一种包含能量梯级利用模式和蓄冷模式的LNG冷能冷库系统

一种包含能量梯级利用模式和蓄冷模式的lng冷能冷库系统
技术领域
1.本发明属于液化天然气冷能利用和冷库系统领域，具体涉及一种包含能量梯级利用模式和蓄冷模式的lng冷能冷库系统。


背景技术：

2.液化天然气(liquefied natural gas，简称lng)在-162℃下运输、储存，使用前需将低温lng气化为常温天然气(ng)，气化过程释放约830kj/kg冷量。现阶段，我国大型lng接收站无一例外采用开架式海水气化器(open rack vaporizer，orv)利用海水作为热源气化lng，在lng气化过程中释放大量冷能对周边海洋生态环境带来的危害已引起社会关注。同时，天然气作为达成我国“碳达峰、碳中和”双碳目标的中继能源，在未来的数十年内具有难以替代的地位。我国天然气需求保持增长势头，目前国内自产气和进口管道气供应无法满足下游需求，只能大幅增加lng现货进口。2021年我国lng进口量约为7893万t，按50％lng冷能回收利用计算，2021年我国lng冷能可利用量约80亿kwh。如将lng冷能有效回收并应用到相关工业领域，能够达到节能环保的效果，同时可以取得良好的经济效益和社会效益。
3.冷库其主要用作对食品、乳制品、肉类、水产、禽类、果蔬、饮料、花卉、绿植、茶叶、药品、化工原料、电子仪表仪器、烟草、酒精饮料等半成品及成品的恒温恒湿贮藏。按冷藏设计温度，冷库可分为：保鲜库，设计温度为5～-2℃；中温冷库：设计温度为5～-5℃；低温冷库：设计温度为-18～-25℃；超低温冷库(深冷库)：设计温度为-45～-60℃。
4.冷库属于制冷设备的一种，其与冰箱相比较制冷面积要大很多，但他们有相通的制冷原理，最常用的制冷方式是压缩制冷，主要由压缩机、冷凝器、节流阀和蒸发管等组成。按照蒸发管装置的方式又可分直接冷却和间接冷却两种。直接冷却将蒸发管安装在冷藏库房内，液态冷却剂经过蒸发管时，直接吸收库房内的热量而降温。间接冷却是由鼓风机将库房内的空气抽吸进空气冷却装置，空气被盘旋于冷却装置内的蒸发管吸热后，再送入库内而降温。空气冷却方式的优点是冷却迅速，库内温度较均匀，同时能将贮藏过程中产生的二氧化碳等有害气体带出库外。而由于不同产品所需的冷库温度不同，冷库在建造时往往设计为多温冷库，以满足不同产品的制冷需求。
5.根据文献记载，冷库作为耗电大户，电费用占到了整个冷库运行费用的50％以上。lng接收站一般围绕沿海建设，周边水产、肉类冷库及进口周转冷库需求巨大，将lng冷能利用与冷库结合起来可以降低冷能运行费用，同时可以起到节能低碳作用。中国发明专利(申请号201410142746.6)提出了利用液化天然气冷能作为冷源的冷库制冷系统，它包括液化天然气气化系统、乙二醇循环系统、冷水循环系统、制冷系统和辅助制冷系统等单元。该系统存在如下缺陷：(1)系统复杂；(2)冷能利用效率不高；(3)增加了一套辅助电制冷系统，使得设备投资较大。中国发明专利(申请号201510644177.x)给出了一种基于lng冷能的冷库系统，该发明考虑到lng冷能中断的可能性，提出了三种运行模式，第一种只使用lng冷能模式，第二种是使用lng冷能和氨制冷模式，第三种是使用co2制冷和氨制冷模式。中国发明专利(申请号201811395686.3)给出了一种多温冷库系统，该系统利用冷媒相变原理制冷，同
