用于冰雪世界的LNG冷能换冷站技术分析

江 蓉，向润清，赖勇杰，金 滔

（1.浙江大学 制冷与低温研究所，浙江省制冷与低温技术重点实验室，浙江 杭州 310007；2.四川空分设备（集团）有限责任公司，四川 简阳 641400）

随着天然气在能源结构中占比的逐步提高，中国已成为全球第一大天然气进口国，2020年液化天然气（LNG）进口量达 6890 × 104t，在天然气总供应量中占比约28%，预计到2035年进口量将达到1.15 × 108～1.45 × 108t[1]。为满足天然气管网输送要求，在大型LNG接收站中，LNG经高压泵加压气化为常温气体后送入天然气管网。LNG在气化过程中会释放大量冷能，对于一座接收能力为 300 × 104t/a的接收站，可利用冷功率为65 MW，折合电能为10 × 108kW·h/a[2]。传统的LNG接收站多采用海水开架式气化器（ORV）或浸没燃烧式气化器（SCV）来气化LNG，不仅浪费了宝贵的冷能，还会对附近海域和环境产生冷污染[3]。随着我国LNG进口量的持续增长，大型接收站可利用的LNG冷能相当可观，合理高效利用这些冷能具有十分重要的意义。

LNG冷能利用的方式可以分为直接利用和间接利用。直接利用指将LNG冷能直接用于空气分离、低温发电、轻烃分离、冷库、制冰和冰雪世界等领域；间接利用则是将LNG冷能生产的液氮和液氧等介质，用于低温破碎、污水处理、冷冻食品和低温医疗等领域[3-8]。作为LNG进口大国，中国目前正处于LNG接收站的建设高峰时期。至2021年底，已有22座LNG接收站建成投运，但仅有6座建有冷能利用项目。其中，5座为LNG冷能空分，1座为LNG冷能轻烃分离。整体上看，我国LNG接收站的冷能利用率偏低，急需将LNG冷能与下游各类用冷需求结合起来，开发出高效合理的LNG冷能综合利用技术。目前我国沿海很多地区规划有大型冰雪世界、冷库、大数据中心等需要利用冷能的项目。在大型LNG接收站附近集中建设LNG冷能换冷站，将LNG冷能传递给不同的冷媒介质，可以满足下游不同用冷温区项目的需求。

随着北京冬奥会的成功举办，我国冰雪运动较快普及，大型冰雪世界的需求也日益增长。本文针对大型冰雪世界的用冷需求及负荷变化特点，提出一种利用LNG冷能的换冷站技术方案，并对其中的冷媒选择、工艺参数以及变负荷供冷方案等进行分析。

1 冰雪世界用冷需求分析

大型冰雪世界的用冷负荷一般为10～50 MW，用冷温区可分为低温区和高温区。低温区用于制冰、造雪等，用冷温度范围为-18～-13 ℃；高温区用于空调供冷，用冷温度范围为5～13 ℃。同时，冰雪世界内的用冷负荷随着季节、昼夜和人流量的不同呈现周期性变化。大型LNG接收站的外输量一般为 300 × 104～500 × 104t/a，且在一段时间内保持连续稳定，LNG冷能供应温区在-155～-130 ℃。大型接收站的LNG冷能可用于冰雪世界，但因LNG冷能的温度与冰雪世界的用冷温区存在差距，因此需要选择合适的冷媒进行冷量传递。

LNG冷能换冷站基本原理如图1所示。根据下游冰雪世界、数据中心和冷库等用冷需求的不同温区，采用不同的冷媒与LNG进行换热，通过冷媒将LNG的冷能传递给下游的冷能用户。LNG冷能换冷站不仅能有效地减少LNG气化过程中对周围环境造成的冷污染，还能减少下游用冷用户的制冷电耗，降低下游用冷用户的运行成本，提高能源综合利用率。

图1 LNG冷能换冷站Fig.1 LNG cold energy exchange station

某沿海城市规划建设大型冰雪世界，结合该地区已建成的1座大型LNG接收站，需要建设1座LNG冷能换冷站，将LNG接收站冷能用于冰雪世界。根据当地实际情况确定LNG换冷站选址，距离LNG接收站1.5 km，距离冰雪世界4.0 km。该LNG接收站外输量约为 500 × 104t/a，最大外输量 1180 t/h，依照生产经验，LNG外输量变化区间为 130～700 t/h。LNG操作温度为-155～-130 ℃，正常运行时操作压力为 6.6～7.5 MPa，最高可达 8.5 MPa。

