì)劃建設(shè)中。日本是世界上最早開發(fā)LNG冷能利用技術(shù)的國家，已有近三十年歷史，除了與發(fā)電廠配合使用外，還有26臺獨(dú)立的冷能利用設(shè)備，其中7臺空氣分離裝置、3臺生產(chǎn)干冰生產(chǎn)裝置、l臺深度冷凍倉庫、l5臺低溫朗肯循環(huán)獨(dú)立發(fā)電裝置。常見的LNG冷能利用技術(shù)有發(fā)電、空氣分離、低溫粉碎、生產(chǎn)干冰、冷凍倉庫等作為耗能較大的制冷行業(yè)，歐美等發(fā)達(dá)國家每年在這方面消耗的電能約占全世界生產(chǎn)電能的l5％左右。以英國為例，其工、農(nóng)、商業(yè)中制冷裝置每年耗電量合計(jì)約為76.35億kW·h，其中冷庫耗電量估計(jì)約為9.1億kW·h，可見耗能量之大。遺憾的是，盡管這些國家LNG使用量可觀，但回收LNG冷能用于冷庫的實(shí)例并不太多。

目前，國內(nèi)LNG冷能利用技術(shù)尚在起步階段。全國冷庫的總?cè)萘窟_(dá)500多萬噸，基本上都是采用多級電壓縮制冷裝置維持冷庫的低溫，而利用LNG冷能作為冷庫的冷源，則既可以減少壓縮制冷系統(tǒng)的投資，又可以回收LNG的冷能，減少耗電量，節(jié)約能源。

3　冷庫的分類及能耗

3．1　冷庫分類

冷庫是指對易腐物品進(jìn)行冷凍貯存，或?qū)σ赘锲愤M(jìn)行冷凍加工的庫房建筑。根據(jù)冷庫溫度的不同，冷庫可以分為冷卻庫、凍結(jié)庫和冷藏庫。冷卻庫又稱高溫庫，用于果蔬之類食品的儲藏，庫內(nèi)溫度一般控制在不低于食品汁液的凍結(jié)溫度，通常保持在0℃左右；凍結(jié)庫又稱低溫冷庫，一般庫內(nèi)溫度在-20℃～-30℃左右，通過冷風(fēng)機(jī)或?qū)Ｓ脙鼋Y(jié)裝置來實(shí)現(xiàn)對肉類食品的凍結(jié)；冷藏間，即冷卻或凍結(jié)食品的儲藏庫，用于把不同溫度的冷卻食品和凍結(jié)食品在不同溫度的冷藏間和凍結(jié)間內(nèi)作短期或是長期的儲存。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國冷庫總耗電量為10億kW·h／年以上，冷庫的動(dòng)力費(fèi)用占整個(gè)冷庫倉儲成本的25％～30％；而一般食品工廠，冷庫動(dòng)力耗電量約占全廠總耗電量的50％～60％。冷藏企業(yè)耗電考核標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：

(a)冷庫凍結(jié)物冷藏單位產(chǎn)品耗電量指標(biāo)為0.3kW·h／(t·d)：

(b)冷卻物冷藏單位產(chǎn)品耗電量為0.9kW·h／(t·d)：

(c)冷凍加工單位產(chǎn)品耗電量為120kW·h／t。

3．2　冷庫用冷特性

為便于計(jì)算，本文以總?cè)萘繛?span lang="EN-US">1.5萬噸的冷庫為例進(jìn)行具體計(jì)算，并將此冷庫設(shè)計(jì)成三座庫容量均為5000噸庫房溫度分別為30℃、-l8℃、-l0℃的冷庫。根據(jù)蒸發(fā)溫度與庫房溫度的關(guān)系，三座冷庫的蒸發(fā)溫度分別為-42℃、-28℃和-l5℃。其基本設(shè)計(jì)參數(shù)如表l。

3．3　冷庫能耗計(jì)算

(1)冷庫維護(hù)結(jié)構(gòu)的耗冷量計(jì)算

(a)庫內(nèi)外溫差傳熱的耗冷量

Qa＝K·F(tw-tn)

式中：K——冷庫維護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)

F——冷庫維護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱面積

tw——庫外計(jì)算溫度

tn——庫內(nèi)計(jì)算溫度

式中：傳熱系數(shù)取l.005J／(m²·h·℃)，冷庫按方形設(shè)計(jì)，墻高5m，庫外溫度按城市的室外平均溫度計(jì)算，本設(shè)計(jì)取庫外計(jì)算溫度為36℃。計(jì)算可得三座冷庫庫房內(nèi)外溫差傳熱耗冷量分別為424.44MJ／h、347.27MJ／h、295.82MJ／h(101376kcal／h、82944kcal／h、70656kcal／h)。

