因地制宜積極探索LNG冷能利用合理途徑
——上海LNG接收站冷能利用方案研究

上海液化天然氣有限責(zé)任公司 嚴(yán)藝敏

因地制宜積極探索LNG冷能利用合理途徑
——上海LNG接收站冷能利用方案研究

上海液化天然氣有限責(zé)任公司 嚴(yán)藝敏

隨著我國進(jìn)口LNG快速增長，LNG冷能利用備受關(guān)注。無論從經(jīng)濟(jì)效益還是環(huán)境效益考慮，都應(yīng)因地制宜地研究LNG冷能利用。文章介紹分析了國內(nèi)外LNG冷能利用發(fā)展?fàn)顩r和特點(diǎn)、上海LNG接收站冷能利用研究概況；重點(diǎn)闡述分析了上海LNG接收站基于IFV的冷能發(fā)電方案設(shè)計的基本原理和設(shè)計條件、工藝流程和物料平衡、主要設(shè)備和平面布置、運(yùn)行模式和安全分析、以及冷能發(fā)電經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益分析等，結(jié)合上海LNG接收站冷能利用研究工作進(jìn)行了總結(jié)，并對推進(jìn)LNG冷能利用工作提出了建議。

LNG接收站 冷能發(fā)電 研究

0 前言

近十年來，我國進(jìn)口液化天然氣(LNG)快速增長，已陸續(xù)建成LNG接收站近10座，全國LNG進(jìn)口規(guī)模已近3 000萬噸/年。LNG是在約-162 ℃低溫下以液態(tài)形式存在的天然氣，其氣化過程會釋放大量冷能。理論上，LNG單位冷量約為840 kJ/kg，一座規(guī)模300萬噸/年的LNG接收站，全部釋放的平均冷能可達(dá)到約80 MW，折合約14億kW·h電量。因此，LNG蘊(yùn)涵的冷能非常大，其冷能利用一直倍受關(guān)注。

隨著越來越重視和強(qiáng)調(diào)加強(qiáng)能源資源節(jié)約和生態(tài)環(huán)境保護(hù)、以及增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展，我國政府管理部門積極推進(jìn)LNG冷能綜合利用研究，要求國內(nèi)相關(guān)LNG接收站項(xiàng)目深入研究LNG冷能利用問題，提高能源綜合利用效率。

經(jīng)過多年實(shí)踐，LNG冷能利用的若干技術(shù)已趨成熟，隨著技術(shù)發(fā)展，新的利用設(shè)想和方案也逐漸提出。國際上LNG接收站的冷能利用歷史已超過30年，同時，冷能利用還可帶動相關(guān)冷鏈產(chǎn)業(yè)和技術(shù)的發(fā)展。

總之，無論從產(chǎn)業(yè)政策還是經(jīng)濟(jì)效益、無論從環(huán)境保護(hù)還是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)等社會效益方面考慮，都應(yīng)該積極研究和推動LNG冷能利用工作。

在多年調(diào)研和研究工作基礎(chǔ)上，上海LNG接收站結(jié)合擴(kuò)建工程啟動契機(jī)，基于自身?xiàng)l件和環(huán)境因素，因地制宜進(jìn)行了LNG冷能利用的進(jìn)一步探索，結(jié)合接收站配置IFV(中間介質(zhì)氣化器)作為基本負(fù)荷氣化器的獨(dú)特條件，重點(diǎn)提出了基于IFV的低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)冷能發(fā)電方案。

1 國內(nèi)外LNG冷能利用發(fā)展現(xiàn)狀

LNG冷能溫度低，有較廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，而且屬于高品位能源。理論上有直接利用和間接利用兩種應(yīng)用方式，直接利用是LNG冷能直接生產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品或進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，主要包括空氣分離、冷能發(fā)電、低溫冷庫、干冰制造、低溫粉碎、海水淡化、低溫養(yǎng)殖和栽培等；間接利用是對直接利用LNG冷能生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行二次利用，主要包括液氮的應(yīng)用(低溫破碎、集中供冷系統(tǒng)、超導(dǎo)等)、液氬的應(yīng)用(鋼廠、焊接、照明、電子等)和液氧的應(yīng)用(臭氧污水處理、醫(yī)用、鋼廠、金屬加工等)。

