CN203349591U

CN203349591U - 一种利用lng卫星站冷能制冰的装置

Info

Publication number: CN203349591U
Application number: CN 201320261294
Authority: CN
Inventors: 况岱坪; 董事尔; 杨小博
Original assignee: Southwest Petroleum University
Current assignee: Southwest Petroleum University
Priority date: 2013-05-15
Filing date: 2013-05-15
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2023-05-15

Abstract

本实用新型公开了一种利用LNG卫星站冷能制冰的装置。在LNG气化过程中，把利用相变冷媒（R410A）与LNG换热制冰的方法与蒸气压缩式制冷循环相结合，并采用天然气发动机（15）为压缩机（14）提供动力，能很好解决LNG气化量与冰需求量不匹配的问题。在夏季，利用富余的天然气作为发动机的燃料带动压缩机制冷补充不足的冷量，可解决夏季LNG气化量小而冰需求量大的矛盾；在冬季，LNG气化量大，只利用相变冷媒与LNG换热制冰就可满足冰的需求量；在过度季节，则尽量利用LNG气化时的冷量，当冷量不足时则开启压缩制冷循环以补充不足的冷量。本实用新型制冰COP值高，制冰量稳定，还可缓解电力燃气的季节不平衡性。

Description

一种利用LNG卫星站冷能制冰的装置

技术领域

本实用新型公开了一种利用LNG卫星站冷能制冰的装置，属于LNG卫星站冷能利用领域。

背景技术

天然气（NaturalGas，缩写为NG）的主要组分为甲烷，常温常压下为气体。由于天然气的产地与用户区往往相隔遥远，为了储存和运输的方便，天然气从气田开采出来后一般要经过脱水、脱硫、脱酸性气体和重烃类等的处理后，液化成为-162℃的低温高压液体，即液化天然气（LiquefiedNaturalGas，缩写为LNG）。尽管将天然气液化成LNG需要的耗能极多，但相对于远距离的传输仍具有极大的经济效益。LNG不仅有利于天然气的远距离传输，也有利于降低天然气的储存成本，更有利于天然气的民用负荷调峰。

当LNG在一个大气压力下气化时，能释放出-162～5℃的冷量约230kWh/t。对于一个气化量为10×10⁴Nm³·d^-1的小型LNG卫星气化站，可利用冷功率近1MW,每年折合电能约为数百万度,可节省近千万度的制冷电能。

随着我国LNG产业的迅速发展，LNG卫星气化站正如雨后春笋般建立起来，目前已建成的就多达200多个。对于LNG卫星气化站冷能利用的研究也越来越多，有空分、冷库、空调、相变蓄能及梯级利用等方面。因为空气液化所需的液化温度与LNG的温度最为接近，所以LNG冷能用于空气分离行业从温度匹配的角度来讲是非常适合的，但因空分工艺复杂，初投资多，占地大，且LNG卫星站气化量变化巨大，所以LNG卫星气化站冷能用于空分并不是特别合适。冷库由于其选址要求高，初投资多，很难就近利用LNG卫星气化站的冷能等，并不适合大多数的LNG卫星气化站。另外，目前研究最多的LNG冷能梯级利用，往往涉及跨度很大的多个行业和领域，通常难以找到对所有这些领域都感兴趣的投资者来投资，并且很难保证各项目都能按设计正常运行。所以，虽然梯级利用在理论上能有较高的冷能回收率，但实施的可能性却很小。

冰，因其市场需求量大，在食品、空调、医疗、电子、建筑、运输等行业有着广泛的应用，且制冰的工艺流程简单，技术成熟，投资少，占地小且地域限制低等，特别适合小型LNG卫星站的冷能利用。然而，将LNG冷能用于制冰的研究则较少，目前仅在很少的文献和书籍中有所提及，并且中国直到2012年才授权了首个利用LNG冷能制冰的专利201120307627.3。此专利虽然工艺流程简单，无需外加制冷动力源，但其选用的无相变冷媒相比有相变冷媒而言流量要大很多。此外，更大的不足是没能解决LNG气化站的气化量与冰的需求量不匹配的问题。冬季和白天的天然气需求量大，所以可供利用的LNG冷量也大；夏季和夜晚的天然气需求量小，可以利用的LNG冷量也相应减小。但是，夏季的冰需求量却很大，冬季的冰需求量则较小。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种利用LNG卫星站冷能制冰的装置，该装置解决了在利用LNG冷能制冰过程中，LNG卫星站的气化量与冰的需求量不匹配的问题，并能缓解电力燃气的季节不平衡性。

本实用新型装置包括：LNG储罐，LNG泵1，调节阀2、5、12、13，空气加热型汽化器3、6，调压器4、19，LNG换热器7，低温冷媒储罐8，离心泵9，调压阀10；制冰机11，冷媒R410A压缩机14，天然气发动机15，换热器16；常温冷媒储罐17，节流阀18。