时引入冰蓄冷单元，提高了冷库可靠性，降低了压缩蒸气的电力消耗。该系统选用r32和液氨做冷媒，其中液氨安全性相对较差，10吨液氨即构成重大危险源。因此，急需研发一种系统简单、易于实现工业化应用且安全环保的冷库系统。


技术实现要素：

6.本发明提供一种包含能量梯级利用模式和蓄冷模式的lng冷能冷库系统。
7.本发明的实现过程如下：
8.一种包含能量梯级利用模式和蓄冷模式的lng冷能冷库系统，包括lng系统、深度冷冻室换热系统、冷冻室换热系统和冷藏室换热系统，所述lng系统与深度冷冻室换热系统连接，深度冷冻室换热系统与冷冻室换热系统连接，冷冻室换热系统与冷藏室换热系统连接。
9.在使用过程中，本发明所述包含能量梯级利用模式和蓄冷模式的lng冷能冷库系统配置一套dcs控制系统，根据冷库系统冷量需求，实现对lng系统、蓄冷系统、冷库换热系统自动控制。
10.进一步，所述lng系统包括lng储罐和lng泵，所述lng储罐与lng泵连接。
11.进一步，所述深度冷冻室换热系统包括
①
号lng-乙二醇水溶液换热器、
①
号乙二醇水溶液储罐、
①
号乙二醇水溶液循环泵和深度冷冻室风机盘管；所述lng泵与
①
号lng-乙二醇水溶液换热器连接，管路中lng经过lng泵加压后，进入
①
号lng-乙二醇水溶液换热器与深度冷冻室换热系统的管路中乙二醇水溶液进行换热，
①
号lng-乙二醇水溶液换热器与
①
号乙二醇水溶液储罐连接，
①
号乙二醇水溶液储罐与
①
号乙二醇水溶液循环泵连接，
①
号乙二醇水溶液循环泵与深度冷冻室风机盘管连接，深度冷冻室风机盘管与
①
号lng-乙二醇水溶液换热器连接，形成深度冷冻室换热系统中乙二醇水溶液循环。
12.进一步，所述冷冻室换热系统包括
②
号lng-乙二醇水溶液换热器、
②
号乙二醇水溶液储罐、
②
号乙二醇水溶液循环泵和冷冻室风机盘管；经换热后从深度冷冻室换热系统出来的lng通过管路与
②
号lng-乙二醇水溶液换热器连接，管路中lng进入
②
号lng-乙二醇水溶液换热器(h202)与冷冻室换热系统的管路中乙二醇水溶液进行换热，
②
号lng-乙二醇水溶液换热器与
②
号乙二醇水溶液储罐连接，
②
号乙二醇水溶液储罐与
②
号乙二醇水溶液循环泵连接，
②
号乙二醇水溶液循环泵与冷冻室风机盘管(2)连接，冷冻室风机盘管(2)与
②
号lng-乙二醇水溶液换热器连接，形成冷冻室换热系统中乙二醇水溶液循环。
13.进一步，所述冷藏室换热系统包括
③
号lng-乙二醇水溶液换热器、
③
号乙二醇水溶液储罐、
③
号乙二醇水溶液循环泵和冷藏室风机盘管；经换热后从冷冻室换热系统出来的lng通过管路与
③
号lng-乙二醇水溶液换热器连接，管路中lng进入
③
号lng-乙二醇水溶液换热器与冷藏室换热系统的管路中乙二醇水溶液进行换热，
③
号lng-乙二醇水溶液换热器与
③
号乙二醇水溶液储罐连接，
③
号乙二醇水溶液储罐与
③
号乙二醇水溶液循环泵连接，
③
号乙二醇水溶液循环泵与冷藏室风机盘管连接，冷藏室风机盘管与
③
号lng-乙二醇水溶液换热器连接，形成冷藏室换热系统中乙二醇水溶液循环；lng经梯级利用换热回收冷量后气化为ng，通过管路输送到用户。
14.进一步，所述乙二醇水溶液的体积分数为70％。
15.进一步，lng储罐内设置有lng储罐液位计；
①
号乙二醇水溶液储罐内设置有
①
号
乙二醇水溶液储罐液位计；
②
号乙二醇水溶液储罐内设置有
②
号乙二醇水溶液储罐液位计；
③
号乙二醇水溶液储罐内设置有
③
号乙二醇水溶液储罐液位计；液位数据接入dcs控制系统，实现对液位自动控制。
