液化天然氣冷能構(gòu)成與有效利用方式分析

王 昊，馬貴陽，王錫鈺，李 程

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

液化天然氣冷能構(gòu)成與有效利用方式分析

王 昊，馬貴陽，王錫鈺，李 程

（遼寧石油化工大學(xué) 石油天然氣學(xué)院，遼寧 撫順 113001）

隨著時(shí)代的不斷進(jìn)步與人們對液化天然氣的需求量與日俱增的大環(huán)境下，我們近些年來對于這一方面進(jìn)行詳細(xì)而深入的研究，通過以往大量的實(shí)踐結(jié)果表明，液化天然氣（簡稱LNG）在汽化期間會(huì)釋放巨大的冷能，倘若我們能夠根據(jù)實(shí)際需要想方設(shè)法有效利用和回收這部分冷能，將會(huì)在很大程度上提高節(jié)能效果與對系統(tǒng)的效率，對于人們的生活質(zhì)量和環(huán)保方面產(chǎn)生的作用將會(huì)是十分巨大的。對LNG冷能的構(gòu)成以及相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行了分析，通過這種方式說明在當(dāng)前這種大環(huán)境下各種LNG冷能回收利用形式的能量利用的實(shí)際情況以及在應(yīng)用過程中的一些注意事項(xiàng)。然后結(jié)合自身多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)針對冷能回收系統(tǒng)的不同提出相關(guān)的指導(dǎo)性建議，希望能夠在今后的有效應(yīng)用液化天然氣方面提供一些借鑒和參考。

液化天然氣；冷量利用；回收；LNG冷能

從以往的大量實(shí)踐中我們可以看出，為了最大限度的方便天然氣的儲(chǔ)藏運(yùn)輸，我們最為常用的做法就是將天然氣經(jīng)過相關(guān)的干燥脫酸處理后，11K這種低溫狀態(tài)下液化成液態(tài)。但是有一點(diǎn)值得大家注意的是，在液化天然氣氣化成常溫氣體之后供給用戶的期間必然會(huì)將釋放出大量的冷能，而以往的很多時(shí)候，我們會(huì)對這一問題不管不顧，任由其浪費(fèi)掉，這是十分可惜的。

1 LNG的冷能具體構(gòu)成

眾所周知，隨著全球人口總數(shù)越來越多，能源供應(yīng)問題也日益凸顯出來，人們隨著時(shí)間的推移逐漸認(rèn)識(shí)到能源“質(zhì)”比“量”更關(guān)鍵。從一個(gè)角度上來看，我們在當(dāng)前這種大的形勢下已經(jīng)不能再像過去那樣單純的看量而忽略了質(zhì)，而應(yīng)該以一種綜合的角度了分析和看待這個(gè)問題。下面將從“冷量”和“冷量用”這兩個(gè)方面分別闡述冷能的主要構(gòu)成。

1.1 LNG的冷量

通常而言，我們常說的冷量所指的是系統(tǒng)處于比環(huán)境溫度要低（具體低多少要根據(jù)實(shí)際情況而定）通過邊界所散發(fā)出來的能量總和。通過以往大量的實(shí)踐結(jié)果，蒸發(fā)器內(nèi)制冷工質(zhì)汽化冷卻冷媒水（通常是以液態(tài)形式出現(xiàn)）；液氮噴淋在冷藏車內(nèi)汽化制冷等，這些都是利用工質(zhì)的冷量來完成的，這就好像在過去的冬天生火取暖、烹煮食物比較類似，都利用了熱量，但是它們之間也存在著本質(zhì)上的區(qū)別，那就是前者所利用的是比環(huán)境溫度要低的熱量。但是這種數(shù)量描述仍然無法在真正意義上體現(xiàn)能量在“質(zhì)”上的差異。因?yàn)閷τ诘蜏毓べ|(zhì)而言，冷量一般而言只是非常簡單的描述了它吸收熱量的能力到底有多大而以。通過過去的大量的研究，當(dāng)LNG由飽和溫度（我們可以用T飽和=111 K）復(fù)溫到300 K，100卡帕的環(huán)境狀態(tài)下釋放出的冷量為919.89 kJ/kg[1]。

1.2 LNG的冷量用

從前面的描述中我們可以得知，不管是系統(tǒng)當(dāng)時(shí)是處于哪一種狀態(tài)如果在逆變化到給定環(huán)境狀態(tài)的過程中，能轉(zhuǎn)換為“可完全轉(zhuǎn)換能量”的稱之為冷量用。當(dāng)工質(zhì)溫度比環(huán)境溫度要低的時(shí)候，系統(tǒng)會(huì)從外界環(huán)境吸熱的期間達(dá)到有用功的最大化，還有一種情況就是為了盡可能的維持低溫，自系統(tǒng)抽取冷量過程中需要消耗的有用功最小值稱為冷量用。如果從這種層面來看的話，冷量用和熱量用本質(zhì)上其實(shí)屬于“死態(tài)”的兩種形式罷了，他們都可以某種方式轉(zhuǎn)化為有用功。從圖1中可以看出，低溫工質(zhì)所具有的冷量通常要少于比它所能轉(zhuǎn)化的最大有用功，而且要少得多。

