董建鍇，黃 順，李 碩，姚 楊，姜益強(qiáng)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 熱泵空調(diào)技術(shù)研究所，哈爾濱 150090)

LNG冷能用于冷庫制冷性能模擬研究

董建鍇，黃 順，李 碩，姚 楊，姜益強(qiáng)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 熱泵空調(diào)技術(shù)研究所，哈爾濱 150090)

為使LNG冷能在冷庫系統(tǒng)中得到有效利用，從LNG冷能梯級利用的角度出發(fā)，設(shè)計一種新型LNG冷能制冷的冷庫系統(tǒng)，在LNG換熱器端和冷庫末端實現(xiàn)對LNG冷能的梯級利用，并通過HYSYS模擬對其進(jìn)行熱力學(xué)分析和經(jīng)濟(jì)性分析. 結(jié)果表明: 該冷庫系統(tǒng)COP為1.82，火用效率為80.2%； LNG換熱器火用損最大，約占系統(tǒng)總火用損的78.9%，且隨LNG進(jìn)口溫度升高而減小；系統(tǒng)COP和火用效率均隨LNG進(jìn)口溫度及氣化壓力升高而增大；該系統(tǒng)投資回收期為4.77 a，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益. LNG冷能為冷庫系統(tǒng)冷量來源提供新的選擇，在LNG進(jìn)口端增設(shè)蓄冷設(shè)備和加壓泵均能提高系統(tǒng)COP和火用效率.

液化天然氣；冷能利用；火用損；HYSYS軟件；冷庫

目前，中國是全球第三大LNG進(jìn)口國，僅次日本和韓國[1]. LNG是氣態(tài)天然氣通過低溫工藝液化和凈化得到的低溫液體混合物，常壓下溫度為-162 ℃. LNG在接收站進(jìn)行再氣化過程中將釋放大量冷能，但在傳統(tǒng)再氣化工藝中，LNG攜帶的冷量被海水或空氣帶走，造成極大的能源浪費(fèi)，而且會對周圍海域或站區(qū)的環(huán)境造成冷污染. 如果能將部分LNG氣化冷能作為冷庫的冷源，既可節(jié)省壓縮式制冷裝置的投資，又可減少電耗，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益十分可觀. 針對LNG冷能用于冷庫制冷，國內(nèi)外學(xué)者做了相關(guān)研究. 黃美斌等[2]將LNG與中間冷媒在低溫 換熱器中進(jìn)行換熱，被冷卻的中間冷媒通過管道進(jìn)入冷庫內(nèi)，通過末端裝置釋放冷量來實現(xiàn)冷凍或冷藏. 吳集迎等[3]設(shè)計了LNG冷能用于冷庫的系統(tǒng)流程與運(yùn)行模式，并驗證了LNG冷能作為冷庫的冷源是一種可行的方式，且具有顯著的節(jié)能效果和經(jīng)濟(jì)效益. 劉宗斌等[4]在傳統(tǒng)的電壓縮氨制冷工藝的基礎(chǔ)上增加LNG制冷循環(huán)，結(jié)果顯示該工藝?yán)淠芾寐蔬_(dá)87.8%，火用效率達(dá)26.8%. Messineo等[5]在接收站和用冷地點之間設(shè)置中間冷媒傳輸系統(tǒng)，并選取二氧化碳作為中間冷媒介質(zhì)，有效降低傳輸能耗. 李少中[6]利用HYSYS模擬比較了電壓縮氨氣制冷工藝和利用LNG衛(wèi)星站冷能的冷庫火用效率，結(jié)果顯示兩者火用效率分別為12.1%和26.6%. 唐賢文等[7]通過火用分析的方法計算了LNG冷能用于冷庫的火用效率，結(jié)果顯示最高的火用效率為30%.

