LNG冷能發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀研究

高 源， 侯珍珍

(中海油石化工程有限責(zé)任公司,山東 濟(jì)南 250101)

LNG冷能發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀研究

高 源， 侯珍珍

(中海油石化工程有限責(zé)任公司,山東 濟(jì)南 250101)

LNG冷能發(fā)電技術(shù)有助于實現(xiàn)對天然氣及石油行業(yè)的節(jié)能降耗，符合當(dāng)前社會節(jié)約型能源的建設(shè)要求。本文通過研究LNG冷能發(fā)電技術(shù)文獻(xiàn)資料，對LNG冷能發(fā)電原理進(jìn)行了介紹，并結(jié)合實際項目的設(shè)計工作，重點(diǎn)對二次媒介法的設(shè)計方案進(jìn)行了分析和描述。同時介紹了目前LNG冷能發(fā)電技術(shù)在國內(nèi)的項目實例最新進(jìn)展。

LNG冷能發(fā)電技術(shù)；冷能利用

天然氣作為一類優(yōu)質(zhì)能源，具有污染少、熱值高、儲量大等特點(diǎn)，是國內(nèi)外使用最為廣泛的能源之一。為了方便大量儲存和運(yùn)輸天然氣，提升天然氣的使用效率，供應(yīng)商通常會在天然氣開采后，進(jìn)行除雜和液化處理，將天然氣轉(zhuǎn)變?yōu)橐夯烊粴?即LNG)，通過海運(yùn)將其運(yùn)輸至LNG接收站氣化后供用戶使用。在LNG氣化過程中，會釋放出大量的冷能，如將這部分能量回收并用于發(fā)電，將會降低LNG接收站的電能消耗量，獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

1 LNG冷能發(fā)電原理

LNG是甲烷為主的低碳烷烴低溫液態(tài)混合物，與周圍環(huán)境存在著溫度差和壓力差。LNG的冷量就是液化天然氣變化到與環(huán)境平衡狀態(tài)所能獲得的能量通常采用熱力學(xué)參數(shù)火用來評價，火用是衡量冷能大小的指標(biāo)。冷能火用反映了能量的反生和傳遞的趨勢，揭示了系統(tǒng)內(nèi)部能源的大小、成因及損失分布情況，為合理利用能量提供了理論依據(jù)[1-2]。LNG冷能發(fā)電的原理在LNG氣化時利用其與周圍環(huán)境劇烈的能量交換所引起的介質(zhì)的壓力和體積的變化對外做功來實現(xiàn)發(fā)電。

2 傳統(tǒng)的LNG冷能發(fā)電技術(shù)

2.1 直接膨脹法

直接膨脹法在使用過程中，從儲罐出來的LNG需要經(jīng)過輸送泵加壓后，再經(jīng)過LNG完成蒸發(fā)汽化工作，進(jìn)而演變成為一種高壓常溫氣體。需要加大對物理火用的應(yīng)用，將高壓下的LNG轉(zhuǎn)換為壓力火用，通過發(fā)電機(jī)及加熱器實現(xiàn)發(fā)電和外輸工作(見圖1)。

圖1 天然氣直接膨脹發(fā)電流程示意圖

直接膨脹法的優(yōu)點(diǎn)是循環(huán)循環(huán)過程，所需設(shè)備少；但該方法效率不高，且發(fā)電功率較小，冷能回收效率僅為24%[2]。

2.2 二次媒體法

二次媒介法是一種朗肯循環(huán)過程，其基本過程是在冷能發(fā)電裝置中，海水的熱量轉(zhuǎn)移低溫的液態(tài)中間介質(zhì)上(通常采用制冷劑級丙烷)，中間介質(zhì)受熱氣化膨脹，驅(qū)動與發(fā)電機(jī)組連接的透平發(fā)電，做功后的氣態(tài)中間介質(zhì)再被LNG冷凝為液態(tài)，重新與海水換熱，如此循環(huán)不斷發(fā)電(見圖2)[3]。

圖2 二次媒介法的冷能發(fā)電裝置工藝流程示意圖

冷能發(fā)電裝置的主要設(shè)備有IFV(中間介質(zhì)氣化器)，LPG泵和透平發(fā)電機(jī)組件。中間介質(zhì)是制冷劑級丙烷。IFV分為3個熱交換器：E1(LPG蒸發(fā)器)，E2(LNG 氣化器)和E3(NG加熱器)。