本实用新型的目的通过以下技术方案来实现：

（1）LNG泵1与调压阀5、LNG换热器7的冷物流进口依次用保温管线相连，LNG换热器7的冷物流出口与空气加热型汽化器6进口用保温管线相连，再通过常温管线将空气加热型汽化器6出口和调压器4相连，调压器4出口与城市燃气管网相连；LNG换热器7的热物流出口与低温冷媒储罐8、离心泵9、调压阀10、制冰机11的冷媒进口依次用保温管线相连，再用保温管线将制冰机11的冷媒出口与LNG换热器7的热物流进口相连构成循环，制冰机进水口与给水管道相连；用保温三通管件在制冰机11的冷媒出口管线上接出一条保温管线，这条保温管线与压缩机14的进气口相连，压缩机出气口与换热器16的热物流进口相连，换热器16的热物流出口与常温冷媒储罐17相连，再用保温管线将常温冷媒储罐17与节流阀18、制冰机11的冷媒进口依次相连构成循环。

（2）压缩机14与天然气发动机15相连，由天然气发动机15为压缩机14提供动力。

（3）调压器4的出口管线上接出一条常温管线，这条常温管线依次连接调压器19和天然气发动机15，管线内常温天然气将作为天然气发动机的燃料。

（4）低温冷媒储罐（8）和常温冷媒储罐（17）都是保温的储罐，低温冷媒储罐（8）中储存的是液态低温混合制冷剂R410A，常温冷媒储罐（17）中储存的是液态常温混合制冷剂R410A。

（5）调压阀（10）调压后压力与节流阀（18）节流后压力相同，在调压阀（10）出口处设有止回阀，节流阀（18）出口处也设有止回阀。

（6）制冰机11的冷媒出口与LNG换热器7的热物流进口之间的保温管线上设有调节阀12。

（7）制冰机11的冷媒出口与压缩机14的进气口之间的保温管线上设有调节阀13。

本实用新型装置的工作原理如下：

（1）LNG储罐中0.2～0.5MPa、-162℃的液化天然气经LNG泵1加压后分为A、B两股，A、 B两股的流量分配由调节阀2、5确定。B股经过调节阀2后在空气加热型汽化器3中汽化为常温天然气，再经调压器4调压后送入城市燃气管网；A股经过调节阀5后在LNG换热器7中与温度为-16～-10℃、压力为0.3～0.45MPa的气态混合制冷剂R410A换热，换热后的天然气温度为-20～-15℃、压力为0.2～0.5MPa，再经过空气加热型汽化器6升温为常温后与空气加热型汽化器3汽化后的天然气汇合，汇合后经调压器4调压后送入城市燃气管网。

（2）在LNG换热器7中与LNG换热后的混合制冷剂R410A将变为液态，温度降为-35～-28℃，然后将液态R410A送入低温冷媒储罐8中，再经离心泵9增压至0.6～0.8MPa后由调压阀10调压为0.36～0.48MPa，调压后的R410A和节流阀18节流后的R410A汇合，汇合之后进入制冰机11中与水换热，水凝结为冰，再将冰以块冰或片冰的形式产出。

（3）在制冰机11中与水换热后的R410A将变为气态，温度升高为-16～-10℃，压力为0.3～0.45MPa，气态R410A将分为C、D两股，两股的流量分配由调节阀12、13确定。C股经过调节阀12后再次进入LNG换热器7中与LNG换热，构成循环；D股经过调节阀13后进入压缩机14压缩至压力为1.7～2.5MPa，再进入换热器16中与冷却水换热，换热后的R410A液化为25～40℃的液体，液化后的R410A将送入常温冷媒储罐17中，再经节流阀18节流后与调压阀10调压后的R410A汇合进入制冰机11，构成循环。节流阀18节流后的R410A的压力与调压阀10调压后的R410A的压力相同。

（4）将调压器4调压后的常温天然气引一小部分，由调压器19调压至适合天然气发动机的压力，经调压器19调压后的天然气将作为天然气发动机15的燃料，天然气发动机15为压缩机14提供动力。

本实用新型装置相对于现有技术具有以下优点：

（1）把利用相变冷媒（R410A）与LNG换热制冰的方法与蒸气压缩式制冷循环相结合，能很好解决LNG气化量与冰需求量不匹配的问题，同时降低了制冰能耗，相比传统制冰方法，制冰COP值有明显的提高；