LNG冷能在冷庫中已經(jīng)有許多應(yīng)用，但普遍存在LNG冷能利用不合理、系統(tǒng)整體火用效率偏低的問題，且對火用效率較低的原因未進(jìn)行深入分析，對于提高系統(tǒng)火用效率沒有提出行之有效的方法. 此外，部分研究對單級冷庫系統(tǒng)的火用效率進(jìn)行了簡單分析，但對系統(tǒng)的COP和火用效率并未給出明確的定義和計算公式. 本文所采用的Rocca[8-9]定義給出了LNG冷能回收系統(tǒng)COP和火用效率的相應(yīng)計算公式，并對公式每一項進(jìn)行了詳細(xì)說明，符合熱力學(xué)第一定律和第二定律，具有較高的準(zhǔn)確性. 此外，Rocca課題組在系統(tǒng)火用效率方面做過許多研究，COP和火用效率定義公式具有一定的可靠性. 本文采用Rocca定義的LNG冷能回收COP和火用效率對LNG冷能制冷的雙級冷庫系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)分析和經(jīng)濟(jì)性分析. 介紹了LNG冷能制冷的冷庫系統(tǒng)以及其模型建立方法，分析了各設(shè)備及系統(tǒng)的火用損和火用效率，確定影響系統(tǒng)整體火用效率提高的障礙環(huán)節(jié)，研究了不同LNG進(jìn)口溫度和氣化壓力下系統(tǒng)火用效率和COP的變化情況，最后對該系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析. 以期為優(yōu)化設(shè)計LNG冷能制冷的冷庫系統(tǒng)以及合理高效地利用LNG冷能、充分發(fā)揮其火用效率提供有益參考.

1 系統(tǒng)及模型介紹

該模擬基于以下假定：

1)流程為穩(wěn)態(tài)；

2)狀態(tài)方程為Peng-Robinson方程[10]，換熱器壓降均為10 kPa，泵和壓縮機(jī)效率均為75%.

對于穩(wěn)定流動的系統(tǒng)，某單位質(zhì)量流量的工質(zhì)在某一狀態(tài)下的火用的定義式為

ex=h-h0-t0(s-s0).

(1)

計算基準(zhǔn)為t0=25 ℃，p0=0.1 MPa. 此處氨的基準(zhǔn)值為h0=-2 698 kJ/kg，s0=-5.81 kJ/(kg·K)； LNG參考值h0=-4 191 kJ/kg，s0=-5.016 kJ/(kg·K).

1.1 系統(tǒng)介紹

圖1為LNG冷能制冷的冷庫系統(tǒng)流程. 選取LNG組分為廣東LNG組分，見表1. 該冷庫系統(tǒng)設(shè)計思路主要是基于LNG冷能梯級利用的考慮，一方面在LNG換熱器端實現(xiàn)LNG冷能的梯級利用, LNG冷能的第一級用于空氣分離工藝，經(jīng)過空氣分離后的LNG溫度定為-100 ℃，冷庫作為LNG冷能利用的第二級；另一方面在冷庫末端實現(xiàn)LNG冷能的梯級利用，設(shè)置兩種不同庫溫，庫溫根據(jù)食品的冷藏工藝要求確定，其值可參考GB50072—2010《冷庫設(shè)計規(guī)范》[11]，此處設(shè)置為-2 和-20 ℃. 不同庫溫所對應(yīng)冷媒的蒸發(fā)溫度不同，相應(yīng)的蒸發(fā)壓力也不相等. 采用串聯(lián)方式時，兩冷庫換熱器中壓力控制不均衡，將不能保證各換熱器中實際運(yùn)行的壓力為額定蒸發(fā)壓力，因此，兩個不同庫溫的冷間采用并聯(lián)方式，從而使LNG冷能在冷庫系統(tǒng)中得到有效利用. 冷間的設(shè)計冷負(fù)荷分別為51.9和205.9 kW，冷卻末端設(shè)備分別為蒸發(fā)器1和蒸發(fā)器2.