就LNG接收站而言，其冷能利用主要有兩類，即在接收站自身使用冷能，如冷能發(fā)電；以及與外部工廠或冷卻系統(tǒng)集成使用冷能，如空氣分離、低溫冷庫等。

目前國內(nèi)外LNG冷能利用方式主要是空氣分離和冷能發(fā)電，也有個別冷溫冷庫、干冰制造和低溫粉碎等應(yīng)用項(xiàng)目。

日本作為世界上最大的LNG進(jìn)口國，LNG冷能利用程度也相對較高。在日本，有占其總進(jìn)口量20%左右的LNG用于冷能利用，其中除了與相鄰發(fā)電廠的配合使用，還有超過20套獨(dú)立冷能利用設(shè)施，包括空氣分離裝置、干冰制造裝置、低溫冷庫以及低溫郎肯循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電裝置等不同用途。

我國臺灣永安LNG接收站也有較充分的冷能利用示范，包括冷能發(fā)電、空氣分離、冰水系統(tǒng)以及養(yǎng)殖等，LNG冷能利用率約8%。

國內(nèi)其他已建成項(xiàng)目中，僅福建LNG接收站的日產(chǎn)能力600噸的冷能利用空分項(xiàng)目已投產(chǎn)、10萬噸/年的低溫橡膠粉碎項(xiàng)目已建成，江蘇LNG接收站冷能利用空分項(xiàng)目尚在建設(shè)中。

但總體而言，受制于冷能利用產(chǎn)品目標(biāo)市場需求及物流運(yùn)輸條件、所在區(qū)域產(chǎn)業(yè)規(guī)劃及相應(yīng)環(huán)保政策、接收站自身?xiàng)l件和安全運(yùn)行要求、以及項(xiàng)目技術(shù)經(jīng)濟(jì)性等各方面因素，幾十年來，在世界上已建成80多座LNG接收站中，冷能利用并未得到大規(guī)模實(shí)踐和推廣，應(yīng)用領(lǐng)域也并不廣泛。

2 上海LNG接收站冷能利用研究

從一期工程起，上海LNG接收站就在各方關(guān)注下一直非常重視LNG冷能利用工作，開展了大量技術(shù)研究和方案探索工作，考慮和分析了接收站自身使用以及與外部系統(tǒng)集成使用的多種冷能利用途徑可能性。

上海LNG接收站一期工程建設(shè)規(guī)模300萬噸/年，于2009年10月建成投產(chǎn)，規(guī)劃二期預(yù)留總規(guī)模達(dá)到600萬噸/年。投產(chǎn)運(yùn)營以來，進(jìn)口LNG在全市天然氣供應(yīng)調(diào)峰和安全保障中的作用和角色越來越重要，目前已啟動擴(kuò)建工程前期工作。

上海LNG接收站位于洋山國際深水港小洋山港區(qū)的能源港區(qū)，港區(qū)距上海陸域約35 km，通過東海大橋相連接。一期工程已建成接卸8~21.5萬m3LNG船舶的LNG專用碼頭和卸料設(shè)施、包括3座16.5萬m3LNG儲罐的儲存設(shè)施、以及由輸出泵、IFV(中間介質(zhì)氣化器)和SCV(浸沒燃燒氣化器)等組成的氣化輸出能力為104萬m3/h的氣化設(shè)施以及相應(yīng)輔助和配套設(shè)施。其中，鑒于接收站所處海洋環(huán)境的海水特點(diǎn)，經(jīng)過審慎的工藝比選和設(shè)備選型，上海LNG接收站從技術(shù)適用性、安全可靠性或經(jīng)濟(jì)合理性等方面排除了基荷氣化器選用ORV(開架式氣化器)和SCV，而選用了IFV這一在國內(nèi)外接收站中很少采用作為基荷氣化的中間介質(zhì)氣化器形式，IFV工藝流程示意圖見圖1。

