LNG冷能利用技術(shù)進(jìn)展研究

張銳悅，何光琳，徐宏超，高利波，王 晗

（1. 中國石化勝利油田有限公司河口采油廠，山東 東營 257200； 2. 中石化天然氣運(yùn)輸分公司，山東 濟(jì)南 250101；3. 中國石油大學(xué)（北京），北京 102249； 4. 中國石油長慶油田分公司采油三廠，寧夏 銀川 750002）

石油化工

LNG冷能利用技術(shù)進(jìn)展研究

張銳悅1，何光琳2，徐宏超3，高利波3，王 晗4

（1. 中國石化勝利油田有限公司河口采油廠，山東 東營 257200； 2. 中石化天然氣運(yùn)輸分公司，山東 濟(jì)南 250101；3. 中國石油大學(xué)（北京），北京 102249； 4. 中國石油長慶油田分公司采油三廠，寧夏 銀川 750002）

LNG以其所占空間小、運(yùn)輸靈活、熱值大、性能高在近幾年發(fā)展迅速，特別在我國沿海城市多個(gè)LNG接收站已經(jīng)或計(jì)劃建造。LNG的氣液臨界溫度為-162 ℃，低溫特性決定了其具有高品質(zhì)冷能的利用價(jià)值，通過對(duì) LNG冷能利用原理的闡述，并比較在空氣分離、低溫發(fā)電、冷凍倉庫、橡膠粉碎等方向的冷能利用方式，指出了我國在LNG冷能利用上所具有的巨大潛力和廣闊前景。

LNG；冷能利用；空氣分離；低溫發(fā)電；橡膠粉碎

LNG（液化天然氣）作為21世紀(jì)主要的能源之一，在其氣化過程中會(huì)釋放出大量的冷能，有效的回收利用這些能量對(duì)能源的充分利用和緩解能源緊張局面有突出重要的意義。

1 LNG冷能利用原理

圖1 中國2015年LNG冷能利用的市場規(guī)模Fig. 1 The market size of China 's LNG cold energy utilization in 2015

LNG冷能的利用主要是依靠高壓低溫的 LNG在汽化過程中與周圍環(huán)境之間存在的溫度和壓力差回收儲(chǔ)存在LNG中的能量[1]。而經(jīng)過調(diào)查通常生產(chǎn)每噸LNG的動(dòng)力及公用設(shè)施耗電量達(dá)到850 kW?h，在 LNG運(yùn)送到目的地后又需將其通過汽化器氣化后送入天然氣管網(wǎng)，由熱力學(xué)定律每噸LNG氣化所釋放的總能量約為 830 kW，若以此冷能來進(jìn)行發(fā)電，假設(shè)效率達(dá)到100%，每噸LNG可利用冷能折合電量約為231 kW?h，經(jīng)預(yù)測中國2015年的LNG進(jìn)口量，其可利用能量折合成的電量如圖1所示。

LNG的冷能從利用形式來分主要為直接利用和間接利用，而直接利用主要包括空氣分離、低溫發(fā)電、冷凍倉庫、二氧化碳的液化及干冰的制造等，間接利用形式主要為污水處理、冷凍干燥、粉碎回收橡膠等，下面具體針對(duì)幾種主要的利用形式進(jìn)行介紹。

1.1 空氣分離流程

梁廣川等[2]通過軟件模擬從定量的角度對(duì)比了運(yùn)用LNG氣化制冷原理于空氣分離與傳統(tǒng)空氣分離流程的能量比較，其具體改進(jìn)流程圖如圖2所示。