圖1 LNG冷能制冷的冷庫系統(tǒng)流程Fig.1 Process of cold storage system using LNG cold energy

表1 LNG各組分及相應(yīng)臨界壓力和溫度

Tab.1 LNG components and the corresponding critical pressure and temperature

組分φ/%臨界壓力/MPa臨界溫度/℃CH488.774.64-82.45C2H67.544.8832.28C3H82.594.2696.75異C4H100.453.65134.95正C4H100.563.80152.05N20.073.39-146.96

1.2 模型建立

圖2為該冷庫系統(tǒng)的HYSYS模擬流程. 根據(jù)冷間的設(shè)計溫度以及換熱器的傳熱溫差，為使各冷間能維持相應(yīng)的溫度，工質(zhì)氨在蒸發(fā)器1和蒸發(fā)器2處的蒸發(fā)溫度分別定為-9和-30 ℃，相應(yīng)的蒸發(fā)壓力分別為0.3和0.12 MPa，此處的蒸發(fā)壓力和蒸發(fā)溫度并非一恒值，因為在HYSYS中換熱器計算需要設(shè)置一定的壓降，蒸發(fā)過程并非嚴(yán)格的恒溫恒壓過程.

圖2 HYSYS模擬流程Fig.2 Process of HYSYS simulation

依據(jù)熱力學(xué)第一定律和第二定律分別得到系統(tǒng)能效和火用效率.

系統(tǒng)能效COP(coefficient of performance)定義為

(2)

式中：QLNG為LNG輸入冷量，kW；Q1為蒸發(fā)器1輸出冷量，kW；Q2為蒸發(fā)器2輸出冷量，kW；Wpump為泵輸入功，kW；Wcom為壓縮機(jī)輸入功，kW；ExNG為出口NG的火用值，kW.

各設(shè)備及系統(tǒng)的火用損和火用效率計算如下：

LNG換熱器

Exloss,LNG=ExLNG+Ex7-ExNG-Ex1，

(3)

(4)

蒸發(fā)器1

(5)

(6)

蒸發(fā)器2

(7)

(8)

壓縮機(jī)

Exloss,com=Wcom+Ex5-Ex6，

(9)

(10)

膨脹閥

Exloss,exp=Ex2″-Ex4，

(11)

(12)

泵

Exloss,pump=Ex1+Wpump-Ex2，

(13)

(14)

系統(tǒng)

Exloss,system=ExLNG+Wpump+Wcom-ExNG-

(15)

(16)

2 結(jié)果與討論

2.1 熱力學(xué)分析

圖3為工質(zhì)氨壓焓圖，其中氨的壓焓圖飽和曲線數(shù)據(jù)來自REFPROP 8.0. 蒸發(fā)和冷凝過程按照嚴(yán)格的恒壓過程，但是由蒸發(fā)器到冷凝器之間需設(shè)置一定的壓降來表示設(shè)備、管路等的總壓降. 7-8過程表示工質(zhì)由蒸發(fā)器到冷凝器之間的壓降，包括設(shè)備壓降、儲罐進(jìn)出口壓降和管路壓降.

圖3 LNG冷能制冷的冷庫系統(tǒng)壓焓圖Fig.3 p-hdiagram of cold storage system using LNG cold energy

LNG冷能制冷的冷庫系統(tǒng)相應(yīng)的流程參數(shù)通過HYSYS模擬輸出的結(jié)果如表2所示.

通過HYSYS軟件模擬的系統(tǒng)各能流結(jié)果見表3.

表2 LNG冷能制冷的冷庫系統(tǒng)各物流參數(shù)

Tab.2 Logistic parameters of cold storage system using LNG cold energy

物流 t/ ℃p/MPa流量/(kg·h-1)焓/(kJ·kg-1)熵/(kJ·(kg·K)-1)火用/(kJ·kg-1)LNG-100.007.002005.0-4864-9.757740.5NG0.006.992005.0-4353-7.416553.61-10.600.28713.7-4109-11.660333.22-10.600.30713.7-4109-11.660333.23-9.750.29140.5-2779-6.606156.34-29.600.12573.2-4109-11.640327.25-31.400.11573.2-2815-6.29126.4652.000.29573.2-2647-6.157154.5740.000.29713.7-2673-6.238152.6

表3 LNG冷能制冷的冷庫系統(tǒng)各能流參數(shù)

Tab.3 Energy flow parameters of cold storage system using LNG cold energy

能流LNG換熱器蒸發(fā)器1蒸發(fā)器2泵壓縮機(jī)換熱量或功率/kW284.70051.900205.9000.00826.900

由式(2)可計算得到LNG冷能制冷的冷庫系統(tǒng)COP為1.82. 此時能效比并不能反映系統(tǒng)內(nèi)部真實的能耗情形，應(yīng)對系統(tǒng)進(jìn)行火用分析.