圖1 IFV工藝流程示意

IFV是由三個管殼式換熱器(E1、E2、E3)組合而成的氣化設(shè)備。在E1(丙烷氣化器，丙烷蒸發(fā)、海水降溫)中引入環(huán)境海水在管程加熱蒸發(fā)殼程中的中間介質(zhì)(丙烷)，丙烷蒸汽上升至E2(LNG氣化器，LNG氣化、丙烷冷凝)殼程，對管程中的LNG進(jìn)行氣化。丙烷再被完全冷凝下來，進(jìn)入E1殼程，由管程中的海水加熱蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)丙烷循環(huán)；E2中已被氣化的低溫天然氣進(jìn)入E3(天然氣加熱器，天然氣加溫、海水降溫)殼程，由進(jìn)入管程的環(huán)境海水進(jìn)一步加熱，使IFV出口的氣化后天然氣溫度升至預(yù)定溫度(1℃以上)。

由于設(shè)備材料要求特殊，相比ORV或SCV，IFV設(shè)備價格更高、訂貨周期更長、而且專業(yè)制造廠家更少，目前國際上僅有一家。國際上多年前IFV技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用，主要是基于結(jié)合拓展LNG冷能利用領(lǐng)域的考慮，因此，這也為上海LNG接收站探索研究冷能利用途徑提供了一定條件和啟迪。

針對上海LNG接收站自身特點(diǎn)及洋山環(huán)境條件，冷能利用研究應(yīng)遵循基本原則如下：

(1)保障接收站正常運(yùn)行和LNG安全供應(yīng)的原則。實(shí)施冷能利用必須不影響LNG的及時氣化、調(diào)峰供氣和安全運(yùn)行；

(2)服從深水港區(qū)域產(chǎn)業(yè)定位和規(guī)劃布局原則。選擇冷能利用領(lǐng)域和項(xiàng)目必須與之銜接和匹配；

(3)冷能回收規(guī)模與綜合利用目標(biāo)市場相結(jié)合的原則。以用定收，兩者規(guī)模相適應(yīng)，具體冷能利用項(xiàng)目必須有目標(biāo)市場競爭力和項(xiàng)目技術(shù)經(jīng)濟(jì)性；

(4)接收站自身利用冷能與外部需求集成使用冷能相結(jié)合的原則。必須因地制宜，多途徑探索冷能利用的突破。

基于上述原則，上海LNG接收站對潛在的空分、干冰、冷庫物流、海水淡化、冷能發(fā)電、冷凍膠粉、IGCC(整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng))以及合成氨等不同的站內(nèi)外冷能利用途徑，從技術(shù)成熟度、產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向、投資、用地、環(huán)境影響、節(jié)能效益、技術(shù)經(jīng)濟(jì)等方面進(jìn)行了研究分析。

在接收站自身利用冷能方面，針對一期工程已配置IFV的情況及上述特點(diǎn)，若能結(jié)合擴(kuò)建，有條件對基于IFV的冷能發(fā)電裝置進(jìn)行重點(diǎn)分析研究。另外，接收站地處遠(yuǎn)離陸域的深水港區(qū)，淡水供應(yīng)來自上海陸域，價格昂貴，因此研究海水淡化可能有一定經(jīng)濟(jì)價值，但該技術(shù)目前尚不成熟，具體項(xiàng)目合理規(guī)模及技術(shù)經(jīng)濟(jì)等研究尚待深化。

在與外部需求集成使用冷能方面，目前實(shí)際利用最多的是空分項(xiàng)目，空分利用LNG深冷部分的冷量，可獲得較高的能量利用率，在一般條件下具有技術(shù)及節(jié)能效益等相對優(yōu)勢。但經(jīng)調(diào)研，上海及周邊空分市場產(chǎn)能已比較充足并趨飽和，而上海LNG接收站遠(yuǎn)離陸域，車輛物流要經(jīng)過幾十公里跨海大橋，且須經(jīng)許可，產(chǎn)品物流成本必將上升。另外，與淡水一樣，接收站所處區(qū)域電價較高，而空分裝置應(yīng)屬較高能耗項(xiàng)目，冷能利用所節(jié)省的電費(fèi)成本部分尚不足抵充與其它地區(qū)的電價差額，無經(jīng)濟(jì)效益。因此對上海LNG接收站而言，空分利用冷能的這些優(yōu)勢并不存在。冷凍膠粉等項(xiàng)目不能符合當(dāng)?shù)禺a(chǎn)業(yè)導(dǎo)向，不宜考慮。IGCC在技術(shù)上還不成熟，并取決于當(dāng)?shù)匾?guī)劃布局。其他利用領(lǐng)域都尚需根據(jù)開發(fā)條件、技術(shù)進(jìn)展及市場前景等作進(jìn)一步的技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證。