冷能發(fā)電裝置的運(yùn)行模式分為發(fā)電模式和旁路模式。

在發(fā)電模式下，E1殼側(cè)的液態(tài)丙烷由海水加熱氣化，然后蒸發(fā)的丙烷被送至透平進(jìn)口，驅(qū)動透平機(jī)發(fā)電。在透平出口，丙烷蒸汽降壓至大氣壓，然后進(jìn)入E2殼程由管側(cè)的LNG進(jìn)行冷凝。LNG在E2中被丙烷從大約-150℃加熱至-50℃，變成天然氣。經(jīng)過E2后，丙烷冷凝液由管線進(jìn)入LPG泵，之后液態(tài)丙烷經(jīng)LPG泵恢復(fù)壓力并再次被送入E1殼側(cè)。在E2中被加熱的天然氣被送至E3殼側(cè)，被管側(cè)的海水加熱至高于1℃，以達(dá)到外輸要求。

在旁路模式下，透平和LPG泵被旁路隔離，不再運(yùn)行。在這種模式下，丙烷僅執(zhí)行LNG氣化功能。E1殼側(cè)的丙烷蒸汽直接進(jìn)入E2殼側(cè)，E2中被冷凝的液態(tài)丙烷直接進(jìn)入E1殼側(cè)。在這個操作下驅(qū)動丙烷循環(huán)的是重力，因此，E2的位置應(yīng)高于E1。

冷能發(fā)電裝置外輸氣量根據(jù)用戶需要不同會發(fā)生變化，海水溫度也會隨季節(jié)不同發(fā)生變化。所以外輸NG的溫度和海水出口的溫度將在一定范圍內(nèi)波動，同時確保在正常操作時外輸氣體溫度高于1℃且海水進(jìn)出口溫差不超過5℃。裝置入口LNG管道上設(shè)有流量調(diào)節(jié)閥，利用氣化器出口氣體的溫度和天然氣輸出總管的壓力控制此閥門；也可根據(jù)用戶需氣量確定氣化器的流量；

冷能發(fā)電裝置有兩種不同的緊急關(guān)閉模式，用于設(shè)施保護(hù)：

(1)發(fā)電模式時，當(dāng)出現(xiàn)E2的LNG出口溫度過低、E3的LNG出口溫度過低、丙烷泵入口溫度過低、海水流量過低等情況時，需要觸發(fā)裝置跳車(操作完全停止)，以保護(hù)下游外輸管網(wǎng)的安全；

(2)旁路運(yùn)行模式時，當(dāng)出現(xiàn)丙烷泵出口壓力過低、丙烷泵泵筒液位過低、丙烷泵跳車和透平發(fā)電機(jī)成套包跳車時，需要裝置跳車。

在LNG入口管道和NG出口管道上分別安裝1臺切斷閥，在緊急工況或維修期間可對設(shè)備進(jìn)行關(guān)斷隔離。當(dāng)冷能發(fā)電裝置不工作時，為滿足隨時快速啟動的要求，一般需要維持低流量的LNG和海水運(yùn)轉(zhuǎn)，以便保持系統(tǒng)處于冷備。

二次媒介法的冷能利用效率雖高于直接膨脹法，但由于高于中間介質(zhì)的冷凝溫度的天然氣的冷能沒有被加以利用，因此該方法的冷能回收效率必然受到限制。提高二次媒介法效率的關(guān)鍵是選擇合適的中間介質(zhì)，由于液化天然氣是多組分的混合物，沸程寬，要提高效率，使液化天然氣的汽化曲線與中間介質(zhì)的凝結(jié)曲線盡可能保持一致是十分重要的。工作介質(zhì)可以是甲烷、乙烷、丙烷等單組份，或者是他們的混合物。相對于單一介質(zhì)形式，混合介質(zhì)提供了更大范圍的冷能，擁有更高的冷能利用效率。但在實際的使用過程中，因混合介質(zhì)配比受天然氣組成影響較大，工作狀態(tài)不穩(wěn)定性，嚴(yán)重影響實際的使用效果[4]。同時受限于接收站?；钒踩芾淼囊?，一般建設(shè)單位會更加傾向于使用單一介質(zhì)。

2.3 聯(lián)合法

聯(lián)合法主要是指朗肯循環(huán)法和直接膨脹法的結(jié)合，其原理是通過利用二次媒介法冷凝丙烷過后的“高溫”LNG與海水直接換熱膨脹，帶動發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電來實現(xiàn)對LNG“剩余”冷能的再次循環(huán)利用。

