小型LNG氣化站的冷能利用①

陳賡良

（中國(guó)石油西南油氣田公司天然氣研究院）

1 發(fā)展概況

按2012年底的統(tǒng)計(jì)，我國(guó)年進(jìn)口LNG量已經(jīng)達(dá)到約1 200×104t，氣化后可生產(chǎn)約170×108m3天然氣。同時(shí)，目前已建與在建的小型（衛(wèi)星）氣化站約有100多個(gè)，全部建成后年供氣量將達(dá)到300×108m3以上。因此，在LNG氣化過(guò)程中產(chǎn)生的大量冷能及其合理利用問(wèn)題，已經(jīng)引起廣泛重視。

LNG是天然氣經(jīng)凈化、干燥、脫汞，并分離重?zé)N后制得的溫度約－162℃的低溫液體。在其生產(chǎn)過(guò)程中，耗電量達(dá)到850kWh／t。因此，當(dāng)LNG在氣化站氣化時(shí)將釋放出大量冷能，后者是優(yōu)質(zhì)的綠色能源（見(jiàn)圖1）。當(dāng)前LNG氣化冷能的利用雖然在全球受到普遍重視，但實(shí)際上除20世紀(jì)70年代起就著手對(duì)大量進(jìn)口的LNG冷能利用進(jìn)行了綜合規(guī)劃的日本外，包括韓國(guó)在內(nèi)的大多數(shù)國(guó)家均還在大力發(fā)展之中，且開(kāi)發(fā)的利用技術(shù)多數(shù)是針對(duì)大型氣化站的。

從國(guó)外的發(fā)展情況看，LNG氣化時(shí)的冷能利用分為直接利用和間接利用兩個(gè)途徑。前者主要是冷能發(fā)電、空氣分離、冷凍倉(cāng)庫(kù)、干冰生產(chǎn)（與液體CO2生產(chǎn)同時(shí)）和輕烴回收等；后者主要指利用空分裝置生產(chǎn)的液氮或液氧進(jìn)行低溫粉碎、低溫干燥、冷凍食品、低溫蓄冷和污水處理等（見(jiàn)表1）。

從冷量有效能角度分析，冷能發(fā)電是最適合大規(guī)模利用的項(xiàng)目，但其冷能回收效率并不高。空氣分離是最合理、最充分利用LNG低溫位冷能的項(xiàng)目，但其建設(shè)受到（間接利用其產(chǎn)品的）下游產(chǎn)業(yè)鏈配套建設(shè)的制約。冷凍冷庫(kù)項(xiàng)目是節(jié)能效果顯著的利用項(xiàng)目，同時(shí)也比較適合小型氣化站應(yīng)用。按20世紀(jì)90年代中期的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，日本Negishi終端氣化95×104t LNG所產(chǎn)生的冷能中，用于發(fā)電的占56.3%，用于空分的占36.3%，其余7.4%用于冷凍倉(cāng)庫(kù)［1］。

表1 冷能利用的主要途徑Table 1 Main ways of cold energy utilization

就國(guó)內(nèi)發(fā)展情況而言，目前由中國(guó)石油、中國(guó)石化和海洋石油承建的10多個(gè)大型LNG接受站，均已對(duì)其產(chǎn)生的大量冷能因地制宜地作出了較為詳細(xì)而合理的安排（見(jiàn)表2），有些項(xiàng)目現(xiàn)已投入運(yùn)行，并取得了良好的效益［2］。如作為廣東大鵬氣化站配套項(xiàng)目的惠州LNG發(fā)電廠，采用燃?xì)猓羝?lián)合機(jī)組，裝機(jī)容量為390MW，已于2009年順利投入運(yùn)行。福建蒲田氣化站的配套項(xiàng)目LNG空分廠也已于2010年投入運(yùn)行。該廠投資3.1億元，日產(chǎn)液氧和液氮各300t，液氬10t，產(chǎn)值達(dá)到50萬(wàn)元／日，且自動(dòng)化程度頗高，全廠日常管理僅需8個(gè)員工。

表2 我國(guó)大型LNG接受站的冷能利用Table 2 Cold energy utilization of Large LNG receiving stations in China

理論上建設(shè)氣化站的冷能利用項(xiàng)目是經(jīng)濟(jì)而有效的，但由于存在以下問(wèn)題，實(shí)際上實(shí)施起來(lái)有相當(dāng)困難，小型氣化站則因受規(guī)模制約尤其如此。