同時，上海LNG接收站除了作為主力氣源，更承擔(dān)了上海全市整個天然氣供應(yīng)系統(tǒng)中主要調(diào)峰和應(yīng)急保障任務(wù)，日常運(yùn)行中供氣(氣化)量波動頻繁且調(diào)節(jié)幅度大，難以提供相對穩(wěn)定的冷能，使冷能利用條件和規(guī)模受到較大限制，加之遠(yuǎn)離市區(qū)和陸域，運(yùn)輸條件、運(yùn)輸成本等均有較大不確定性。

因此，結(jié)合所處區(qū)域周邊環(huán)境條件和產(chǎn)業(yè)規(guī)劃情況，借鑒國內(nèi)外LNG冷能利用實(shí)際狀況和經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)接收站承擔(dān)全市調(diào)峰的運(yùn)行特點(diǎn)，以及項(xiàng)目建設(shè)的緊迫性和投運(yùn)初期保障運(yùn)行安全的重要性等，上海LNG接收站一期工程在LNG冷能利用方面主要作了規(guī)劃層面的方案研究和預(yù)留。結(jié)合本次擴(kuò)建工程契機(jī)，對LNG冷能利用進(jìn)行了進(jìn)一步探索，鑒于外界環(huán)境條件的不確定性，主要在接收站自身利用冷能方面，針對IFV作為上海LNG接收站基本負(fù)荷氣化器的獨(dú)特條件，以及擴(kuò)建工程實(shí)施后IFV總數(shù)增多，整個接收站的氣化設(shè)施及備用能力得到進(jìn)一步提升的有利條件，因地制宜對基于IFV的冷能發(fā)電方案及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了研究分析。

3 基于IFV的冷能發(fā)電方案研究

3.1 基本原理

冷能發(fā)電主要有直接膨脹法、蒸汽動力循環(huán)法(基本朗肯循環(huán))、燃?xì)鈩恿ρh(huán)法(基本BRAYTON循環(huán))以及聯(lián)合法(包含低溫朗肯循環(huán)、低溫BRAYTON循環(huán)、復(fù)合多輯循環(huán)、以及結(jié)合回?zé)岬穆?lián)合循環(huán)等)等4大類。

上海LNG接收站冷能發(fā)電裝置方案研究是基于1套與IFV結(jié)合在一起的、基于朗肯循環(huán)的發(fā)電系統(tǒng)，該項(xiàng)技術(shù)從1979年起在日本首次商業(yè)運(yùn)行。一般如果壓力條件具備，朗肯循環(huán)與直接膨脹相結(jié)合運(yùn)用，可進(jìn)一步提高發(fā)電效率。

目前全世界有約10套此類冷能發(fā)電裝置在運(yùn)行，主要是在日本。其中，日本大阪的LNG接收站有2套朗肯循環(huán)系統(tǒng)、2套天然氣直接膨脹系統(tǒng)、以及1套朗肯循環(huán)和天然氣直接膨脹聯(lián)合系統(tǒng)。經(jīng)了解，這5套裝置2011年共計發(fā)電78 GWh，為其800萬噸/年規(guī)模的接收站提供約40%的總電量。具體參見下表1。朗肯循環(huán)系統(tǒng)冷能發(fā)電工藝流程見圖2。

表1 日本5套冷能發(fā)電裝置

圖2 冷能發(fā)電工藝流程示意

該冷能發(fā)電裝置與“常規(guī)”IFV基本工作原理一樣(圖1)，主要由E1(丙烷氣化器)、E2(LNG氣化器)、E3(天然氣加熱器)3個管殼式換熱器、以及透平發(fā)電機(jī)和丙烷加壓泵等輔助設(shè)施組成。

