液化天然氣(LNG)冷能分析及利用初步研究

王 亮 黃躍峰

(中國(guó)石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司，山東 青島 266400)

天然氣作為燃料，具有熱值高、污染小等特點(diǎn)，可用作民用燃料、工業(yè)燃料及火力發(fā)電燃料。為便于大量?jī)?chǔ)存和運(yùn)輸，天然氣開采出來(lái)后通常要經(jīng)過脫水、脫硫、脫酸性氣體和重?zé)N類的處理后，液化成-162 ℃的低溫液體即液化天然氣(LNG)，以提高運(yùn)輸和儲(chǔ)存的效率。當(dāng)使用時(shí)，LNG仍需轉(zhuǎn)化為常溫氣體，其中大量的可用冷能釋放出來(lái)?；厥者@部分可用冷能，不僅有效利用了能源，而且減少了機(jī)械制冷大量的電能消耗，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1]。

1LNG冷能概述

LNG接收站需要將LNG氣化后輸送給用戶。LNG氣化后被還原為初始的氣體狀態(tài)，可以作為熱力發(fā)電的燃料和城市居民用氣。在LNG氣化過程中，約能產(chǎn)生920.502kJ/kg的低溫能量。目前這種冷能大部分被釋放到海水中。如果將這些能量利用起來(lái)，就可以節(jié)省巨大的能源。因此，從節(jié)約能源的角度，積極尋求和高效利用冷能量有著重要意義。

表1給出了構(gòu)成天然氣的各種成分和其他制冷劑的冷能數(shù)據(jù)?？梢钥闯鲎鳛樘烊粴庵饕煞值募淄?，從溫度水平和其含有的冷能上，都是一種極好的“制冷劑”。

-162 ℃、常壓下的LNG轉(zhuǎn)變?yōu)? ℃(常壓)的氣態(tài)天然氣時(shí)釋放出來(lái)的能量，一方面包括502.1kJ/kg的氣化潛熱，這是LNG在溫度不變時(shí)由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)時(shí)釋放出來(lái)的熱量；另一方面也包括334.7 kJ/kg的顯熱，這是LNG從-162℃轉(zhuǎn)變?yōu)?℃時(shí)釋放出來(lái)的能量，這樣，LNG一共釋放出約為836.8 kJ/kg的能量。

表1 天然氣的組成及其它制冷劑的物理屬性Table 1 the composition of natural gas andthe physical properties of other refrigerants

圖1 冷卻溫度與設(shè)備資金投入的關(guān)系曲線Fig 1 The relationship curve between coolingtemperature and equipment capital investment

2LNG冷能利用的方式

2.1 空氣分離

常用的空氣分離法是將空氣液化，通過氟里昂冷凍機(jī)膨脹透平進(jìn)行空氣的液化和分離制成液態(tài)的氮?dú)?、氧氣、氬氣等。而LNG冷能用于空氣分離則是通過循環(huán)氮?dú)獾睦鋮s來(lái)實(shí)現(xiàn)的。傳統(tǒng)方式生產(chǎn)1 m3的液化空氣大約需要2721.42kJ的冷能，利用回收LNG冷能和兩級(jí)壓縮式制冷機(jī)冷卻空氣制取液氮、液氧，制冷機(jī)很容易實(shí)現(xiàn)小型化，電能消耗也可減少50%，水耗減少30%，這樣就大大降低了液氮、液氧的生產(chǎn)成本，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益，所以利用LNG冷能進(jìn)行空氣分離得到了充分的應(yīng)用[3]。

2.2 冷能發(fā)電

2.2.1直接膨脹方式

直接膨脹法指利用LNG氣化后壓力較高的天然氣直接膨脹發(fā)電。LNG從儲(chǔ)罐出來(lái)后經(jīng)高壓泵加壓后進(jìn)入汽化器氣化成為高壓天然氣，高壓天然氣直接驅(qū)動(dòng)透平機(jī)，從而帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。直接膨脹法回收LNG冷能的效率低，僅有24%，估計(jì)1噸LNG可發(fā)電20kW·h。但是此系統(tǒng)簡(jiǎn)單，設(shè)備少，初始投資少。