（1）LNG氣化產(chǎn)生的冷量不僅有數(shù)量問(wèn)題，更重要的是必須考慮其質(zhì)量（品位或溫位），而后者又與氣化后天然氣的壓力及溫度密切有關(guān)；

（2）從表1的數(shù)據(jù)可以看出，氣化站產(chǎn)生冷能的潛在用戶繁多，理論上以“梯級(jí)利用”方式安排下游市場(chǎng)最合理，但實(shí)施較困難；

（3）為了有效利用冷能，氣化站的規(guī)劃、建設(shè)需因地制宜與下游產(chǎn)業(yè)鏈匹配和同步，但小型氣化站受地理位置、生產(chǎn)規(guī)模的制約，很難實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)；

（4）冷能發(fā)電是唯一下游產(chǎn)業(yè)鏈較短的項(xiàng)目，但不適合小型氣化站應(yīng)用；同時(shí)，小型站的冷能產(chǎn)量較低且不能固定，不便規(guī)劃和建設(shè)冷能利用項(xiàng)目。

2 梯級(jí)利用

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，LNG氣化過(guò)程中將釋放出830～860kJ／kg的冷能，其中約508kJ／kg為氣化潛熱，322～352kJ／kg為顯熱［3］；但這些皆為常壓數(shù)據(jù)。對(duì)氣化站而言，在不同壓力氣化時(shí)所釋放的有效冷能相差甚大。如圖2所示，在氣化曲線與橫軸（冷能）之間的面積即為氣化過(guò)程中釋放的有效冷能。圖2數(shù)據(jù)表明，在0.1MPa下氣化時(shí)釋放的有效冷能比10MPa下氣化時(shí)（理論上可能）高出1倍左右。大型氣化站需考慮相當(dāng)長(zhǎng)的輸氣矩離，往往采用較高的氣化壓力（通常約為4MPa），此時(shí)將有相當(dāng)一部分冷量有效能轉(zhuǎn)化為壓力與溫度較高的壓力有效能。小型氣化站的氣化壓力一般約為0.6 MPa，故有利于有效冷能的利用。

計(jì)算表明，如果純甲烷在0.1MPa下氣化時(shí)釋放的總冷能為837kJ／kg，在7.9MPa下氣化時(shí)釋放的總冷能將下降至678kJ／kg，下降幅度達(dá)到19%。同時(shí)，氣化壓力愈高則釋放的總冷能量下降愈多，且其冷能的品位也下降得愈厲害。

在低溫工程中，為制得不同品位的冷能所消耗的機(jī)械能或電能也大不相同；制取溫位愈低（即品位愈高）的冷能時(shí)消耗的功也愈多；且常用卡諾因子（Carnot factor，C）來(lái)衡量裝置的制冷效率。圖3數(shù)據(jù)表明，假定以環(huán)境溫度300K為基準(zhǔn)，在100～200K的低溫范圍內(nèi)卡諾因子（C）值急劇下降，從約2.5降至0.5左右。因而在100K下生產(chǎn)1MJ冷量所需的卡諾功約比在200K下高4倍左右［4］；因此，生產(chǎn)1tLNG所消耗的約850kW·h電能中，不可逆損失的能量達(dá)到約730kW·h，LNG中潛在的有效冷能僅約120kW·h。由此可見(jiàn)，與熱能工程相反，低溫工程中制冷效率隨著卡諾因子的增大而下降，且制冷溫度愈低則效率下降愈多。

綜上所述，為了合理地綜合利用寶貴的高品位（低溫位）冷能，應(yīng)盡可能將不同品位的冷能分別做到溫度對(duì)口的梯級(jí)利用（見(jiàn)圖4）。目前我國(guó)的大型氣化站除采用冷能發(fā)電的利用形式外，大多考慮空氣分離→干冰生產(chǎn)→冷凍倉(cāng)庫(kù)的梯級(jí)利用模式，但此模式對(duì)地理分布非常分散，且對(duì)下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展不很配套的小型氣化站并不合適。

3 冷凍倉(cāng)庫(kù)