該冷能發(fā)電裝置的核心同樣是E1、E2和E3三個換熱器，但為了形成中間介質(zhì)(丙烷)的朗肯循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)冷能利用，因此這3個換熱器并不像“常規(guī)”IFV一樣整合為同一設(shè)備容器。同樣，流經(jīng)E1的環(huán)境海水在管程加熱蒸發(fā)殼程中的丙烷，帶壓的丙烷通過渦輪機(jī)膨脹做功而驅(qū)動發(fā)電機(jī)，以此回收LNG冷能進(jìn)行發(fā)電；經(jīng)過渦輪機(jī)膨脹做功降壓后的丙烷進(jìn)入E2殼程，對管程中的LNG進(jìn)行氣化。同時丙烷被完全冷凝下來，由丙烷加壓泵輸送回到E1殼程，再由管程中的海水加熱蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)丙烷密閉系統(tǒng)朗肯循環(huán)；E2中已被氣化的低溫天然氣繼續(xù)進(jìn)入E3殼程，由管程中的環(huán)境海水進(jìn)一步加熱，使輸出天然氣的溫度達(dá)到要求。

該冷能發(fā)電裝置可具備冷能發(fā)電與不發(fā)電兩種運(yùn)行模式，便于LNG氣化穩(wěn)定操作及靈活調(diào)節(jié)。實(shí)際運(yùn)行中，這兩種模式間可自動切換。如果發(fā)電裝置根據(jù)需要或因故中斷運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)可切換至丙烷自然循環(huán)即不發(fā)電運(yùn)行模式，僅LNG氣化功能運(yùn)行，此時冷能發(fā)電裝置作為一套“常規(guī)”LNG氣化器IFV運(yùn)行。

3.2 設(shè)計條件

根據(jù)上海LNG接收站實(shí)際條件，冷能發(fā)電裝置規(guī)模擬定為LNG氣化速率205 t/h，與一期工程已建“常規(guī)”IFV相同。根據(jù)壓力運(yùn)行和調(diào)節(jié)工況要求，不考慮朗肯循環(huán)與直接膨脹的結(jié)合運(yùn)用。主要設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 主要設(shè)計參數(shù)

備注：1、根據(jù)環(huán)保要求LNG接收站運(yùn)行中海水出入口溫度不大于5℃。2、冷能發(fā)電裝置在接收站停電狀態(tài)下不運(yùn)行。

3.3 物料平衡

經(jīng)初步計算，該冷能發(fā)電裝置在不同海水溫度條件下的穩(wěn)定狀態(tài)輸出總功率見表3。

表3 冷能發(fā)電裝置在不同海水溫度條件下的輸出總功率

在最高、最低海水溫度工況下的兩個物料平衡情況(未包括丙烷)如下：

(1)海水溫度30.1℃時，輸出總功率3 900 kW物料平衡情況見表4。

表4 最高海水溫度工況下的物料平衡情況

(2)海水溫度7.6℃時，輸出總功率2 450kW物料平衡情況見表5。

表5 最低海水溫度工況下的物料平衡情況

上表中冷能發(fā)電裝置的輸出總功率已考慮裝置密閉系統(tǒng)和減速齒輪裝置的機(jī)械損失以及發(fā)電機(jī)功率損耗。密閉系統(tǒng)的丙烷加壓泵、潤滑油泵及加熱器等輔助設(shè)施耗電約180 kW。

具體運(yùn)行中該冷能發(fā)電裝置的功率輸出可以根據(jù)實(shí)際天然氣輸出需求的波動進(jìn)行靈活的控制調(diào)節(jié)。運(yùn)行中，最低氣化LNG流量要求約50 t/h，此時裝置發(fā)電輸出降至約500 kW。

3.4 主要設(shè)備

3.4.1 換熱器(E1、E2、E3)

丙烷氣化器E1，其中海水走管程，丙烷走殼程。換熱管材料選用鈦鋼，防海水腐蝕，耐沙粒磨損；換熱器殼體材料選用奧氏體不銹鋼；鈦鋼管與管板間采用脹焊連接，以防海水滲漏；管板與殼體焊接，管板選用鈦鋼板與奧氏體鋼板通過爆炸焊工藝制作的特殊復(fù)合鋼板。