(b)由于陽光輻射進(jìn)入室內(nèi)的熱量

式中：J——夏季陽光輻射的計(jì)算強(qiáng)度

A——維護(hù)結(jié)構(gòu)外表面太陽輻射吸收率

由于陽光輻射而進(jìn)入室內(nèi)的熱量也可采用補(bǔ)償溫度差的方法來計(jì)算，面向南和西南的強(qiáng)陽光輻射的傳熱量可看作是室內(nèi)外為5～10℃的傳熱，對于屋頂可看作增加室內(nèi)外l5～20℃的傳熱。計(jì)算可得三座冷庫由于陽光輻射產(chǎn)生的耗冷量分別l07.52MJ／h、96.06MJ／h、  78.88MJ／h(25680kCal／h、22944kcat／h、18840kcal／h)。

(2)貨物的耗冷量

Qc＝G(il-i2)gbcb(tl-t2)

式中：G——平均每小時(shí)入庫的貨物量

i1，i2——貨物入庫時(shí)、在庫內(nèi)降溫后的含熱量

gb，cb——包裝材料的重量、比熱

t1，t2——包裝材料入庫、出庫時(shí)的溫度

按年處理水產(chǎn)品25萬噸計(jì)算，貨物平均每小時(shí)入庫量為250000÷365÷24×1.3=37.1t／h?？紤]到貨物每次進(jìn)入冷庫開始時(shí)熱負(fù)荷較大，為使最初階段易于降溫，增加系數(shù)1.3，包裝材料的耗冷能按貨物耗冷能的10％倍計(jì)算。

冷庫l中貨物的入庫溫度為20℃，出庫溫度為-20℃；

冷庫2的入庫溫度為-10℃，出庫溫度為-18℃：

冷庫3入庫溫度為20℃，出庫溫度為0℃。

計(jì)算可得三座冷庫貨物產(chǎn)生的耗冷量分為14523.38MJ／h、1213.13MJ／h、3106.61MJ／h(3468850kcal／h、28975lkcal／h、742000kcal／h)。

(3)庫房照明耗冷量

Qd＝0.86WZ／24

式中W：——室內(nèi)點(diǎn)燈總瓦數(shù)，本文按70w計(jì)算

Z——照明時(shí)間，一般按3小時(shí)考慮

計(jì)算可得庫房照明產(chǎn)生的耗冷量均為27.09MJ／h(6471kcal／h)。

(4)庫房開門耗冷量

Q＝nvr(iw-in)／24

式中n——每晝夜因開門造成的換氣次數(shù)

v——冷藏間的容積

r——庫內(nèi)空氣的比重

iw，in——室外、室內(nèi)空氣的含熱量

大型冷庫n取0.7。冷庫的庫外溫度均為30℃，冷庫的庫內(nèi)空氣溫度分別為-30℃、-18℃、-10℃。計(jì)算可得三座冷庫庫房開門產(chǎn)生的耗冷量分別為98.93MJ／h、85.51MJ／h、  77.25MJ／h(23628kcal／h、20424kcal／h、18450kcal／h)。

(5)庫房內(nèi)工作人員的耗冷量

Qf＝nQsZ／24

式中n——工作人員數(shù)

Qs——每個(gè)工作人員單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量

Z——工作人員每晝夜在庫房內(nèi)的操作時(shí)間，可按3小時(shí)考慮

每個(gè)工作人員產(chǎn)生的熱量與庫房溫度有關(guān)。凍結(jié)間按l.59MJ／h(355kcal／h)，低溫冷藏間按1.26MJ／h(300kcal／h)，高溫冷藏庫按1.00MJ／h(240kcal／h)考慮。工作人員按50人考慮。計(jì)算可得三座冷庫庫房內(nèi)工作人員產(chǎn)生的耗冷量分別為9.29MJ／h、8.63MJ／h、6.28MJ／h(2218kCal／h、2062kCal／h、1500kcal／h)。將各個(gè)冷庫耗冷量的計(jì)算結(jié)果匯總，列于表2。

4　冷庫利用LNG冷能制冷技術(shù)