小型氣化站的供氣量大多在10×104m3／d以下，且冷能產(chǎn)量隨供氣量的變化較頻繁；但其產(chǎn)生的冷能品位較高，適合于建設(shè)冷凍冷庫(kù)。例如，1976年即已投產(chǎn)的日本神奈川縣根岸LNG終端的金槍魚超低溫冷庫(kù)，30多年來(lái)一直運(yùn)行良好，為L(zhǎng)NG冷能應(yīng)用于冷凍倉(cāng)庫(kù)建設(shè)提供了優(yōu)秀范例。

港華燃?xì)夤舅ǖ膹V東佛山杏壇LNG氣化站是為順德地區(qū)的燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)提供氣源。站內(nèi)建有100m3LNG儲(chǔ)罐6個(gè)，其中4個(gè)工作壓力為0.6 MPa，2個(gè)為0.8MPa。站內(nèi)設(shè)有空溫氣化器8臺(tái)，每臺(tái)氣化能力為2 000m3／h，氣源來(lái)自深圳大鵬公司提供的LNG。為經(jīng)濟(jì)有效地利用LNG氣化時(shí)產(chǎn)生的冷能，在毗鄰杏壇氣化站處于2010年投產(chǎn)了1座冷凍倉(cāng)庫(kù)。此項(xiàng)目為國(guó)內(nèi)首個(gè)小型氣化站LNG冷能利用示范性項(xiàng)目，總投資約129萬(wàn)元，年平均銷售收入可達(dá)85萬(wàn)元，稅后內(nèi)部收益率達(dá)31.7%，靜態(tài)投資回收期4.1年（含建設(shè)期）［5］。

杏壇冷庫(kù)主營(yíng)水產(chǎn)品的加工及儲(chǔ)存，一期工程庫(kù)容總量為3 000t，包括－30℃冷凍庫(kù)和－15℃冷藏庫(kù)2個(gè)部分，是與目前氣化站5×104m3／d的氣化量相配套的；隨著氣化量提高至設(shè)計(jì)處理量（15×104m3／d），二期工程將擴(kuò)容至約9 000t。

如圖5所示，杏壇冷庫(kù)制冷系統(tǒng)主要包括3個(gè)部分：LNG氣化系統(tǒng)、低壓氨制冷循環(huán)系統(tǒng)和電動(dòng)壓縮氨制冷系統(tǒng)。其工藝特點(diǎn)是當(dāng)LNG氣化系統(tǒng)處理量下降而冷能供應(yīng)不足時(shí)，可以啟動(dòng)電動(dòng)壓縮氨制冷系統(tǒng)來(lái)補(bǔ)充。通過(guò)進(jìn)入換熱器氨氣壓力調(diào)節(jié)進(jìn)入其中的LNG流量；并通過(guò)冷庫(kù)溫度調(diào)節(jié)進(jìn)入其中的液氨量。

該冷庫(kù)的具體工藝流程為：來(lái)自儲(chǔ)罐的LNG分為2股，一股LNG進(jìn)入空溫氣化器（1）氣化為常溫的天然氣，經(jīng)調(diào)節(jié)閥調(diào)壓至約0.3MPa后進(jìn)入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)。另一股LNG將來(lái)自冷庫(kù)的氣態(tài)氨冷凝后，經(jīng)輔助空溫氣化器（2）氣化并升溫至常溫，再與原氣化系統(tǒng)中的天然氣混合，最終也進(jìn)入城市燃?xì)夤芫W(wǎng)。冷凝的液氨降壓至0.3～0.5MPa，依次通過(guò)計(jì)量設(shè)備和調(diào)節(jié)閥，降壓至約0.15MPa后進(jìn)入冷庫(kù)制冷，完成氨制冷循環(huán)。

小型氣化站可以提供較高品位的冷能，因而冷庫(kù)建設(shè)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)鼐唧w環(huán)境選擇農(nóng)副產(chǎn)品或水產(chǎn)品加工的冷凍要求（見(jiàn)表3）。通常建設(shè)項(xiàng)目可以選擇超低溫冷庫(kù)（－60℃左右）、低溫冷庫(kù)（－35℃左右）、中溫冷庫(kù)（－18～0℃）和高溫冷庫(kù)（0～10℃），從而可以通過(guò)選擇不同的載冷劑，組成不同溫度的低溫制冷循環(huán)，使LNG的冷能利用效率大大提高。

表3 冷庫(kù)設(shè)計(jì)溫度與相對(duì)濕度（GB50072－2001）［6］Table 3 Designed temperature and relative moisture of cold storage