规划建设的大型冰雪世界的设计用冷负荷见表1，单日用冷变化系数见表2。由表1和表2可知，冰雪世界的用冷负荷呈周期性变化，与LNG冷能的稳定供应存在矛盾，因此需要制定合适的变负荷供冷方案，解决LNG冷能供应与冰雪世界时空不匹配的问题。

表1 冰雪世界设计用冷负荷Table 1 Cooling load of Ice and Snow World for design

表2 冰雪世界单日用冷变化系数Table 2 Coefficient of cooling load change per days of Ice and Snow World

2 LNG冷能换冷站技术分析

根据冰雪世界用冷需求及负荷变化特点，结合大型LNG接收站的冷能供应特性，首先分析适用于LNG与冰雪世界之间冷量传递的冷媒，并在此基础上确定用于冰雪世界的LNG冷能换冷站系统方案，然后根据冰雪世界的用冷负荷变化，分析换冷站的变负荷供冷方案。

2.1 冷媒分析

冷媒是整个LNG冷能换冷系统的关键因素。根据循环冷媒的相态，一般可分为冷媒有相变流程和冷媒无相变流程[9]。无相变流程是指，运行过程中冷媒一直以液态存在，靠显热来传递冷量，冷媒循环量较大，但由于全程液态运行，可采用泵来输送，换热器和管道尺寸合理，系统可靠性高；有相变流程是指，冷媒在换热器内蒸发，靠气化潜热来传递冷量，相对于无相变过程，冷媒循环量小，但气体返回需要压缩机输送，换热器和管道尺寸较大，系统较复杂。本项目换冷站与冰雪世界距离较远，且冰雪世界用冷负荷变化频繁，导致冷媒的运行工况随之变化，因此选择冷媒无相变流程。采用液体泵输送冷媒，有效控制换热器和设备尺寸，以满足冰雪世界的用冷需求。

本项目冷媒在安全、环保的前提下，要满足系统的热力学特性以及经济性，包括以下要求：冷媒的常压沸点温度应与冰雪世界供冷温区（-20 ℃）匹配；冷媒应具有较低凝固点，防止冷媒与LNG换热过程中凝固；冷媒应无毒、不易燃易爆、环保，保证冷媒输送过程的安全性和可靠性[10]。常用的冷媒特性如表3所列。结合冰雪世界用冷需求，初选乙二醇溶液、R744（CO2）和R134a 3 种冷媒进行比较分析。

表3 常用冷媒的物理性质Table 3 Physical properties of common refrigerants

根据换冷站LNG供应温度、压力等条件，以及冰雪世界冷量设计要求，通过物料平衡及能量平衡计算，得出不同冷媒的相关参数，见表4。

表4 不同冷媒下的系统运行参数Table 4 System operating parameters under different refrigerants

由表4可知：（1）制冷剂R134a的循环量大，冷媒泵功率大，系统运行成本较高；同时冷媒输送管径较大，冷媒填充量较大，长距离输送管道和冷媒成本较高。（2）R744（CO2）的循环量与乙二醇溶液接近，系统阻力小，但采用无相变流程，CO2系统循环压力高，输送管径较大，长距离输送管道和冷媒成本较高。（3）乙二醇溶液循环量较小，冷媒输送管道较小，系统运行压力和冷媒输送泵能耗合理；同时，乙二醇溶液价格适中，系统投资和运行维护费用合理。

因此，冰雪世界LNG冷能换冷站冷媒宜采用乙二醇溶液。乙二醇溶液的质量分数可根据需要进行调整，一般在50%～60%。

2.2 工艺系统主要参数分析

采用乙二醇溶液作为冷媒，设计了用于冰雪世界的LNG冷能换冷站工艺系统方案，如图2。由图2可知，来自接收站的高压LNG在LNG-乙二醇换热器内与乙二醇溶液换冷后，进入空温式复热器加热至1 ℃，然后返回接收站天然气外输管线。与LNG换冷后的高压低温乙二醇溶液输送至冰雪世界，依次提供低温冷量（-20/-14 ℃）和高温冷量（-14/-6 ℃），之后经输送管道返回换冷站，经输送泵加压后送入LNG-乙二醇换热器与LNG换冷，完成乙二醇溶液供冷循环[11]。为防止LNG供应不稳定，在冰雪世界内单独设置一套备用的电制冷系统。