16.进一步，所述
①
号乙二醇水溶液储罐内设置有
①
号乙二醇水溶液储罐温度计；
②
号乙二醇水溶液储罐内设置有
②
号乙二醇水溶液储罐温度计；
③
号乙二醇水溶液储罐内设置有
③
号乙二醇水溶液储罐温度计；温度数据接入dcs控制系统，实现对温度自动控制。
17.进一步，所述深度冷冻室风机盘管、冷冻室风机盘管和冷藏室风机盘管均设置有旁路。
18.本发明的工作原理：本发明的冷库系统利用lng气化冷能做冷源，利用乙二醇水溶液做冷媒，通过静态热传递原理将冷量传递给冷库，代替常规电压缩系统，起到节能低碳的效果。且根据冷库分级，本发明的冷库系统将换热系统分为三段，分别满足冷库系统的深度冷冻室、冷冻室和冷藏室的需要，实现了lng冷能梯级利用。同时本发明的冷库系统还包含乙二醇水溶液蓄冷系统，可以满足lng短期中断时lng冷库连续工作。其中，蓄冷系统主要作用是将lng冷量吸收储存，满足冷库正常工作需要及lng短期供应中断时冷量需要。经泵加压后的lng依次进入冷库深度冷冻室，冷冻室和保鲜室换热系统，在换热系统的lng-乙二醇水溶液换热器中将冷量分梯度传递给乙二醇水溶液，吸收冷量的乙二醇水溶液进入储罐储存。冷库系统包含深度冷冻室冷量传递，冷冻室冷量传递和保鲜室冷量传递，其主要目的是将lng冷量或储存冷量传递到冷库，确保冷库内温度处于设定标准。冷库系统冷量传递过程如下：来自储罐的低温乙二醇水溶液经泵加压分别进入深度冷冻室、冷冻室、冷藏室风机盘管中与空气进行换热，将冷量传到冷库。换热后的乙二醇水溶液进入lng-乙二醇水溶液换热器与来自接收站的lng进行换热，吸收冷量的乙二醇水溶液进入储罐储存。
19.冷冻室冷量传递，冷冻室冷量传递和冷藏室冷量传递中乙二醇储罐容积经过计算分别满足冷冻室冷、冷冻室和保鲜室24h冷量需求并设置液位计，液位数据接入装置dcs控制系统。当乙二醇水溶液储存量下降，低于设置报警值时，控制系统报警补充液位。同时储罐内设置温度计，温度数据接入dcs控制系统，当乙二醇水溶液温度高于设定温度时，dcs控制系统通过换热旁路自动运行，使储罐内的乙二醇水溶液温度处于设定范围。以上措施确保lng中断时，储罐内乙二醇水溶液满足冷库24h冷量需求。
20.本发明的积极效果：
21.(1)本发明的冷库系统利用lng气化冷能做冷源，利用乙二醇水溶液做冷媒，通过静态热传递原理将冷量传递给冷库，代替常规电压缩系统，起到节能低碳的效果。
22.(2)本发明的冷库系统包含三级蓄冷系统，分别满足冷库深度冷冻室，冷冻室和冷藏室的需要，实现了lng冷能梯级利用，可以提高冷能利用效率。
23.(3)本发明的冷库系统包含的三级蓄冷系统满足lng正常供应时冷库的正常运行，同时还满足lng短期供应中断时冷库正常运转，解决了lng利用目前面临难题。
24.(4)本发明的冷库系统使用乙二醇水溶液做为冷媒，与常规有机化合物制冷剂或液氨制冷剂相比，确保了lng冷能利用的本质安全环保，该系统更安全环保。
25.(5)本发明的冷库系统回收了lng气化冷能用于冷库制冷，属于一种lng冷能直接利用方法，本身具有节能环保的作用。
26.(6)本发明的冷库系统所使用的换热器普通列管换热器即可满足要求，可以降低
设备投资。
附图说明
27.图1为本发明所述包含能量梯级利用模式和蓄冷模式的lng冷能冷库系统的工艺流程示意图；
28.其中，v101：lng储罐；p101：lng泵；v201：
①
号乙二醇水溶液储罐；v202：
②
号乙二醇水溶液储罐；v203：