根據(jù)表2和表3中的數(shù)據(jù)，通過式(3)～(16)可計算出LNG冷能制冷的冷庫系統(tǒng)及其設(shè)備的火用損和火用效率，具體數(shù)據(jù)如表4所示.

尊重學(xué)生合理需求和個體差異，統(tǒng)籌考慮各層次學(xué)生學(xué)習(xí)狀況、知識水平和解決問題的能力，以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力為重點，以學(xué)生為中心，根據(jù)學(xué)生的能力水平和潛力傾向，把學(xué)生分成不同層次進(jìn)行培養(yǎng)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)適合自己的知識，通過不斷的質(zhì)量測評與分層分流措施讓學(xué)生最終找到適合自己的崗位能力目標(biāo)，使得學(xué)生學(xué)習(xí)有動力，學(xué)得專心、專注。

由表4可知，該LNG冷能制冷的冷庫系統(tǒng)火用效率達(dá)80.2%，較一般冷庫不到30%[6-7]的火用效率高出許多. 一方面是由于該冷庫作為LNG冷能利用的第二級，一定程度上實現(xiàn)了能量和能質(zhì)的匹配；另一方面是由于該冷庫實現(xiàn)兩種不同溫度的冷庫并聯(lián)，一定程度上實現(xiàn)了冷能的梯級應(yīng)用，充分利用了LNG冷能. 蒸發(fā)器1較蒸發(fā)器2火用效率提高了14%，因此，不同庫溫的冷間并聯(lián)設(shè)置可以有效提高冷庫系統(tǒng)整體的火用效率，并且擁有幾種庫溫的冷庫系統(tǒng)可以滿足多種需求，實現(xiàn)多功能化. 由于不同食品具有最適貯藏溫度，即庫溫有多種選擇，該冷庫系統(tǒng)只選擇了兩種常見的庫溫-20和-2 ℃進(jìn)行研究分析，因此，可在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加-40、+10 ℃等庫溫進(jìn)行分析，設(shè)計三級及以上冷庫系統(tǒng)，這也將是日后研究內(nèi)容的一部分.

表4 LNG冷能制冷的冷庫系統(tǒng)及其設(shè)備火用損和火用效率

Tab.4 Exergy loss and exergy efficiency of cold storage system using LNG cold energy and its equipment

設(shè)備Exloss/kWηex/%LNG換熱器68.30084.6泵0.008100.0蒸發(fā)器10.98092.4蒸發(fā)器29.90081.0壓縮機(jī)6.50079.1膨脹閥0.96098.2系統(tǒng)86.60080.2

根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)，計算LNG冷能制冷的冷庫系統(tǒng)各設(shè)備的火用損比例，其分布情況如圖4所示，由于泵的火用損很小，可以忽略不計. 由圖4可知，LNG冷能制冷的冷庫系統(tǒng)火用損最大的設(shè)備是LNG換熱器，約占78.9%，主要是因為進(jìn)入換熱器中氨與LNG的溫度相差太大. 圖5給出了不同LNG進(jìn)口溫度下該冷庫系統(tǒng)火用損、LNG換熱器火用損及其比例的變化情況，系統(tǒng)火用損、LNG換熱器火用損及其比例隨LNG進(jìn)口溫度升高呈近似線性減小趨勢，系統(tǒng)火用損由145.5 kW減小至58.5 kW，降低了59.8%，LNG換熱器火用損由126.7 kW減小至39.7 kW，降低了68.7%，LNG換熱器火用損比例由87.1%減小至67.9%，降低了21.9%. LNG進(jìn)口溫度升高，雖然LNG換熱器火用損比例仍較大，占系統(tǒng)火用損絕大部分，但LNG換熱器及系統(tǒng)火用損減小幅度較大，因此,LNG進(jìn)口溫度的升高對減小LNG換熱器和系統(tǒng)火用損有很大的促進(jìn)作用. 蒸發(fā)器2的火用損占11.4%，蒸發(fā)器1火用損占1.1%，即冷凍物冷藏庫火用損為冷卻物冷藏庫的10倍，除了溫差等不可逆因素外，還因為前者工質(zhì)流量是后者的4倍. 壓縮機(jī)火用損占7.5%，主要在于其有一個絕熱效率，此處取HYSYS里該單元操作的默認(rèn)值75%. 閥和泵的火用損均較小，膨脹閥處的火用損在于工質(zhì)膨脹后壓力的降低，而泵處的火用損則在于其存在一個絕熱系數(shù)75%.