LNG氣化器E2，其中LNG走管程，丙烷走殼程。換熱管及換熱器殼程材料選用奧氏體不銹鋼。

天然氣加熱器E3，其中海水走管程，天然氣走殼程。海水加熱來自E2的低溫天然氣，天然氣在E3中溫度達(dá)到預(yù)定輸出溫度。E3的特點(diǎn)與E1相同。

3.4.2 渦輪機(jī)

一般選用單級軸流式渦輪機(jī)。工作介質(zhì)(丙烷)從徑向流入，通過渦輪轉(zhuǎn)子流暢地改變90°流向，同時給轉(zhuǎn)輪葉片一個反向動力，作用后工作介質(zhì)(丙烷)由渦輪中心軸向流出。軸流式渦輪機(jī)適用于工質(zhì)焓降相當(dāng)小的工況。軸流式渦輪機(jī)結(jié)構(gòu)較簡單、重量較輕、成本較低，并能在小容量下獲得較高的效率。

3.4.3 發(fā)電機(jī)

適用于冷能發(fā)電裝置中的小容量發(fā)電機(jī)有“同步型”和“異步型”兩種。經(jīng)過啟動并網(wǎng)運(yùn)行時對電網(wǎng)的影響、功率因素控制、投資和運(yùn)行成本等技術(shù)經(jīng)濟(jì)方面的綜合比較，考慮“同步型”發(fā)電機(jī)連接到電網(wǎng)時可防止浪涌電流發(fā)生，以及功率因素可控，不需靜態(tài)冷凝器等優(yōu)點(diǎn)，因此本冷能發(fā)電裝置擬選用“同步型”發(fā)電機(jī)。

3.4.4 輔助設(shè)施

中間介質(zhì)(丙烷)加壓泵選用浸沒式垂直型潛液泵。這種形式泵的電機(jī)完全浸沒在丙烷液體中。加壓后的丙烷作為軸承的冷卻劑和潤滑劑，在浸潤電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子的同時也給其自身降溫，這樣的構(gòu)造特點(diǎn)避免了泵與電機(jī)之間的密封要求。而且電機(jī)浸沒在丙烷中，與空氣或氧氣完全隔離，從而消除了發(fā)生火災(zāi)或爆炸的危險。

與“常規(guī)”IFV一樣，冷能發(fā)電裝置定期維護(hù)檢修時，也需一個儲罐來儲存從裝置中放出的丙烷。E1與該儲罐通過管道相連，其間需配置丙烷輸送泵，上海LNG接收站可利用一期已建的相同設(shè)施。

3.5 平面布置

根據(jù)初步的工藝流程及設(shè)備布置要求，考慮雙層布置，一套205 t/h氣化規(guī)模的冷能發(fā)電裝置占地長約30 m、寬約40 m，比較緊湊。該面積包含維修空間、管道和管廊空間以及必要的通道。其中，E2需安裝于E1和丙烷加壓泵之上方，利用E1 與丙烷加壓泵之間的高度差提供足夠的吸入口壓力,防止加壓泵發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。E2與E1之間的高度差應(yīng)能保證裝置在單純LNG氣化操作(不發(fā)電)模式下沒有丙烷加壓泵加壓時的丙烷自然循環(huán)。

根據(jù)上海LNG接收站一期工程已建設(shè)施情況和場地預(yù)留條件，總平面布置考慮了在擴(kuò)建氣化器預(yù)留區(qū)域可布置4套“常規(guī)”IFV。經(jīng)研究，考慮合理平面和豎向布置，這樣的空間能夠在擴(kuò)建工程后IFV總數(shù)達(dá)到預(yù)留數(shù)量(增加4套)的前提下，其中至少有1套可增加冷能利用發(fā)電功能，即建設(shè)1套基于IFV的朗肯循環(huán)冷能發(fā)電裝置裝置。平面布置方案圖略。