模擬的結(jié)果表明，此流程生產(chǎn)單位液態(tài)產(chǎn)量的能耗為0.3 kW?h/kg，相比傳統(tǒng)能耗降低了約7成，具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。且由此流程可看出將LNG冷能用于空氣分離流程利于提高空分流程的液化率，能縮短裝置啟動(dòng)時(shí)間，簡化了空分流程，省去了傳統(tǒng)空分流程中的佛里昂制冷機(jī)和組合膨脹機(jī)，但通過此種方法的安全性尚未得到很好驗(yàn)證，氣化后的天然氣為易燃易爆物品，對(duì)流程的操作規(guī)程要求更加嚴(yán)格，氣化后的天然氣的去路應(yīng)提前規(guī)劃好，完善流程的完整性。

圖2 利用LNG冷能的空氣分離流程Fig. 2 The process of using LNG cold energy to air separation

1.2 發(fā)電技術(shù)

利用LNG冷能用于發(fā)電系統(tǒng)，可充分利用電能應(yīng)用方便、用途廣泛的優(yōu)勢(shì)，具有產(chǎn)業(yè)鏈短，受外界因素影響小的優(yōu)勢(shì)，是一種較為高效的能源利用方式。陳暉等[3]對(duì)LNG冷能發(fā)電技術(shù)研究進(jìn)行了詳盡的描述，介紹了4種常用的發(fā)電方案，即LNG冷能改善現(xiàn)有動(dòng)力循環(huán)、LNG 直接膨脹法、低溫朗肯循環(huán)、低溫布雷頓循環(huán)，并分別介紹了各自的使用范圍和優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的發(fā)電循環(huán)的多級(jí)循環(huán)，以提高能量的整體轉(zhuǎn)化效率（圖3）。王歡[4]對(duì)冷能發(fā)電基于熱力學(xué)定律采用差分算法仿真測算出在聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)中的臨近溫度、壓力等邊界條件。在LNG冷能用于發(fā)電流程中，需要考慮的優(yōu)化工藝參數(shù)較多，要想取得較高的能量轉(zhuǎn)化效率，不僅要對(duì)循環(huán)參數(shù)、循環(huán)系統(tǒng)、循環(huán)工藝進(jìn)行優(yōu)選，還要考慮市場、地理位置、環(huán)境因素等影響，因此LNG冷能發(fā)電還有很大的發(fā)展空間和潛力。

圖3 多級(jí)復(fù)合循環(huán)發(fā)電流程Fig. 3 The process of multi-level combined cycle power generation

1.3 冷庫制冷

通過 LNG冷能氣化使吸收熱量使周圍介質(zhì)冷卻的原理來進(jìn)行冷庫和冷水的制冷是 LNG冷能利用的重要部分，其利用方式多樣、應(yīng)用廣泛，有較好的推廣價(jià)值。楊春等[5]提出了一種LNG冷能用于冷庫和冷水的撬裝化裝置，此裝置包括LNG氣化系統(tǒng)、冷媒循環(huán)系統(tǒng)和冷水生產(chǎn)系統(tǒng)三個(gè)系統(tǒng)，通過LNG氣化將冷能傳給冷媒，再通過冷媒傳遞給冷庫或冷水來達(dá)到制冷效果。此裝置較為合理的利用了能量的守恒原則，通過理論計(jì)算和模擬得出能量利用比例，以操作簡單等優(yōu)勢(shì)優(yōu)化了冷庫冷能利用形式，但其可用能的利用率偏低，有較大發(fā)展空間。

1. 4 粉碎廢舊橡膠

中國作為世界上最大的橡膠消費(fèi)國和最大廢舊橡膠生產(chǎn)國之一，每年報(bào)廢的廢舊橡膠數(shù)量巨大，從而粉碎廢舊橡膠工作量也非常龐大。采用LNG冷能對(duì)廢舊橡膠進(jìn)行粉碎對(duì)比傳統(tǒng)的常溫直接切割粉碎和低溫深冷粉碎有較大優(yōu)勢(shì)，不僅節(jié)能降耗[6]，還能有效的簡化流程，具有較為廣闊的市場前景（圖4）。通過LNG氣化站和衛(wèi)星站分布廣泛的特點(diǎn)，利用冷能建設(shè)廢舊橡膠低溫深冷粉碎裝置，就地粉碎當(dāng)?shù)貜U舊輪胎，節(jié)約輪胎的運(yùn)輸成本，降低精細(xì)膠粉的生產(chǎn)成本，對(duì)建設(shè)節(jié)約型社會(huì)也會(huì)做出突出貢獻(xiàn)。