通過對LNG冷能制冷的冷庫系統(tǒng)各設(shè)備火用損大小的分析，可知提高該系統(tǒng)整體火用效率的障礙環(huán)節(jié)主要在LNG換熱器端，其次是在冷庫換熱器端. LNG進(jìn)入換熱器的溫度為-100 ℃，而氨進(jìn)入換熱器的溫度為40 ℃，冷熱流體換熱溫差太大，導(dǎo)致火用損較大，火用效率難以提高. 圖6給出了不同LNG進(jìn)口溫度下該冷庫系統(tǒng)火用效率的變化情況，系統(tǒng)火用效率隨LNG進(jìn)口溫度升高呈近似線性增加趨勢，由64.6%增加至90.1%，提高了39.5%，因此，可以在LNG進(jìn)口端加一個蓄冷設(shè)備蓄存部分LNG冷量來提高其進(jìn)口溫度，從而提高LNG冷能利用火用效率. 增加LNG進(jìn)口溫度不僅能提高系統(tǒng)火用效率，也能提高系統(tǒng)的 COP，圖7給出了不同LNG進(jìn)口溫度下該冷庫系統(tǒng)COP的變化情況.系統(tǒng)COP隨LNG進(jìn)口溫度升高呈近似二次方增加趨勢，由1.54增加至2.38，提高了54.5%，主要原因在于出口天然氣火用值增加.

圖4 LNG冷能制冷的冷庫系統(tǒng)火用損分布

Fig.4 Exergy loss distribution of cold storage system using LNG cold energy

圖5 LNG換熱器火用損及其比例隨LNG進(jìn)口溫度變化曲線

Fig.5 Exergy loss and its proportion of LNG exchanger under different LNG inlet temperature

圖6 冷庫系統(tǒng)火用效率隨LNG進(jìn)口溫度變化曲線

Fig.6 Exergy efficiency of cold storage system under different LNG inlet temperature

常壓下LNG氣化溫度為-162 ℃，其能量品位很高，若直接應(yīng)用于不需如此低溫的冷庫，在換熱過程中必然造成大量的火用損失，因此，冷庫不適合作為LNG冷能利用的第一級，需要對LNG冷能進(jìn)行梯級利用，以期達(dá)到合理用能，使火用損失盡量減小. LNG冷能第一級可用作空氣分離工藝，經(jīng)過換熱后LNG的溫度在-100 ℃左右，第二級可以用來制取干冰，換熱后LNG的溫度在-55 ℃左右，第三級可用于該冷庫制冷. 對于一些設(shè)計溫度較低的冷庫不能直接利用經(jīng)過兩級利用后的LNG冷能，需要用LNG冷能的第二級甚至第一級，因此，需要根據(jù)冷庫的設(shè)計溫度對LNG冷能進(jìn)行合理地梯級利用. 此外，氨的凝固點為-77.7 ℃，不能制取更低的溫度，需要根據(jù)冷庫設(shè)計溫度選擇合適的制冷劑.