3.6 運(yùn)行模式及安全性分析

國內(nèi)尚無LNG冷能發(fā)電裝置運(yùn)行先例，而國際上LNG接收站的類似冷能發(fā)電裝置一般均為和外電網(wǎng)并網(wǎng)供電的運(yùn)行模式。經(jīng)了解，1999~2008年，日本大阪燃?xì)獾腖NG接收站中同樣基于IFV的冷能發(fā)電裝置，其每年的運(yùn)行率達(dá)92.5%，其中停產(chǎn)時間主要是常規(guī)維修，約20~30天。冷能發(fā)電裝置設(shè)計年限一般為20年，根據(jù)這些接收站運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在保證正常維護(hù)和定期檢修的情況下，其冷能發(fā)電裝置實(shí)際運(yùn)行可超過30年。據(jù)介紹，2011年日本大阪燃?xì)獾腖NG接收站的幾套冷能發(fā)電裝置為接收站提供了約40%的用電量。

若冷能發(fā)電能采用孤網(wǎng)運(yùn)行，獨(dú)立接帶如BOG壓縮機(jī)、單路氣化生產(chǎn)設(shè)施等用電負(fù)荷，能避免一旦冷能發(fā)電裝置故障而對接收站正常生產(chǎn)可能造成的瞬間影響。但由于實(shí)際運(yùn)行中供電量及用電量均不穩(wěn)定，如果孤網(wǎng)運(yùn)行，無法保證有足夠的容量起動主要電機(jī)，也無法避免因發(fā)電量或用電量的波動引起電壓不穩(wěn)的情況，導(dǎo)致孤網(wǎng)運(yùn)行的安全性無法得到保證。

因此經(jīng)評估，目前上海LNG接收站若實(shí)施冷能發(fā)電裝置，建議考慮并網(wǎng)發(fā)電但不上外電網(wǎng)的運(yùn)行模式，冷能發(fā)電與外電網(wǎng)并網(wǎng)供電給站內(nèi)6 kV母線，即在現(xiàn)有6 kV開關(guān)柜中增加1面用于冷能發(fā)電裝置的電源進(jìn)線柜，可本接收站提供部分較可靠的自用電源。

3.7 冷能發(fā)電經(jīng)濟(jì)性和環(huán)境效益分析

綜上所述，該冷能利用發(fā)電裝置是在滿足IFV氣化運(yùn)行“常規(guī)”功能基礎(chǔ)上進(jìn)行的LNG冷能利用拓展，并非一個單純發(fā)電的獨(dú)立項(xiàng)目。根據(jù)并網(wǎng)不上網(wǎng)的接收站自身使用運(yùn)行模式原則，進(jìn)行冷能發(fā)電的經(jīng)濟(jì)性分析。

在工程方面，據(jù)初步估算，按裝置設(shè)計年限20年標(biāo)準(zhǔn)考慮的上述205 t/h規(guī)模的基于IFV的冷能利用發(fā)電裝置的主要設(shè)備總投資與“常規(guī)”IFV相比，需增加約1億元人民幣。考慮部分設(shè)備材料、如換熱器鈦管價格受市場影響因素較大且交付周期長，根據(jù)目前市場情況，從采購訂貨到開車完成的工程建設(shè)周期暫估26個月。

在運(yùn)營方面，借鑒國外LNG接收站類似冷能發(fā)電裝置運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，針對上海LNG接收站條件的初步工藝計算情況，暫按冷能發(fā)電裝置平均發(fā)電功率2 500 kW、年運(yùn)行時間6 000~8 000 h進(jìn)行分析。同時為保證接收站供電可靠和運(yùn)行安全，仍按擴(kuò)建新增負(fù)荷需求總量全部進(jìn)行外電源用電申請和變壓器擴(kuò)容，外購電價按1.15元/kW·h測算，其中基本電費(fèi)0.2元/kW·h、電度電費(fèi)0.95元/kW·h，即冷能發(fā)電時接收站需承擔(dān)這部分發(fā)電量的基本電費(fèi)成本。

經(jīng)測算，該冷能發(fā)電裝置年運(yùn)行成本約650萬元、年節(jié)省電度電費(fèi)成本約1 900萬元。裝置投資回報率約15%、投資回收期約5年。