③
号乙二醇水溶液储罐；p201：
①
号乙二醇水溶液循环泵；p202：
②
号乙二醇水溶液循环泵；p203：
③
号乙二醇水溶液循环泵；h201：
①
号lng-乙二醇水溶液换热器；h202：
②
号lng-乙二醇水溶液换热器；h203：
③
号lng-乙二醇水溶液换热器；lt101：lng储罐液位计；lt201：
①
号乙二醇水溶液储罐液位计；lt202：
②
号乙二醇水溶液储罐液位计；lt203：
③
号乙二醇水溶液储罐液位计；tt201：
①
号乙二醇水溶液储罐温度计；tt202：
②
号乙二醇水溶液储罐温度计；tt203：
③
号乙二醇水溶液储罐温度计；1：深度冷冻室风机盘管；2：冷冻室风机盘管；3：冷藏室风机盘管。
具体实施方式
29.下面通过具体实施例对本发明的方法进行说明，但本发明并不局限于此。
30.下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
31.实施例1
32.本发明所述包含能量梯级利用模式和蓄冷模式的lng冷能冷库系统，见图1，包括lng系统、深度冷冻室换热系统、冷冻室换热系统和冷藏室换热系统，所述lng系统与深度冷冻室换热系统连接，深度冷冻室换热系统与冷冻室换热系统连接，冷冻室换热系统与冷藏室换热系统连接。
33.其中，所述lng系统包括lng储罐v101和lng泵p101，所述lng储罐v101与lng泵p101连接。所述深度冷冻室换热系统包括
①
号lng-乙二醇水溶液换热器h201、
①
号乙二醇水溶液储罐v201、
①
号乙二醇水溶液循环泵p201和深度冷冻室风机盘管1；所述lng泵p101与
①
号lng-乙二醇水溶液换热器h201连接，管路中lng经过lng泵p101加压后，进入
①
号lng-乙二醇水溶液换热器h201与深度冷冻室换热系统的管路中乙二醇水溶液进行换热，
①
号lng-乙二醇水溶液换热器h201与
①
号乙二醇水溶液储罐v201连接，
①
号乙二醇水溶液储罐v201与
①
号乙二醇水溶液循环泵p201连接，
①
号乙二醇水溶液循环泵p201与深度冷冻室风机盘管1连接，深度冷冻室风机盘管1与
①
号lng-乙二醇水溶液换热器h201连接，形成深度冷冻室换热系统中乙二醇水溶液循环。所述冷冻室换热系统包括
②
号lng-乙二醇水溶液换热器h202、
②
号乙二醇水溶液储罐v202、
②
号乙二醇水溶液循环泵p202和冷冻室风机盘管2；经换热后从深度冷冻室换热系统出来的lng通过管路与
②
号lng-乙二醇水溶液换热器h202连接，管路中lng进入
②
号lng-乙二醇水溶液换热器h202与冷冻室换热系统的管路中乙二醇水溶液进行换热，
②
号lng-乙二醇水溶液换热器h202与
②
号乙二醇水溶液储罐v202连接，
②
号乙二醇水溶液储罐v202与
②
号乙二醇水溶液循环泵p202连接，
②
号乙二醇水溶液循环泵p202与冷冻室风机盘管2连接，冷冻室风机盘管2与
②
号lng-乙二醇水溶液换热器h202连接，形成冷冻室换热系统中乙二醇水溶液循环。所述冷藏室换热系统包括
③
号lng-乙二醇
水溶液换热器h203、
③
号乙二醇水溶液储罐v203、
③
号乙二醇水溶液循环泵p203和冷藏室风机盘管3；经换热后从冷冻室换热系统出来的lng通过管路与
③
号lng-乙二醇水溶液换热器h203连接，管路中lng进入
③
号lng-乙二醇水溶液换热器h203与冷藏室换热系统的管路中乙二醇水溶液进行换热，
③
