基于液化天然气冷能的红细胞冻干及保存系统分析

毕 成，谭先琳，梁梓原

（广西大学机械工程学院，广西 南宁 530004）

0 引言

天然气的主要组分为甲烷（CH4）采用天然气作为能源，可减少煤和石油的用量，因而大大改善环境污染问题。天然气作为一种清洁能源，能减少二氧化硫和粉尘排放量近100%，减少二氧化碳排放量60%和氮氧化合物排放量50%，并有助于减少酸雨形成，减缓地球温室效应，从根本上改善环境质量。LNG 蕴含大量冷能，将液化天然气从-150 ℃提升到26 ℃，在此期间每千克液化天然气需吸收900 多千焦的热焓[1]。如果这部分冷能被有效回收并利用，将产生巨大的经济效益。因此，对LNG 加气站冷能利用的研究具有很高的研究价值。

红细胞的冷冻干燥保存法以其重量大大减轻、便于运输、适合室温保存、易于再水化等优势备受关注[2]。为此本文将LNG 冷能利用与红细胞冻干工艺创造性的结合，为红细胞冻干工艺的普及和LNG 冷能合理利用提供了新的思路。

1 红细胞冻干及保存系统

系统基本原理如图1 所示，LNG 经泵加压进入一级换热器换热后使冻干室达到冻干温度，通过自动控制装置改变冷媒1 流量实现冻干室控温。经过一级换热器后的LNG 流经二级换热器，此时冷媒2 送入二级换热器中吸收剩余冷能，再进入空调换热器将冷能传递给空调，交换热量后经泵送回二级换热器完成循环，实现红细胞存储冷库的制冷。

图1 系统基本流程

根据冻干系统和空调制冷系统的用冷需求不同，采用不同冷媒与LNG 进行换热。此系统不仅能有效地减少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，实现了LNG 的二级利用。

2 红细胞冻干及保存系统技术分析

根据系统两部分用冷需求不同的特点，结合加气站供冷的特性，经查阅相关资料后，冻干系统选取R-123 作为冷媒，冰蓄冷空调冷媒选择乙二醇，其冰点能够达到要求，另外其经济性安全性也较好[3]。

2.1 LNG 冷能和火用分析

通过Aspen Plus 模拟软件对LNG 冷能的释放情况计算，并通过计算结果对LNG 冷能的释放规律进行分析，模拟参数取环境温度为20 ℃，环境压力为0.1 MPa，LNG 组分为纯甲烷，计算结果如图2、图3所示。

图2 LNG 冷能释放规律

图3 LNG 冷火用释放规律

2.1.1 冷能分析

由图2 可知，当压力不变时，LNG 升温至环境温度时所释放的冷能随环境温度的升高而上升，且在低温段的冷能释放率较大。当环境温度不变时，LNG 释放的冷能随着压力的升高而降低。压力为0.1 MPa、2 MPa、5 MPa 的LNG 温度升高至环境温度时释放的冷能分别为898.5 kJ/kg、874.0 kJ/kg、834.9 kJ/kg；5 MPa 为0.1 MPa 条件下LNG 释放冷能的92.9%。由此可知压力对LNG 冷能释放量影响不大。

2.1.2 火用分析

由图3 可知，当压力不变时，LNG 温度火用随温度的升高而不断大，且低温段温度火用增长率较大；当温度不变时，压力的升高将导致LNG 的温度火用降低。0.1 MPa 时，温度火用为1053.6 kJ/kg；2 MPa 时，温度火用为611.2 kJ/kg；5 MPa 时，温度火用为492.1 kJ/kg，仅为0.1 MPa 时温度火用的46.7%。故压力对LNG 的压力火用及温度火用影响较大。故模拟需选择LNG 合适压力，且根据以上数据综合分析，选定LNG 压力参数0.1 MPa。

2.2 系统模拟

利用Aspen plus 软件对工艺系统进行模拟计算，并列出关键参数。考虑到管道运输途中的能量损失等因素，选择进入系统的LNG 流量为421.2 kg/h。模拟过程中假设LNG 组分为纯CH4。设定环境温度25 ℃，LNG 流量421.2 kg/h，进口温度-162 ℃[4]，初步设定压力0.1 MPa，泵效率80%，空调冷媒出口温度为5 ℃、压力为0.1 MPa，换热器最小传热温差为1 ℃。不考虑换热器内的压力损失以及与外界的热量交换，也不考虑管道泄漏。图4 为系统流程模拟图。

图4 系统流程模拟

2.2.1 结果分析

各冻干温度对应的冷媒进出口流量与焓差如图5 所示。系统进出口质量焓差随温度的升高而增大，维持进口温度所需流量随温度的升高而减少。

图5 各制冷温度下冷媒质量流量

2.2.2 经济性分析

根据加气站工作时间，按设备每天工作16 h，每年平均工作8 个月，系统收益详情见表1，节省的电费作为设备投资的成本回收来计算，初步预计系统总投资100 万元左右，预计投资回收期四到五年。

表1 系统收益

3 结语

本文提出冷能回收装置，将LNG 加气站中LNG转化为CNG 过程中释放的冷量加以利用可以提高能量的利用效率，同时可为加气站用冷节约成本，具有可观的节能效益和经济效益。通过Aspen Plus 对LNG 冷能及火用进行了模拟分析，研究其释放规律与压力及温度的关系，分析结果如下：LNG 的冷能和冷火用均随着温度的上升而增大。LNG 的冷能和冷火用均随着压力的增大而降低。LNG 的冷能和冷火用在低温下均有较大的释放率。并做了经济性分析，预计投资回收年限小于5 年，整套设备兼具有较高的环保性和经济性。