3 最新研發(fā)的LNG冷能發(fā)電技術(shù)

3.1 溫差發(fā)電聯(lián)合動力裝置

溫差發(fā)電聯(lián)合動力裝置實際上是對LNG冷能的梯級利用，與上文介紹的聯(lián)合法類似，多次利用了二次媒介法產(chǎn)生的"高溫"LNG，直至其達(dá)到天然氣使用的最終溫度和壓力[5-6]。但這種方法雖然可以提高LNG冷能利用率，但是隨著利用次數(shù)的增加，其相應(yīng)的設(shè)備投入費(fèi)用也相應(yīng)提高，目前看來并不具有實際的應(yīng)用意義。

3.2 低溫半導(dǎo)體溫差發(fā)電

該方法是根據(jù)Seebeck效應(yīng)[7-8]，運(yùn)用低溫半導(dǎo)體表面的溫差引起的電壓進(jìn)行發(fā)電，其主要的發(fā)電過程為：在LNG換熱管的內(nèi)外兩面粘貼半導(dǎo)體溫差發(fā)電片，并對半導(dǎo)體中的發(fā)熱片進(jìn)行密封處理。工作時，LNG和水分別通過換熱管內(nèi)部和外部，形成內(nèi)外溫差，進(jìn)而產(chǎn)生直流電。目前該方法還主要停留在研究試驗階段，并沒有實現(xiàn)工程化。

4 目前國內(nèi)的項目進(jìn)展

上海液化天然氣有限責(zé)任公司于2005年成立，是上海地區(qū)的天然氣項目的建設(shè)、投資及運(yùn)行的主體單位，其目前正在建設(shè)的上海LNG項目儲罐擴(kuò)建工程規(guī)劃建設(shè)一套LNG冷能發(fā)電裝置，并計劃與2020年與擴(kuò)建工程同步投產(chǎn)，該裝置的原理既是采用的本文介紹的二次媒介法。屆時該項目的成功運(yùn)行將為國內(nèi)LNG接收站的冷能利用開創(chuàng)新的發(fā)展方向。

5 結(jié)論

本文主要是對LNG冷能發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行介紹，從LNG冷能發(fā)電原理、傳統(tǒng)的LNG冷能發(fā)電技術(shù)、最新研究的LNG冷能發(fā)電技術(shù)進(jìn)行分析，并結(jié)合我國上海LNG項目所利用的二次媒介法實例進(jìn)行研究分析，明確了LNG項目的具體實施情況，冷能的回收利用對提升系統(tǒng)的能量利用效率具有重要作用，不受地理位置、市場及環(huán)境因素影響，符合當(dāng)前社會節(jié)能、減排的發(fā)展要求。

[1] 陳利瓊,許培林,孫 磊,等. LNG冷能發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀分析[J].天然氣與石油, , 2013 , 31 (6) :39-44.

[2] 郭揆常. 液化天然氣(LNG)工藝與工程.北京:中國石化出版社[M]. 2014:312.

[3] 陳 暉,鄧 青,賈士棟. LNG冷能發(fā)電技術(shù)研究進(jìn)展[J].應(yīng)用能源技術(shù),2013(05):22-24.

[4] 李小玲,王衛(wèi)強(qiáng),楊 帆. LNG冷能利用技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀與展望[J].現(xiàn)代化工, 2014 , 34 (9) :4-7.

[5] 賀 雷,張 磊,高 為,等.發(fā)電與制冷相結(jié)合的LNG冷能梯級利用技術(shù)研究[J]. 低溫與超導(dǎo), 2015 , 43 (5) :22-27.

[6] 賀 雷,高 為,張 磊,等. 發(fā)電與海水淡化相結(jié)合的LNG冷能梯級利用技術(shù)研究[J]. 化學(xué)工業(yè),2015(07):11-15.

[7] 李博洋,張運(yùn)秋,張曉榮,等. LNG運(yùn)輸船冷能發(fā)電技術(shù)[J].中國航海,2016(01):91-94，98.

[8] 賈 磊. LNG冷能利用與低溫半導(dǎo)體溫差發(fā)電研究[D].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2006：17-18.

(本文文獻(xiàn)格式：高 源， 侯珍珍.LNG冷能發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀研究[J].山東化工，2017，46(14)：88-89.)

2017-06-07

高 源,管道工程師,主要從事管道設(shè)計。

TE64;TE09 ；TM619

A

1008-021X(2017)14-0088-02