圖1 熱量/冷量用與溫度的關(guān)系Fig.1 Heat/cold quantity relations with temperature

從圖1中可以清楚的得出一個(gè)結(jié)論，與環(huán)境的溫差會(huì)隨著溫度的降低而加大。眾所周知，與環(huán)境的溫差完全一致的條件下，低溫下的能質(zhì)系數(shù)要高出高溫狀態(tài)下能力系數(shù)（而且一般會(huì)高出許多）。此時(shí)我們可以從節(jié)能的角度充分的利用低溫下系統(tǒng)的這種能力會(huì)比以前那樣單純的利用低溫工質(zhì)放出的冷量在價(jià)值方面必然會(huì)高得多[2]。

2 LNG冷能的回收與有效利用

通過以往的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，LNG冷能的回收與有效利用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

2.1 LNG冷能回收在發(fā)電中的有效應(yīng)用

一般地說，回收LNG冷能，就目前而言還是需要依靠動(dòng)力循環(huán)進(jìn)行發(fā)電是回收以及有效利用LNG冷能的主要方式，而且經(jīng)過這么多年技術(shù)的沉淀和經(jīng)驗(yàn)的積累，在技術(shù)方面相對較而言會(huì)更加成熟一些。總的來說，當(dāng)前通過電能的形式回收冷量用的方式主要包括以下三種情況：首先是利用溫度用的中間介質(zhì)朗肯循環(huán)方式，換言之，就是每噸LNG的發(fā)電量保持在20 kW·h的狀態(tài)；然后是利用壓力用的膨脹法（直接而非間接）；最后就是綜合上述兩者的聯(lián)合法，也就是保持每噸LNG的發(fā)電量在45 kW·h上下徘徊[3]。

從圖2看出，左半部分是靠LNG與海水驅(qū)動(dòng)的冷媒動(dòng)力循環(huán)（二次）。右半部分是利用壓力用的直接膨脹動(dòng)力系統(tǒng)完成的。其中需要特別強(qiáng)調(diào)的是，在這個(gè)運(yùn)行的過程中選取系統(tǒng)中二次冷媒是至關(guān)重要的，我們務(wù)必要保證其物性合乎相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)才行，也就是要切實(shí)保證在LNG范圍內(nèi)不會(huì)凝固，與此同時(shí)流動(dòng)和換熱性能也必須要良好，臨界溫度不得低于環(huán)境溫度，使用安全，比熱大等相關(guān)要求。除此之外，為了最大限度的提高LNG冷能的回收效率，我們在就目前而言已經(jīng)得到實(shí)踐證明過最為有效的方式就是在二次冷媒動(dòng)力循環(huán)系統(tǒng)中采用再熱（或回?zé)幔┭h(huán)，數(shù)據(jù)表明，如果不出現(xiàn)意外情況的話，這種回收方式的冷能回收率通?？梢赃_(dá)到50%左右。

圖2 LNG冷能回收聯(lián)合法流程Fig.2 Joint method of LNG cold energy recovery process

2.2 冷能回收在空分中的有效應(yīng)用

一般地說，低溫環(huán)境往往是由電力驅(qū)動(dòng)的機(jī)械制冷所造成的，我們從制冷原理可知，消耗的電能會(huì)隨著溫度的降低呈現(xiàn)出急劇增加的狀態(tài)。通過以往大量的實(shí)踐結(jié)果表明，低溫蒸發(fā)在一定的范圍內(nèi)，能耗勢必會(huì)隨著蒸發(fā)溫度降低而出現(xiàn)一定程度的增加。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，蒸發(fā)溫度每降低1 K，能耗會(huì)隨之增加大約10%上下徘徊?；厥誏NG冷能如果是主要用于兩級(jí)壓縮制冷冷卻空氣制取液氮，那么液氧的空分裝置流程圖如圖3所示[4]。