号lng-乙二醇水溶液换热器h203与
③
号乙二醇水溶液储罐v203连接，
③
号乙二醇水溶液储罐v203与
③
号乙二醇水溶液循环泵p203连接，
③
号乙二醇水溶液循环泵p203与冷藏室风机盘管3连接，冷藏室风机盘管3与
③
号lng-乙二醇水溶液换热器h203连接，形成冷藏室换热系统中乙二醇水溶液循环。lng经梯级利用换热回收冷量后气化为ng，通过管路输送到用户。
34.上述乙二醇水溶液的体积分数为70％。lng储罐v101内设置有lng储罐液位计lt101；
①
号乙二醇水溶液储罐v201内设置有
①
号乙二醇水溶液储罐液位计lt201和
①
号乙二醇水溶液储罐温度计tt201监测
①
号乙二醇水溶液储罐的液位和温度；
②
号乙二醇水溶液储罐v202内设置有
②
号乙二醇水溶液储罐液位lt202和
②
号乙二醇水溶液储罐温度计tt202监测
②
号乙二醇水溶液储罐的液位和温度；
③
号乙二醇水溶液储罐v203内设置有
③
号乙二醇水溶液储罐液位lt203和
③
号乙二醇水溶液储罐温度计tt203监测
③
号乙二醇水溶液储罐的液位和温度。上述温度数据、液位数据接入dcs控制系统，实现对温度、液位自动控制。所述深度冷冻室风机盘管1、冷冻室风机盘管2和冷藏室风机盘管3均设置有旁路。当乙二醇水溶液温度高于设定温度时，dcs控制系统通过换热旁路自动运行，使储罐内的乙二醇水溶液温度处于设定范围。
35.上述包含能量梯级利用模式和蓄冷模式的lng冷能冷库系统的工作过程如下：
36.低温(-162℃)lng常压储存在lng储罐v101中，在使用前需要加压气化。lng经lng泵p101加压至工作压力(5bar)，进入
①
号lng-乙二醇水溶液换热器h201与深度冷冻室换热系统的乙二醇水溶液(70％，体积分数)换热，获得冷量后的乙二醇水溶液温度降低(-60℃)进度入
①
号乙二醇水溶液储罐v201储存。当深度冷冻室需要冷量时，
①
号乙二醇水溶液储罐v201内的低温乙二醇水溶液进入
①
号乙二醇水溶液循环泵p201加压，然后进入深度冷冻室风机盘管1与空气进行换热，将冷量传递给深度冷冻室。换热后的乙二醇水溶液温度升高(-55℃)，进入
①
号lng-乙二醇水溶液换热器h201与lng换热，完成单次循环。
①
号乙二醇水溶液储罐v201容积经过计算满足深度冷冻室24h冷量需求，同时
①
号乙二醇水溶液储罐v201内设置
①
号乙二醇水溶液储罐液位计lt201，液位数据接入dcs控制系统。当乙二醇水溶液储存量下降，低于设置报警值时装置报警补充液位。同时
①
号乙二醇水溶液储罐v201内设置
①
号乙二醇水溶液储罐温度计tt201，温度数据接入dcs控制系统。当乙二醇水溶液温度高于设定温度时(-60℃)，dcs控制系统通过深度冷冻室风机盘管的旁路自动运行，降低
①
号乙二醇水溶液储罐v201内乙二醇水溶液温度。
37.从深度冷冻室换热系统出来的lng(-80℃)进入冷冻室换热系统的
②
号lng-乙二醇水溶液换热器h202与冷冻室换热系统的乙二醇水溶液(70％，体积分数)换热，获得冷量后的乙二醇水溶液温度降低(-30℃)然后入
②
号乙二醇水溶液储罐v202储存。当冷冻室需要冷量时，
②
号乙二醇水溶液储罐v202内的低温乙二醇水溶液进入
②
号乙二醇水溶液循环泵p202加压，然后进入冷冻室风机盘管2与空气进行换热，将冷量传递给冷冻室。换热后的乙二醇水溶液温度升高(-25℃)，进入
②
号lng-乙二醇水溶液换热器h202与lng换热，完成单次循环。