（2）***稳定性高，制冰量稳定，且制冰过程中并不影响LNG气化站的正常运行；

（3）采用天然气发动机为压缩机提供动力，有利于缓解电力燃气的季节不平衡性。

附图说明

图1是本实用新型所述的制冰装置的结构原理图。

图中，1为LNG泵，2、5、12、13为调节阀，3、6为空气加热型汽化器，4、19为调压器，7为LNG换热器，8为低温冷媒储罐，9为离心泵，10为调压阀；11为制冰机，14为冷媒R410A的压缩机，15为天然气发动机，16为换热器；17为常温冷媒储罐，18为节流阀。

具体实施方式

由于LNG气化站的气化量随季节及各时段用气量不同而有很大的波动，下面结合附图1给出三个不同气化量下的实施例子，并运用工艺模拟分析软件HYSYS进行了模拟分析。为了便于对各实施例子的能耗进行对比分析，将冬季气化量为10×10⁴Nm³·d^-1时仅利用LNG冷能制冰的制冰量作为每个例子的冰需求量。

实施例1

假设LNG气化站气化量为5×10⁴Nm³·d^-1，冰的需求量为5464kg·h^-1。本例子为夏季时LNG气化站气化量不足，冰需求量很大的情况。为了尽量利用LNG冷能，当LNG气化量不能满足冰的需求量时，关闭调节阀2，调节阀5全开。经LNG泵加压后，流量为1710kg·h^-1的LNG在LNG换热器7中与温度为15℃、压力为0.3～0.45MPa的气态混合制冷剂R410A换热，换热后的天然气温度为-18℃、压力为0.2～0.5MPa，再依次经空气加热型汽化器6升为常温、调压器4调压后送入城市燃气管网。换热后的R410A为液态，流量为4972kg·h^-1、温度降为-35～-28℃，然后将液态R410A送入低温冷媒储罐8中。再经离心泵9增压至0.6～0.8MPa后由调压阀10调压为0.36～0.48MPa，调压后的R410A和节流阀18节流后的R410A汇合，汇合之后流量为12779kg·h^-1，然后进入制冰机11中与水换热，水凝结为冰，再将冰以块冰或片冰的形式产出。在制冰机11中与水换热后的R410A将变为气态，温度升高为-15℃，压力为0.3～0.45MPa，气态R410A将分为C、D两股，C股流量由调节阀12调为4972kg·h^-1再次进入LNG换热器7中与LNG换热，构成循环；D股流量由调节阀13调为7807kg·h^-1进入压缩机14压缩后压力为1.7～2.5MPa，再进入换热器16中与冷却水换热，换热后的R410A液化为25～40℃的液体，液化后的R410A将送入常温冷媒储罐17中，再经节流阀18节流后与调压阀10调压后的R410A汇合进入制冰机11，构成循环。节流阀18节流后的R410A的压力与调压阀10调压后的R410A的压力相同。并将调压器4调压后的常温天然气引一小部分，由调压器19调压至适合天然气发动机的压力，经调压器19调压后的天然气将作为天然气发动机15的燃料，天然气发动机15为压缩机14提供动力。

实施例2

假设LNG气化站气化量为8×10⁴Nm³·d^-1，冰的需求量为5464kg·h^-1。本例子为过度季节时LNG气化站气化量基本能满足冰的需求量，但仍有不足。同样为了尽量利用LNG冷能，当LNG气化量不能满足冰的需求量时，关闭调节阀2，调节阀5全开。本例子的运行情况和例1的运行情况基本相同，只是LNG和R410A的流量有较大变化，所以这里只对不同的地方做出说明。进入LNG换热器7的LNG流量为2735kg·h^-1；在LNG换热器7中与LNG换热的气态混合制冷剂R410A的流量为7955kg·h^-1；经调压阀10调压后的R410A与节流阀18节流后的R410A汇合后的流量为11078kg·h^-1；在制冰机11中与水换热后的气态R410A分为C、D两股，C股的流量由调节阀12调为7955kg·h^-1，D股的流量由调节阀13调为3123kg·h^-1；在调压器4后引的一小部分常温天然气的流量较“实施例1”中的量有所减少。

实施例3

假设LNG气化站气化量为12×10⁴Nm³·d^-1，冰的需求量为5464kg·h^-1。本例子为冬季时LNG气化站气化量完全能满足冰的需求量，且还有富余的情况。此时，仅利用LNG冷能就能满足冰的需求量，且还有富余，经LNG泵加压的LNG的流量为4104kg·h^-1，所以开启调节阀2，使进入空气加热型汽化器3的LNG流量为684kg·h^-1，经空气加热型汽化器3气化后的常温天然气再与经空气加热型汽化器6加热后的常温天然气汇合，汇合之后经调压器4调压，然后送入城市燃气管网。开启调压阀5，使LNG流量为3420kg·h^-1，然后进入LNG换热器7中与温度为15℃、压力为0.3～0.45MPa的气态混合制冷剂R410A换热，经LNG换热器换热后的天然气温度为-18℃、压力为0.2～0.5MPa，再经空气加热型汽化器6升为常温，之后与空气加热型汽化器3气化后的常温天然气汇合。换热后的R410A为液态，流量为9944kg·h^-1、温度降为-35～-28℃，然后将液态R410A送入低温冷媒储罐8中。再经离心泵9增压至0.6～0.8MPa后由调压阀10调压为0.36～0.48MPa，调压后的R410A直接进入制冰机11中与水换热，水凝结为冰，再将冰以块冰或片冰的形式产出。在制冰机11中与水换热后的R410A将变为气态，温度升高为-15℃，压力为0.3～0.45MPa，调节阀13关闭，同时调节阀12开启，使进入LNG换热器7的气态R410A的流量为9944kg·h^-1。此时，蒸气压缩式制冷循环停止工作，所以不再从调压器4后引天然气。