圖7 冷庫系統(tǒng)COP隨LNG進(jìn)口溫度變化曲線

Fig.7 COP of cold storage system under different LNG inlet temperature

該冷庫系統(tǒng)采用LNG先加壓后氣化的方式，此方式也是LNG調(diào)峰站采用的加壓方式[12]. 圖8給出了不同LNG氣化壓力下該冷庫系統(tǒng)火用效率的變化情況，其中取2.5 MPa為起始?xì)饣瘔毫κ且驗長NG在壓力為2 MPa、溫度為-100 ℃時仍為氣液兩相流. 系統(tǒng)火用效率隨LNG氣化壓力增加而增大，2.5 MPa到4.5 MPa段火用效率增加較快，由67.0%升至75.3%，從5 MPa之后火用效率增長緩慢，由76.5%增至81.4%. 起始端火用效率增加較快是因為火用損減小速率較快，同理，5 MPa至8 MPa段火用效率增加緩慢是因為火用損減小速率較慢. 提高LNG的進(jìn)口壓力，可以改變LNG氣化溫度，從而有效提高系統(tǒng)整體的火用效率，因此，可以在LNG進(jìn)口端增設(shè)一個加壓泵來調(diào)整LNG進(jìn)口壓力.

圖8 冷庫系統(tǒng)火用效率隨LNG氣化壓力變化曲線

Fig.8 Exergy efficiency of cold storage system under different LNG gasification pressure

圖9給出了不同LNG氣化壓力下該冷庫系統(tǒng)COP的變化. COP隨LNG氣化壓力增加呈近似線性增加趨勢，由1.50升高至1.89，提高了26%，主要原因在于出口天然氣火用值增加. 提高LNG氣化壓力能夠提高該冷庫系統(tǒng)的火用效率，還能提高該冷庫系統(tǒng)的COP，但壓力升高也對LNG換熱器和管道的承壓能力提出更高要求，會增大投資費(fèi)用，因此，需要綜合考慮該冷庫的收益和投資，選擇合適的氣化壓力.

圖9 冷庫系統(tǒng)COP隨LNG氣化壓力變化曲線

Fig.9 COP of cold storage system under different LNG gasification pressure

2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

2.2.1 初投資和運(yùn)行費(fèi)用

該冷庫系統(tǒng)的初投資由各設(shè)備的造價組成，設(shè)備造價相應(yīng)的經(jīng)驗公式如下[13]:

lg CPE=K1+K2lg X+K3(lg X)2.

(17)

式中：CPE為設(shè)備造價，美元；X為換熱面積(換熱器)或輸入功率(泵/壓縮機(jī))，m2或kW；K1、K2、K3為常系數(shù)，具體值見表5[13].

表5 各設(shè)備的K1、K2、K3參數(shù)值Tab.5 K1,K2,K3parameter values of each equipment

泵和壓縮機(jī)的輸入功率見表3，HYSYS穩(wěn)態(tài)模擬只能給出換熱系數(shù)與換熱面積乘積值，因此，換熱器的面積需要進(jìn)行估算. 根據(jù)文獻(xiàn)[14]中換熱系數(shù)的估計值，LNG換熱器換熱系數(shù)取5 000 W/(m2·K)，蒸發(fā)器換熱系數(shù)取2 000 W/(m2·K)，從而計算LNG換熱器、蒸發(fā)器1和蒸發(fā)器2換熱面積分別為2.27、3.7和10.3 m2. 由式(17)計算得相應(yīng)設(shè)備的造價，見表6.

表6 各設(shè)備造價估算值Tab.6 Estimated values of each equipment cost

注：取美元對人民幣匯率為1美元=6.46元人民幣

其他初投資費(fèi)用：儲罐(1個儲液罐、2個儲氣罐)按2萬元/個計算，總計6萬元，冷媒及管道、閥門等部件費(fèi)用總計15萬元. 經(jīng)計算得，系統(tǒng)設(shè)備一次性投資總計124.59萬元.全年運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用按系統(tǒng)設(shè)備初投資的20%計算，共24.92萬元.

2.2.2 回收冷量效益

該冷庫系統(tǒng)對LNG冷能回收效益可以根據(jù)陳敏[15]擬合的溫度T下的單位冷能價格公式進(jìn)行計算

CQT=82.85Ce·exp(-0.021 7T).