圖4 利用LNG冷能粉碎廢舊橡膠工藝流程Fig.4 The process of LNG cold energy utilization of waste rubber grinding

2 LNG冷能利用前景

目前，全球大型LNG接收站不斷興起，LNG進(jìn)入高速發(fā)展階段，這為LNG冷能利用提供了契機(jī)。日本作為全球LNG接收最大國家，其冷能利用也是廣泛而有效的，主要方式有低溫發(fā)電、空氣分離、液態(tài)二氧化碳及干冰的制造和低溫冷庫等，其中最主要的是低溫發(fā)電，高達(dá)70%作用。我國LNG進(jìn)口量也在迅猛增長，但國內(nèi)的LNG冷能利用技術(shù)尚不成熟[7]，在廣東深圳大鵬灣LNG冷能用于空氣分離、建設(shè)人造滑雪場和海水淡化/制冰等的項(xiàng)目還在籌劃中，已經(jīng)進(jìn)行的莆田 LNG 冷能利用項(xiàng)目集成了空氣分離、深冷粉碎、輕烴分離、制取干冰、低溫冷庫、淡化海水和低溫發(fā)電等七個(gè)項(xiàng)目，上海和浙江的相關(guān)項(xiàng)目還在籌劃，總體利用程度不高，在未來幾十年中發(fā)展LNG冷能利用技術(shù)對(duì)我國能源高程度利用有較大意義。

3 結(jié)束語

上述內(nèi)容對(duì)LNG冷能利用方式的闡述，介紹了LNG冷能在空分、制冷、發(fā)電及粉碎等工業(yè)行業(yè)的應(yīng)用技術(shù)，并針對(duì)目前國內(nèi)數(shù)家大型LNG處理廠的各自特點(diǎn)對(duì)其冷能利用方式進(jìn)行了簡單概述，得出LNG冷能利用在我國的廣大發(fā)展空間。我國開展LNG冷能利用技術(shù)起于上個(gè)世紀(jì)九十年代，目前各高校、研究所正在進(jìn)行深入研究與工程實(shí)踐結(jié)合階段，加速冷能利用技術(shù)的研究將有力的推動(dòng)我國LNG冷能利用的廣泛應(yīng)用。

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Research Progress in LNG Cold Energy Utilization Technology

ZHANG Rui-yue1，HE Guang-lin2，XU Hong-chao3，GAO Li-bo3，WANG Han4
(1. Sinopec Shengli Oilfield Co.Ltd. Hekou Oil Production Plant, Shandong Dongying 257200, China; 2. Sinopec Nature Gas Transport Branch, Shandong Jinan 250101,China; 3. China University of Petroleum, Beijing 102249，China; 4. Changqing Oilfield Oil Company No.3 Oil Production Plant, Ningxia Yinchuan 750002，China）

LNG has obtained rapid development in recent years because of its small occupied space, flexible transportation, high calorific value and high performance. Especially multiple LNG terminals have been built or planned in China's coastal cities. LNG gas-liquid critical temperature is -162 ℃. Low-temperature characteristics determine its use value of high-quality cold energy. In this paper, LNG cold energy utilization principle was explained, and utilization patterns of the cold energy were compared, such as air separation, cryogenic power generation, refrigeration warehouses, rubber grinding and so on. At last, enormous potential of LNG cold energy utilization in our country was pointed out.

LNG; cold energy utilization; air separation; cryogenic power generation; rubber grinding

TE 624

A

1671-0460（2014）11-2262-03

2014-4-07

張銳悅（1994-），女，2014年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)主要從事油田生產(chǎn)技術(shù)工作，275895314@qq.com。