2.2.2中間介質(zhì)朗肯循環(huán)方式

傳統(tǒng)朗肯循環(huán)中的冷凝器采用冷卻水作為冷源，而采用中間介質(zhì)朗肯循環(huán)方式利用LNG低溫發(fā)電的原理[5]是：以低沸點(diǎn)的甲烷、乙烷、丙烷或者乙烯和液化石油氣多組分的混合物為工質(zhì)，以海水或其他工業(yè)余熱為熱源，以LNG為冷源，進(jìn)行有機(jī)工質(zhì)的朗肯循環(huán)進(jìn)行發(fā)電。

2.2.3綜合方式

目前利用LNG低溫發(fā)電最為廣泛的方式是綜合方式，它聯(lián)合了直接膨脹方式與中間介質(zhì)朗肯循環(huán)方式，可使LNG冷能的回收效率大大提高。此種聯(lián)合法發(fā)電系統(tǒng)通常采用回?zé)峄蛟贌嵫h(huán)來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的LNG冷能的回收效率，通常此綜合方式的冷能回收率高達(dá)50%左右。

2.2.4布雷敦循環(huán)(氣體透平循環(huán))

天然氣燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，易于啟動(dòng)和關(guān)閉，最適宜于調(diào)峰發(fā)電。天然氣燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)是氣體動(dòng)力循環(huán)的一種形式，研究表明，燃?xì)廨啓C(jī)的吸氣溫度對(duì)燃?xì)馔钙降墓ぷ餍视忻黠@的影響。利用LNG冷能預(yù)冷燃?xì)廨啓C(jī)的進(jìn)口空氣溫度，將會(huì)顯著提高機(jī)組做功能力和循環(huán)效率，增加發(fā)電量。

2.3 制造液態(tài)二氧化碳或干冰

在利用LNG的冷能制造液態(tài)二氧化碳或干冰時(shí)，由于LNG冷量能夠?qū)崿F(xiàn)制取液態(tài)二氧化碳和干冰所需的低溫，這樣氣體CO2僅需壓縮至0.9 Mpa左右，因此這種工藝耗電量小，僅為0.2 kW·h/m3。除此之外，此工藝生產(chǎn)的液態(tài)CO2的純度高達(dá)99.99%。和傳統(tǒng)工藝相比，耗電量節(jié)約了30%～40%，初始投資費(fèi)用減少了10%。

2.4 冷凍冷藏庫(kù)

冷庫(kù)是實(shí)現(xiàn)特定的溫度和濕度，用來(lái)加工或者存儲(chǔ)食品、工業(yè)原料等的建筑物。根據(jù)冷凍物品不同，冷庫(kù)可分為低溫凍結(jié)庫(kù)、低溫冷凍庫(kù)、冷藏庫(kù)以及果蔬預(yù)冷庫(kù)，以上冷庫(kù)的溫度分別控制在-60、-35、0、0～10 ℃。將LNG與冷媒通過換熱器進(jìn)行熱量交換，被冷卻的冷媒流經(jīng)管道進(jìn)入冷庫(kù)，最后在冷庫(kù)內(nèi)通過冷卻盤管實(shí)現(xiàn)對(duì)冷庫(kù)內(nèi)物品的冷凍冷藏，從而省去制冷機(jī)，減少了大量的初始投資，還節(jié)約了30%以上的電力。

2.5 儲(chǔ)罐蒸發(fā)氣(BOG)再冷凝回收

針對(duì)采用再冷凝法工藝流程的LNG接收站，將LNG儲(chǔ)罐中產(chǎn)生的蒸發(fā)氣(Boiled off gas，BOG)壓縮到一定的壓力，在再冷凝器中將BOG與從罐內(nèi)泵泵出的過冷LNG混合，利用LNG的冷量將BOG再冷凝成液體，再打回主流程，經(jīng)LNG高壓泵加壓后進(jìn)入汽化器，再氣化送至外輸管道。BOG再冷凝回收屬于LNG冷能的內(nèi)部利用，使BOG再冷凝減少了BOG壓縮機(jī)的消耗，節(jié)約了能量。