式中：CQT為溫度T下單位冷能價格，元/MJ；Ce為工業(yè)電價，元/MJ；T為溫度，K.

以工業(yè)用電價格0.8元/(kW·h)(0.22元/MJ)計算，以蒸發(fā)器蒸發(fā)溫度-9和-30 ℃分別計算得單位冷能價格為0.060和0.093元/MJ.

根據(jù)冷卻物冷藏間和冷凍物冷藏間冷負(fù)荷計算值，可得到LNG冷庫回收冷量效益. 將冷卻物冷藏間和冷凍物冷藏間回收冷量效益加總，得到年平均回收冷量收益值為59.02萬元，求回收冷量收益值與年運(yùn)行費(fèi)用的差值得到每年凈收益34.1萬元.

2.2.3 動態(tài)投資回收期

動態(tài)投資回收期定義式[16]為

該LNG冷能冷庫系統(tǒng)初投資為124.59萬元，年凈收益為34.1萬元，假定該項目生命周期為15 a，基準(zhǔn)折現(xiàn)率為10%，得

式中：P為初投資，萬元；A為年凈收益，萬元.

3 結(jié) 論

1)該冷庫系統(tǒng)COP為1.82，火用效率為80.2 %，其中火用效率較一般利用LNG冷能的冷庫系統(tǒng)高.

2)LNG換熱器處火用損最大，占系統(tǒng)總火用損78.9%，提高LNG進(jìn)口溫度可有效減小其火用損.

3)系統(tǒng)COP和火用效率均隨LNG進(jìn)口溫度升高而增加，且均隨 LNG氣化壓力升高而增加，在LNG進(jìn)口端增設(shè)蓄冷設(shè)備和加壓泵均能有效提高系統(tǒng)火用效率.

4)該冷庫系統(tǒng)經(jīng)4.77 a可回收成本，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益.

[1] 郜峰, 錢錚, 趙喆. 全球 LNG 市場供需發(fā)展新特點及新動向[J]. 國際石油經(jīng)濟(jì), 2013 (6): 26-31. GAO Feng, QIAN Zheng, ZHAO Zhe. New features and new trends of global LNG market supply and demand development[J]. International Petroleum Economy, 2013 (6): 26-31.

[2] 黃美斌, 林文勝, 顧安忠. 利用 LNG 冷能的低溫冷庫流程比較[J]. 制冷學(xué)報, 2009, 30(4): 58-62. HUANG Meibin, LIN Wensheng, GU Anzhong. Process comparison of low temperature cold storage using LNG cold energy[J]. Journal of Refrigeration, 2009, 30(4): 58-62.

[3] 吳集迎, 馬益民, 陳仕清. LNG 冷能用于冷庫的系統(tǒng)設(shè)計及分析[J]. 集美大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2010 (1): 44-47. WU Jiying, MA Yimin, CHEN Shiqing. Design and analysis of cold storage system using LNG cold energy[J]. Journal of Jimei University(Natural Science Edition), 2010(1)：44-47.

[4] 劉宗斌, 鄭惠平, 尚巍, 等. LNG 衛(wèi)星站冷能利用項目開發(fā)[J]. 煤氣與熱力, 2010, 30(9): 1-5. LIU Zongbin, ZHENG Huiping, SHANG Wei, et al. Development of cold energy utilization project in LNG satellite station[J]. Gas and Heat, 2010, 30(9): 1-5.

[5] MESSINEO A, PANNO G. LNG cold energy use in agro-food industry: A case study in Sicily[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering, 2011, 3(1): 356-363.

[6] 李少中. 利用LNG冷能的冷庫工藝模擬及分析[J]. 廣東化工, 2010, 37(7): 250-251. LI Shaozhong. Simulation and analysis on the cold storage process with LNG cold energy[J]. Chemical Industry in Guangdong, 2010, 37(7): 250-251.

[7] 唐賢文, 王聰, 楊澤亮. 廣東 LNG 冷能及其在冷庫中應(yīng)用的火用分析[J]. 能源與節(jié)能, 2012 (5): 12-13. TANG Xianwen, WANG Cong, YANG Zeliang. Guangdong LNG cold energy and exergy analysis on its applications in the coldstorag[J]. Energy and Energy Conservation, 2012(5): 12-13.