本实用新型装置的模拟分析结果：

采用工艺模拟软件HYSYS对本装置进行了模拟分析，其结果如表1所列，其中q_LNG为LNG的气化量，m₁为仅利用经过调节阀5的LNG的冷能制冰（将30℃的水制成-10℃的冰）的冰量，W1为用普通制冰方法制取和m₁相同冰量所需的能耗，m₂为每种例子下的冰需求量（计划制冰量），W₂为压缩机能耗，COP值为该装置中蒸气压缩式制冷循环制冰的能耗比，q_NG为天然气发动机的天然气消耗量。分析中选择的天然气低位热值为40.67MJ·Nm^-3，本装置中天然气发动机热效率选为35%。

从表1中可以看到，对于气化量为2～10×10⁴Nm³·d^-1的小型LNG卫星站，采用本工艺可以制冰5285kg·h^-1，日制冰量约为127t，相比用普通的制冰方法制取相同的冰最多每天可节约7332kW的能量。年毛收入按目前每100kg冰块8元的批发价，日制冰量为127t的情况计算，可达370.36万元，经济效益非常可观。

表1工艺能耗的理论分析结果

从表1中还可以看到，该工艺中蒸气压缩式制冷循环的COP值为2.5，相比目前大多数制冰机2.2左右的COP值，本工艺的能耗更低。

另外，由于采用的是天然气发动机，在气化量不断变化的情况下，相比电制冷更容易调节制冷量。且使用的是站内的天然气，不仅可以降低电力增容等费用，还可以缓解电力燃气的季节不平衡性。

Claims

1.一种利用LNG卫星站冷能制冰的装置，其特征在于包括LNG泵（1）、调压器（4）、调节阀（5）、空气加热型汽化器（6）、LNG换热器（7）、低温冷媒储罐（8）、离心泵（9）、调压阀（10）、制冰机（11）、压缩机（14）、天然气发动机（15）、换热器（16）、常温冷媒储罐（17）和节流阀（18）；所述LNG泵（1）与调压阀（5）、LNG换热器（7）的冷物流进口依次用保温管线相连，LNG换热器（7）的冷物流出口与空气加热型汽化器（6）进口用保温管线相连，再通过常温管线将空气加热型汽化器（6）出口和调压器（4）相连，调压器（4）出口与城市燃气管网相连；LNG换热器（7）的热物流出口与低温冷媒储罐（8）、离心泵（9）、调压阀（10）、制冰机（11）的冷媒进口依次用保温管线相连，再用保温管线将制冰机（11）的冷媒出口与LNG换热器（7）的热物流进口相连构成循环，制冰机进水口与给水管道相连；用保温三通管件在制冰机（11）的冷媒出口管线上接出一条保温管线，这条保温管线与压缩机（14）的进气口相连，压缩机出气口与换热器（16）的热物流进口相连，换热器（16）的热物流出口与常温冷媒储罐（17）相连，再用保温管线将常温冷媒储罐（17）与节流阀（18）、制冰机（11）的冷媒进口依次相连构成循环。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述压缩机（14）与天然气发动机（15）相连，由天然气发动机（15）为压缩机（14）提供动力。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，在所述调压器（4）的出口管线上接出一条常温管线，这条常温管线依次连接调压器（19）和天然气发动机（15），管线内常温天然气将作为天然气发动机的燃料。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述低温冷媒储罐（8）和常温冷媒储罐（17）都是保温的储罐，低温冷媒储罐（8）中储存的是液态低温混合制冷剂R410A，常温冷媒储罐（17）中储存的是液态常温混合制冷剂R410A。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述调压阀（10）调压后压力与节流阀（18）节流后压力相同，在调压阀（10）出口处设有止回阀，节流阀（18）出口处也设有止回阀。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述制冰机（11）的冷媒出口与LNG换热器（7）的热物流进口之间的保温管线上设有调节阀（12）。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述制冰机（11）的冷媒出口与压缩机（14）的进气口之间的保温管线上设有调节阀（13）。