3 LNG冷能利用方式比較

國(guó)外大多數(shù)LNG冷能利用項(xiàng)目都是在能源價(jià)格較低廉的年代陸續(xù)開發(fā)的，所以絕大部分的LNG冷能利用項(xiàng)目只是單一的LNG冷能利用。這些項(xiàng)目只考慮了冷能的回收利用，并未考慮利用過程的效率。我國(guó)LNG進(jìn)口較晚，目前能源緊缺，能源價(jià)格昂貴，在這樣的背景下規(guī)劃LNG冷能利用項(xiàng)目必須在可行性階段充分考慮各種冷能利用項(xiàng)目的效率和經(jīng)濟(jì)性。

(1)LNG冷能用于空氣分離，生產(chǎn)液氧、液氦、液氬，技術(shù)成熟，LNG冷能利用率高，產(chǎn)品具有一定競(jìng)爭(zhēng)力。產(chǎn)品市場(chǎng)容量大，不存在原料問題。因此LNG冷能用于空氣分離是一個(gè)較好的冷能利用途徑。

(2)雖然LNG冷能發(fā)電在國(guó)外(主要是日本)已

經(jīng)是成熟技術(shù)，但國(guó)內(nèi)尚無(wú)經(jīng)驗(yàn)，而且從我國(guó)國(guó)情考慮，規(guī)模與發(fā)電成本太高，企業(yè)無(wú)法承受發(fā)電設(shè)備的投資，用戶無(wú)法接受昂貴的電價(jià)。

(3)利用LNG冷能制造液態(tài)二氧化碳或干冰以回收電站的CO2具有很高的能量效率，并且可以實(shí)現(xiàn)電站CO2的零排放，是一個(gè)技術(shù)先進(jìn)的項(xiàng)目，但是必須要求配套的燃?xì)怆姀S與LNG接收站毗鄰建設(shè)。

(4)利用LNG冷能建造冷凍冷藏庫(kù)具有初始投資少、電力消耗小、噪音小、故障少、易維修等優(yōu)點(diǎn)，但是受建設(shè)選址及LNG接收站外輸量波動(dòng)的影響較大。

(5)利用LNG冷能再冷凝接收站內(nèi)產(chǎn)生的BOG在山東LNG接收站內(nèi)已建成投產(chǎn)。

(6)一個(gè)大型的海水淡化項(xiàng)目往往是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

(7)利用LNG冷能建設(shè)的輕烴回收裝置在山東LNG接收站已處于工程建設(shè)收尾階段，建成投產(chǎn)指日可待。

綜合以上分析，利用LNG冷能進(jìn)行空氣分離技術(shù)方案以其建設(shè)方案靈活、依托條件簡(jiǎn)單、產(chǎn)品市場(chǎng)廣闊，更適合于我國(guó)目前LNG接收站建設(shè)實(shí)際，是山東LNG接收站下一步LNG冷能回收利用的首選方案。

4結(jié) 論

隨著全球能源環(huán)境問題的日益突出及LNG產(chǎn)量的迅速增長(zhǎng)，LNG冷能利用的前景十分廣闊，利用LNG冷能的方式也多種多樣。山東LNG接收站在目前已確定的利用LNG冷能進(jìn)行BOG再冷凝及輕烴回收的基礎(chǔ)上，可考慮利用LNG冷能進(jìn)行空氣分離以進(jìn)一步利用LNG冷能。

[1] 王坤，顧安忠. LNG冷能利用技術(shù)及經(jīng)濟(jì)分析[J]. 天然氣工業(yè)，2004，24(7):122～125.

[2] 顧安忠. 液化天然氣技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3] 林文勝，顧安忠. 空分裝置利用LNG冷量的熱力學(xué)分析[J]. 深冷技術(shù)，2003(3)：26～30.

[4] 徐文東，華賁. LNG冷量?jī)?yōu)化集成利用技術(shù). 天然氣工業(yè)，2006，26(7):127～129.