為了有效利用液化天然氣的冷能，可以將食品凍結(jié)及加工裝置、冷凍庫、冷藏庫及預(yù)冷裝置等按不同的溫度帶連成一串。按LNG的不同溫度帶，用不同的冷媒與之換冷后分別送入低溫凍結(jié)庫或低溫凍結(jié)裝置(-60℃)、冷凍庫(-35℃)、冷藏庫(0℃以下)以及果蔬冷藏庫(0～10℃)。這樣可以使LNG的冷能幾乎無浪費(fèi)的得以利用，利用效率大大提高，冷庫運(yùn)行成本下降37.5％。與傳統(tǒng)低溫冷庫相比，采用LNG冷能的冷庫具有占地少、投資省、溫度梯度分明、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

4．1　工藝流程設(shè)計(jì)

圖l為LNG冷能用于冷庫技術(shù)的流程示意圖。儲罐中-162℃的LNG經(jīng)泵加壓到天然氣高壓輸氣管網(wǎng)所需的壓力，溫度上升至約-150℃，由于LNG溫度液化天然氣；冷能；冷媒；冷庫；能量轉(zhuǎn)換；經(jīng)濟(jì)性非常低，冷能的品位非常高，故可用于一些深冷用戶，如廢舊輪胎的深冷粉碎、二氧化碳制干冰等。LNG的冷能通過深冷用戶的一次利用后，溫度從-150℃上升到約-70℃左右，LNG全部汽化成為低溫的高壓天然氣。

在冷庫中蒸發(fā)的冷媒蒸汽在高效換熱器中同約-70℃的高壓天然氣換冷，冷媒獲得冷能而全部液化，而高壓天然氣獲得熱量溫度升高。冷媒泵將液化的冷媒升壓后通過保溫管線輸送到冷庫。在庫房的蒸發(fā)器內(nèi)冷媒蒸發(fā)放出冷能，通過庫房內(nèi)的抽風(fēng)機(jī)與庫房內(nèi)循環(huán)流動(dòng)的空氣換冷，帶走庫房內(nèi)空氣的熱量，使冷庫的庫房溫度保持在需要的低溫。同時(shí)，蒸發(fā)后的冷媒再通過管線輸送到高效換熱器中同低溫的高壓天然氣換熱，由此形成載冷循環(huán)。

4．2　冷媒篩選

冷媒的主要功能就是將LNG中的冷能攜帶到冷庫中為冷庫提供冷量，本技術(shù)采用R410A作為冷媒。

R410A是一種共沸冷混合物，可以通過調(diào)節(jié)壓力來調(diào)節(jié)其蒸發(fā)溫度，為冷庫提供多種不同溫位的冷能。R410A熱容和汽化熱較大；有較高的導(dǎo)熱系數(shù)；動(dòng)力粘度小；化學(xué)穩(wěn)定性較好；對金屬無腐蝕；容易制取，能夠即時(shí)供應(yīng)，而且價(jià)格低廉；無毒；不燃燒，與空氣混合也不會爆炸，是一種優(yōu)質(zhì)的環(huán)保型制冷劑，目前在國外廣泛用于冰箱和空調(diào)的制冷。

4．3　流程模擬與計(jì)算

本設(shè)計(jì)采用如下圖2所示的LNG冷能用于冷庫技術(shù)流程。

一股R401A冷媒與LNG換冷液化，經(jīng)泵加壓輸送至冷庫區(qū)域后再分成三股，分別為冷凍庫、低溫冷藏庫、高溫冷藏庫提供冷能。壓力調(diào)節(jié)器分別將三股R40lA控制在0.486MPa、0.294MPa、0.16MPa壓力下，得到溫度為-42℃、-28℃、-l5℃的氣相冷媒為各個(gè)冷庫提供其所需溫位的冷能。

采用流程模擬軟件ASPEN對冷庫的冷能利用過程進(jìn)行模擬，得出流程中-80℃嫻腖的流量為70t／h，  冷媒R401A的流量為70t／h。

5　結(jié)束語

目前國內(nèi)LNG汽化主要采用海水加熱方式，大量的冷能沒有被利用。將LNG的冷能用于冷庫能夠大大減少耗電量，節(jié)省投資，降低冷庫的生產(chǎn)成本，同時(shí)冷藏品質(zhì)量提高，具有良好的前景。如果在冷庫利用LNG冷能的基礎(chǔ)上，根據(jù)LNG接收站附近港口資源和產(chǎn)業(yè)布局的特點(diǎn)，適當(dāng)增加冷凍產(chǎn)品深加工項(xiàng)目，擴(kuò)大港口經(jīng)營范圍，大力發(fā)展冷物流加工產(chǎn)業(yè)和儲運(yùn)產(chǎn)業(yè)，可使冷庫的效益更加突出，同時(shí)還可以提升港口的生存競爭力，促進(jìn)港口地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

本文作者：杜琳琳

作者單位：深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司