4 汽車空調(diào)

LNG以液態(tài)儲(chǔ)存方式替代壓縮天然氣（CNG）的壓縮儲(chǔ)存方式作為汽車燃料，當(dāng)前已經(jīng)成為極具發(fā)展?jié)摿Φ膬?yōu)質(zhì)環(huán)保型燃料。為了最大程度地回收LNG氣化過(guò)程中產(chǎn)生的冷能，并滿足汽車空調(diào)的使用要求，可使用中間冷載體（如乙二醇）進(jìn)行多級(jí)換熱以減小一次換熱的傳熱溫差；并用蓄冷系統(tǒng)以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)汽車空調(diào)系統(tǒng)的供冷要求。此類應(yīng)用目前雖尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，但國(guó)內(nèi)外此方面的研究正方興未艾，值得重視。LNG冷量回收汽車空調(diào)系統(tǒng)的基本原理如圖6所示［7］。

LNG冷能應(yīng)用汽車空調(diào)系統(tǒng)主要包括以下4個(gè)部分：

（1）供氣系統(tǒng)：通過(guò)加熱使LNG氣化并繼續(xù)加熱使之溫度升高，然后經(jīng)減壓、過(guò)濾，并與空氣混合后進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒。為保證LNG在較低的環(huán)境溫度下氣化，可采用汽車尾氣或發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水作為加熱熱源。

（2）回?zé)嵯到y(tǒng)：主要由氣液換熱器組成。可采用LNG儲(chǔ)罐內(nèi)置浸沒(méi)盤管式換熱器，盤管內(nèi)流動(dòng)溫度較高的天然氣，將儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG氣化。

（3）蓄冷系統(tǒng)：該系統(tǒng)是以載冷劑完成與低溫天然氣的冷量交換，同時(shí)完成冷量的蓄存和傳遞。

（4）供冷系統(tǒng)：將蓄冷后的冷載體中所攜帶的冷能傳遞給需要降溫的空氣。溫度較高的回風(fēng)與系統(tǒng)外新風(fēng)混合后，通過(guò)軸流風(fēng)扇強(qiáng)制掠過(guò)空冷器的翅片管，與管內(nèi)載冷劑換熱，降溫后送回車廂。

上述4個(gè)部分的溫度分布如圖7所示。

利用與汽車空調(diào)類似的原理，LNG的氣化冷能也可以回收來(lái)應(yīng)用于低溫冷藏車，如圖8所示。西安交大對(duì)此新型制冷系統(tǒng)的研究結(jié)果表明，以LNG為燃料并利用其氣化冷能的低溫冷藏車在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩方面均為可行［8］。

5 結(jié)論與建議

（1）LNG氣化冷能利用雖然在全球受到普遍重視，但實(shí)際上除20世紀(jì)70年代起就著手對(duì)大量進(jìn)口的LNG冷能利用進(jìn)行了綜合規(guī)劃的日本外，包括韓國(guó)在內(nèi)的大多數(shù)國(guó)家均還在發(fā)展之中，開(kāi)發(fā)的利用技術(shù)多數(shù)針對(duì)大型LNG接受站。

（2）中國(guó)石油、中國(guó)石化和海洋石油建設(shè)的10多個(gè)大型LNG接受站，均已對(duì)其產(chǎn)生的大量冷能因地制宜地作出了較為詳細(xì)而合理的安排，有些項(xiàng)目現(xiàn)已投入運(yùn)行，并取得了良好的效益。但小型氣化站絕大多數(shù)均未考慮冷能回收利用。

（3）小型氣化站可以提供的冷能雖少，但冷能的品位較高，將其應(yīng)用于建設(shè)冷凍倉(cāng)庫(kù)是頗為經(jīng)濟(jì)有效的利用途徑；廣東佛山杏壇冷庫(kù)為國(guó)內(nèi)首個(gè)小型氣化站LNG冷能利用示范性項(xiàng)目，其成功經(jīng)驗(yàn)值得重視。

（4）LNG冷能應(yīng)用汽車空調(diào)系統(tǒng)及低溫冷藏車可以最大程度地回收LNG氣化過(guò)程中產(chǎn)生的冷能，并減少汽車的尾氣排放；此類應(yīng)用目前雖尚未實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，但國(guó)內(nèi)外此方面的研究正方興未艾，值得重視。

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