同時，在環(huán)境效益方面，一套205 t/h規(guī)模的冷能利用發(fā)電裝置按平均發(fā)電功率2 500 kW、年運(yùn)行時間以6 000~8 000 h測算，冷能發(fā)電CO2減排系數(shù)約0.69 kg/kW·h，其每年CO2減排量貢獻(xiàn)值可超過10 000噸，且無NOx、SOx以及碳顆粒等排放。

4 結(jié)語和建議

(1)國際LNG貿(mào)易快速增長，我國從2006年開始進(jìn)口LNG后發(fā)展迅猛，并將維持快速增長態(tài)勢，據(jù)預(yù)測2020年將超過5 000萬噸。冷能利用依附于LNG，在當(dāng)前積極倡導(dǎo)節(jié)能減排，不斷推進(jìn)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的背景下越來越受到關(guān)注和重視，因此確實(shí)有必要積極研究和探索LNG冷能利用。實(shí)現(xiàn)LNG高品位冷能的合理有效利用，無論在社會、環(huán)境還是經(jīng)濟(jì)效益方面的重要意義不言而喻。

(2)LNG冷能利用技術(shù)已趨成熟，但無論何種用途，每個不同的LNG冷能利用項(xiàng)目都具有資源(冷能)、產(chǎn)品、物流和市場等各環(huán)節(jié)的典型產(chǎn)業(yè)鏈特征，各環(huán)節(jié)涉及面廣且相關(guān)度密切，一個具體冷能利用項(xiàng)目的成功與否并非是單純技術(shù)應(yīng)用問題，應(yīng)更多涉及整個項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)的綜合評價和利益平衡，也取決于政策、規(guī)劃、土地以及環(huán)境等宏觀條件。因此，需要科學(xué)分析每個LNG項(xiàng)目的自身特點(diǎn)和環(huán)境條件，因地制宜，尋求適合本項(xiàng)目的LNG冷能利用合理途徑。

(3)幾年來，上海LNG接收站在冷能利用方面經(jīng)過積極探索，一期工程從總體規(guī)劃角度，對接收站自身使用冷能（如發(fā)電）以及與外部工廠或冷卻系統(tǒng)集成使用冷能(如冷庫、空分)兩個途徑進(jìn)行了適當(dāng)預(yù)留，可以在條件成熟時分步實(shí)施。同時結(jié)合當(dāng)前擴(kuò)建工程前期工作契機(jī)，積極借鑒國外經(jīng)驗(yàn)，對基于IFV的冷能發(fā)電方案進(jìn)行了重點(diǎn)研究。該方案雖然投資較大，但運(yùn)行能耗低，除了較顯著的節(jié)能和環(huán)保效益，也體現(xiàn)出一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，值得進(jìn)一步深化研究。

(4)總之，針對每個具體特點(diǎn)和條件都不同的LNG接收站項(xiàng)目，建議因地制宜、積極探索LNG冷能利用合理途徑，總體規(guī)劃預(yù)留與分期實(shí)施相結(jié)合，爭取社會效益和經(jīng)濟(jì)效益的雙贏；建議爭取相關(guān)節(jié)能環(huán)保政策配套。政策的配套和引導(dǎo)對于全面調(diào)動LNG冷能利用產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)環(huán)節(jié)的積極性、推動LNG冷能利用工作有積極促進(jìn)作用。同時，LNG冷能是高品位能源資源，宜在較高的回收效率基礎(chǔ)上利用，應(yīng)提倡梯級利用，避免粗放利用，建議合理衡量項(xiàng)目資源利用水平。

Research on the ways of Rational Use of LNG Cold Energy——Study of LNG Cold Energy Utilization in Shanghai LNG Terminal

Shanghai LNG Co., Ltd. Yan Yimin

With the rapid development of LNG import in China, the cold energy utilization of LNG is attracting more and more attention. It is necessary to rational use of LNG cold energy considering of either the economical profits or environmental protection. The paper introduces the development situation and characteristics of LNG cold energy utilization over the world, highlighting the study situation of the cold energy utilization in Shanghai LNG terminal and puts forward some proposals of the LNG cold energy utilization in Shanghai LNG terminal.

LNG terminal, cold power generation, Study