图2 换冷工艺系统Fig.2 Cold exchange process system

计算工艺系统的物料平衡及能量平衡，主要参数见表5。LNG冷能换冷站为冰雪世界提供用冷负荷 25 MW，换冷站LNG气化量为 150 t/h，乙二醇溶液循环量为2000 t/h。换冷站用电量仅为1000 kW，包括乙二醇输送泵电耗750 kW和公用工程用电250 kW。备用电制冷系统以R507作为冷媒，采用的冷媒有相变流程，在同样的供冷负荷下，用电量约 1.4 × 104kW。

表5 换冷站运行参数Table 5 Operating parameters of cold exchange station

采用LNG冷能为冰雪世界提供冷量，与备用电制冷系统相比节约电耗 1.3 × 104kW。根据冰雪世界单日最大冷负荷变化系数计算，每天节约电耗 1.768 ×105kW·h；按年运行 340 天计算，每年可节约电耗 6 × 107kW·h。以火电厂供电标准煤耗304.9 g/(kW·h)[12]，以及标准煤CO2排放值 2.54 t计算[13]，LNG冷能换冷站每年可节约标准煤 1.97 × 104t，减少CO2排放 5 × 104t。按照沿海地区工业用电0.6 CNY/(kW·h)，碳排放配额交易价格 50 CNY/t计算[14]，LNG冷能换冷站每年可节约电费 4200 × 104CNY，碳减排价值 250 × 104CNY。可见，将LNG冷能用于冰雪世界，可有效降低冰雪世界运行电耗，节能减排效益显著。

2.3 蓄冷和用冷相结合的变负荷供冷方案分析

LNG供应量和乙二醇溶液循环量需随冰雪世界用冷负荷频繁变化，如图3。而大型LNG接收站要求高压LNG气化和天然气外输保持连续稳定。提出蓄冷和用冷相结合的变负荷供冷方案，解决LNG冷能供应与冰雪世界用冷负荷时空不匹配的问题。

图3 LNG需求量和冷媒循环量随用冷负荷的变化Fig.3 Change of LNG demand and refrigerant circulation with cooling load

设置乙二醇溶液蓄冷和用冷储罐，通过“削峰填谷”实现冰雪世界用冷负荷和接收站LNG输出的匹配[15]，如图4。LNG供应量保持稳定，当冰雪世界用冷负荷降低时，剩余的冷量通过冷媒储存于蓄冷贮罐，蓄冷贮罐液位上升，用冷贮罐中液位下降；当用冷负荷增加时，蓄冷贮罐中低温冷媒与冰雪世界返回的冷媒混合后，通过冷剂输送泵为冰雪世界供冷，此时蓄冷贮罐液位下降，用冷贮罐液位上升。

图4 换冷站变负荷系统Fig.4 Variable load system of cold exchange station

根据以上换冷站变负荷供冷方案，LNG供应量和冷媒总蓄冷量随用冷负荷的变化如图5所示。由图5可知，单日内两个时间段LNG供应稳定，从20时至次日6时，LNG供应量为75 t/h；从8时至16时，LNG供应量为95 t/h。凌晨4时冷媒蓄冷总量达最大值 4400 t，需要 4500 m3的蓄冷和用冷储罐各1台。该方案可满足接收站LNG稳定供应和冰雪世界用冷负荷变化的需求。

图5 LNG供应量和冷媒总蓄冷量随用冷负荷的变化Fig.5 Change of LNG supply and total refrigerant storage with cooling load

3 结论

针对某大型冰雪世界的用冷需求，通过比较确定了换冷站冷媒，提出了换冷站系统方案，并对系统工艺参数及变负荷方案进行了分析，得到以下主要结论。

（1）采用乙二醇溶液为冷媒，LNG冷能换冷站为冰雪世界提供用冷负荷25 MW，换冷站LNG气化量为 150 t/h，乙二醇溶液循环量为 2000 t/h，换冷站用电量仅为1000 kW。

（2）与传统电制冷系统相比，用于冰雪世界的LNG冷能换冷站技术方案节约电耗 6 × 107kW·h/a，减少CO2排放 5 × 104t/a，节能减排效益显著。

（3）提出的蓄冷和用冷相结合的变负荷供冷方案，解决了LNG供应量与冰雪世界用冷量时空不匹配的问题。