②
号乙二醇水溶液储罐v202容积经过计算满足冷库冷冻室24h冷量需求，同时
②
号乙二醇水溶液储罐v202设置
②
号乙二醇水溶液储罐液位计lt202，液位数据接入dcs控制系统。当乙二醇水溶液储存量下降，低于设置报警值时装置报警补充液位。同时
②
号乙二醇水溶液储罐v202内设置
②
号乙二醇水溶液储罐温度计tt202，温度数据接入dcs控制系统。当乙二醇水溶液温度高于设定温度时(-30℃)，dcs控制系统通过冷冻室风机盘管的旁路自动运行，降低
②
号乙二醇水溶液储罐v202内乙二醇水溶液温度。
38.从冷冻室换热系统出来的lng(-30℃)进入冷藏室换热系统的
③
号lng-乙二醇水溶液换热器h203与冷藏室换热系统的乙二醇水溶液(70％，体积分数)换热，获得冷量后的乙二醇水溶液温度降低(-5℃)然后入
③
号乙二醇水溶液储罐v203储存。当冷藏室需要冷量时，
③
号乙二醇水溶液储罐v203内的低温乙二醇水溶液进入
③
号乙二醇水溶液循环泵p203加压，然后进入冷藏室风机盘管3与空气进行换热，将冷量传递给冷藏冻室。换热后的乙二醇水溶液温度升高(0℃)进入
③
号lng-乙二醇水溶液换热器h203与lng换热，完成单次循环。
③
号乙二醇水溶液储罐v203容积经过计算满足冷藏室24h冷量需求，同时
③
号乙二醇水溶液储罐v203设置
③
号乙二醇水溶液储罐现场液位计lt203，液位数据接入dcs控制系统。当乙二醇水溶液储存量下降，低于设置报警值装置报警补充液位。同时
③
号乙二醇水溶液储罐v203内设置
③
号乙二醇水溶液储罐温度计tt203，温度数据接入dcs控制系统。当乙二醇水溶液温度高于设定温度时(-5℃)，dcs控制系统通过冷藏室风机盘管换热旁路自动运行，降低
③
号乙二醇水溶液储罐v203内乙二醇水溶液温度。
39.lng经梯级利用深度冷冻冷冻室、冷冻室、冷藏室换热系统回收冷量后气化为ng，满足外输地条件，经过管道运输往用户。
40.上述冷库系统中
①
号乙二醇水溶液储罐v201、
②
号乙二醇水溶液储罐v202和
③
号乙二醇水溶液储罐v203作为本发明冷库系统的三级蓄冷系统，主要用于吸收lng冷量后的乙二醇水溶液的储存，既能满足lng正常供应时冷库的正常运行，还满足lng短期供应中断时冷库正常运转，解决了lng利用目前面临难题。
41.本发明所述包含能量梯级利用模式和蓄冷模式的lng冷能冷库系统，利用lng气化冷能做冷源，利用乙二醇水溶液做冷媒，通过静态热传递原理将冷量传递给冷库。并且根据冷库系统分级，将换热系统分为三段，分别满足冷库深度冷冻室、冷冻室和冷藏室的需要，实现了lng冷能梯级利用。同时冷库系统还包含乙二醇水溶液蓄冷系统，可以满足lng短期中断时lng冷库连续工作。
42.本发明所述包含能量梯级利用模式和蓄冷模式的lng冷能冷库系统在使用过程中，配置一套dcs控制系统，根据冷库系统冷量需求，实现对lng系统、蓄冷系统、冷库换热系统自动控制。
43.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作出的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施仅限于这些说明。对于本发明所属领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以作出若干简单推演或替换，都应该视为属于本发明的保护范围。