事實(shí)證明，采取這種方式所需要的制冷機(jī)的類型是通常是比較小的那種，電能消耗也可逐漸得到減少，在過去的很長一段時(shí)間里生產(chǎn)1 m3需要電耗0.5 kW·h，自從采用冷量回收的方法可使電耗減小30%；而且隨著水耗的減少必然會(huì)在很大程度上降低液氮（或者是液氧）的生產(chǎn)成本，這樣一來可以使LNG在溫度更低的領(lǐng)域得到更為廣泛的應(yīng)用，比方說在生產(chǎn)半導(dǎo)體器件、真空冷阱、食品速凍等領(lǐng)域。此外，預(yù)冷劑作為空氣分離裝置，它在生產(chǎn)液氬的空分裝置中會(huì)最大限度的利用其冷能冷卻以及液化的循環(huán)氮，事實(shí)證明，通過這種方式可以很好的省去氟里昂制冷機(jī)以及氮透平膨脹機(jī)組，從而進(jìn)一步降低產(chǎn)品能耗，事實(shí)證明，這樣做可以在一定程度上減少企業(yè)的成本投入，大大提高經(jīng)濟(jì)效益[5]。

圖3 LNG冷能回收用于空分流程Fig.3 LNG cold energy recovery used in air separation process

2.3 LNG冷能回收在制造干冰過程中的應(yīng)用

以化工廠的副產(chǎn)品二氧化碳為原料，這也是LNG冷能回收的主要利用形式，相關(guān)數(shù)據(jù)表明，這樣做能夠有效節(jié)約50%以上的電能。

除此之外，液態(tài)二氧化碳在焊接、鑄造行業(yè)應(yīng)用的同樣比較廣泛，而干冰的應(yīng)用領(lǐng)域就更多了。事實(shí)證明，利用LNG冷能制造液態(tài)二氧化碳（或干冰），不但比過去消耗的電耗更?。? m3電耗0.2 kW·h），而且生產(chǎn)的產(chǎn)品的純度高最高可以達(dá)到99.9%[6]。

3 結(jié)束語

綜上所述，隨著科技的發(fā)展與人們對天然氣質(zhì)量的要求越來越高，因?yàn)檫@是與我們的日常生活密切相關(guān)的，我們必須要對此問題引起足夠的重視才行。通過多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)得出，冷量LNG會(huì)隨著溫度的降低而不斷提高自身的價(jià)值越高，LNG具有的作功能力比吸熱的能力更寶貴。從這一點(diǎn)上來看，我們應(yīng)充分利用其在低溫下的高品質(zhì)能量，想方設(shè)法最大限度的利用LNG的作功能力為我們提供優(yōu)質(zhì)服務(wù)。想要做到這一點(diǎn)，相關(guān)工作人員應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需要對流程進(jìn)行合理安排，最好的辦法就是采取減小傳熱溫差等措施來有效減少那些不可逆損失。從而保障的天然氣更好的為我們所用。

［1］熊永強(qiáng).液化天然氣冷量利用的集成優(yōu)化[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2011（03）:102-103.

［2］譚洪波.液化天然氣冷能用于striling熱機(jī)初探[J].化工學(xué)報(bào)，2014（06）:49-53.

［3］白飛飛.低溫回收廢熱與液化天然氣冷能利用的集成研究[J].中國化學(xué)工程學(xué)報(bào)，2010（05）:20-23.

［4］張國軍，劉伯權(quán).高強(qiáng)混凝土框架柱的恢復(fù)力模型研究[D]. 北京:北京大學(xué),2011.

［5］熊永強(qiáng)，華貴.利用液化天然氣冷能搜集二氧化碳的動(dòng)力系統(tǒng)的集成[J].化工學(xué)報(bào),2010（12）:78-80.

［6］金濤，胡建軍.利用液化天然氣冷能的新型空分流程極其性能[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2010（05）:65-67.

Analysis on Composition and Effective Utilization of LNG Cold Energy

WANG Hao, MA Gui-yang, WANG Xi-yu, LI Cheng
（College of Petroleum and Natural Gas Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

As the progress of the Times and people's increasing demand for liquefied natural gas (LNG), we have made an exhaustive study on it in recent years. The results show that, liquefied natural gas (LNG) can release huge cold energy during evaporation. If we can effectively use and recycle this part of the cold energy according to the actual need, the efficiency of the energy saving will be largely improved, which will have very great effect on the quality of people's live and environmental protection. In this article, composition and related application of LNG cold energy were analyzed. Now actual situation of recycling and utilization LNG cold energy was discussed as well as some matters needing attention in the application process.Then combined with practical experiences, some suggestions were put forward.

Liquefied natural gas (LNG); Cold energy utilization; Recycling; LNG cold energy.

TE 62

： A

： 1671-0460（2015）10-2357-03

2015-04-10

王昊（1991-），男，遼寧撫順人，碩士，遼寧石油化工大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)碩士在讀，研究方向：液化天然氣冷能利用技術(shù)。E-mail：471794046@qq.com。