[8] ROCCA L V. Cold recovery during regasification of LNG part one: Cold utilization far from the regasification facility[J]. Energy, 2010, 35(5): 2049-2058.

[9] ROCCA L V. Cold recovery during regasification of LNG part two: Applications in an agro food industry and a hypermarket [J]. Energy, 2011, 36(8): 4897-4908.

[10]PENG D Y, ROBINSON D B. A new two-constant equation of state [J]. Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals, 1976, 15(1): 59-64.

[11]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部. 冷庫設(shè)計規(guī)范: GB50072—2010[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2010. Ministry of Housing and Urban-rural Construction of the People’s Republic of China. Code for design of cold storage: GB50072—2010[S]. Beijing: China Planning Press, 2010.

[12]PIORO I L, KHARTABIL H F, DUFFEYR B. Heat transfer to supercritical fluids flowing in channels—empirical correlations (survey)[J]. Nuclear Engineering and Design, 2004, 230(1): 69-91.

[13]HEBERLE F, BASSERMANN P,PREI?INGER M, et al. Exergoeconomic optimization of an organic Rankine cycle for low-temperature geothermal heat sources[J]. International Journal of Thermodynamics, 2012, 15(2): 119-126.

[14]XUE X, GUO C, DU X, et al. Thermodynamic analysis and optimization of a two-stage organic Rankine cycle for liquefied natural gas cryogenic exergy recovery[J]. Energy, 2015, 83: 778-787.

[15]陳敏. LNG 冷能用于發(fā)電和空調(diào)供冷工藝開發(fā)及優(yōu)化[D]. 廣州：華南理工大學(xué), 2013. CHEN Min. Development and optimization of power generation and air-conditioning using LNG cold energy[D].Guangzhou: South China University of Technology, 2013.

[16]胡茂生, 豐艷萍，謝英亮，等. 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析理論與方法[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社, 2009：50-52. HU Maosheng, FENG Yanping, XIE Yingliang, et al. Technology economic analysis theory and method[M]. Beijing ：Metallurgic Industry Press, 2009：50-52.

Simulation study on performance of the cold storage using LNG cold energy

DONG Jiankai，HUANG Shun，LI Shuo，YAO Yang，JIANG Yiqiang

(Institute of Heat Pump and Air Conditioning of Technology, Harbin Institute of Technology, Harbin 150090, China)

To use LNG cold energy in cold storage system effectively, a new cold storage system using LNG cold energy was designed from the perspective of cascade utilization of LNG cold energy, which achieved cascade utilization of LNG cold energy in the LNG exchanger and the cold storage terminal. In addition, the thermodynamics and economy performance of the system were simulated and analyzed by HYSYS, respectively. Results indicated that COP of the cold storage system was 1.82 and the exergy efficiency was 80.2%. Besides, the exergy loss of LNG exchanger was the largest, which constituted 79.8% of the total exergy loss in the system, and it decreased with the LNG inlet temperature rising. Moreover, as the LNG inlet temperature and gasification pressure increased, both COP and exergy efficiency of the cold storage system rose. The system had good economic benefits, with the payback period of 4.77 years. It was quite obvious that LNG cold energy was a new cold energy source for cold storage system and adding cold-storage equipment and pressure pump in LNG inlet terminal could improve COP and exergy efficiency.

LNG; cold energy utilization; exergy loss; HYSYS; cold storage

10.11918/j.issn.0367-6234.2017.02.017

2016-03-06

黑龍江省自然科學(xué)基金(E2015019)

董建鍇(1982—)，男，講師，碩士生導(dǎo)師； 姚 楊(1963—)，女，教授，博士生導(dǎo)師； 姜益強(qiáng)(1973—)，男，教授，博士生導(dǎo)師

董建鍇，djkheb@163.com； 姜益強(qiáng)， jyq7245@163.com

TE09

A

0367-6234(2017)02-0103-06