上海LNG接收站冷能利用發(fā)電的研究

上海燃氣工程設(shè)計研究有限公司 章潤遠

關(guān)鍵字：LNG接收站 冷能利用發(fā)電 低溫朗肯循環(huán)

1 引言

隨著上海天然氣市場的快速擴容，“十三五”期間天然氣消費量將達到100億m3，其中城市燃氣用戶規(guī)模約54億m3，約為2010年的2.2倍，“十四五”期間天然氣消費量將達到140億m3，其中城市燃氣規(guī)模將達到80 億m3。屆時，上海市天然氣市場的不均勻性將更加顯著，調(diào)峰需求量將進一步增加。此外，燃機用氣需求亦將隨之提高，天然氣市場波動對于氣溫等因素的敏感性將提高，市場不確定性相應(yīng)增加，對上海LNG項目的供應(yīng)和調(diào)峰提出了更高要求。上海能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃和上海燃氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃中，明確提出要建設(shè)上海LNG項目二期工程。

根據(jù)國家、上海浙江兩級政府的節(jié)能減排政策，國家能源局對上海LNG儲罐擴建項目的特別批示(“深入研究LNG冷能利用問題，做好冷能利用規(guī)劃，同步建設(shè)冷能利用項目，提高能源綜合利用效率”)，在上海LNG儲罐擴建項目的前期設(shè)計中必須對冷能利用加以研究并在擴建工程實施時同步進行建設(shè)。上海LNG接收站一期擴建工程項目中的冷能利用方式主要是冷能利用發(fā)電，同時按照擴建項目現(xiàn)有整體規(guī)劃，冷能利用同其它所有設(shè)施均一次規(guī)劃、分步實施。

2 LNG冷能利用

2.1 冷能的定義

冷能指的是在自然條件下，利用一定溫差可以得到的能量。根據(jù)工程熱力學(xué)原理，利用這種溫差可以獲得有用的能量，這種能量稱之為冷能。

液化天然氣LNG由天然氣經(jīng)深冷加工液化后制得，屬于一種超低溫液體，主要成分是甲烷。每生產(chǎn)1 t的LNG，其動力消耗約為850 kW·h。LNG不能直接使用，接收站將LNG接收、儲存后根據(jù)用戶端的需求對LNG進行加壓、氣化和輸送。LNG氣化時釋放的冷能約為830~860 kJ/kg。這些寶貴的冷能通常損失在氣化器內(nèi)部海水或空氣中，造成能源浪費，也會影響周圍海域及地區(qū)的生態(tài)環(huán)境。如果能充分利用好這部分冷能，則能達到節(jié)能和環(huán)保的目的。

2.2 LNG冷能的分類

LNG冷能按利用方式不同可分為直接利用和間接利用。直接利用方式主要有冷能發(fā)電，另有空氣液化分離、液態(tài)乙烯儲存、冷庫、制造干冰、輕烴分離、低溫養(yǎng)殖和海水淡化等。間接利用方式有低溫破碎、冷凍食品、水和污染物處理及低溫干燥等。

冷能利用發(fā)電是以電能的形式回收LNG冷能；空氣液化是利用LNG的冷能來分離空氣中的氧氣和氮氣，降低常規(guī)空分設(shè)備的制冷電耗；冷凍倉庫是利用LNG與中間冷媒進行冷能交換獲得低溫冷媒，經(jīng)過低溫冷媒在倉庫內(nèi)循環(huán)，維持冷庫所需要的低溫溫度；低溫破碎是利用LNG制備低溫物質(zhì)，然后在低溫下破碎這些在常溫下難以破碎的物質(zhì)。

上述各種冷能利用方式，除LNG冷能用于發(fā)電時因其產(chǎn)業(yè)鏈很短，基本不受其他因素干擾外，其他利用方式因其產(chǎn)業(yè)鏈很長，都會受到市場、資源、環(huán)境、運輸?shù)戎T多因素的影響。如冷庫模式，從冷能梯級利用的角度可能是比較匹配的項目，卻在其他因素上存在諸多困難，難以在上海LNG接收站得以實施。

3 LNG冷能利用發(fā)電

LNG冷能利用發(fā)電是較為新穎的能源利用方式，技術(shù)比較成熟，能夠大規(guī)模利用LNG冷能。

3.1 LNG冷能利用發(fā)電方法

LNG冷量由低溫?和壓力?組成，一般LNG通過氣化器轉(zhuǎn)化為常溫氣體時，該部分能量會流失到海水，空氣等介質(zhì)中。對環(huán)境造成冷污染，也不利于LNG冷能的利用。現(xiàn)將這2種?利用發(fā)電方式進行動力回收，LNG冷能利用發(fā)電的方法通常有以下3種：

(1)直接膨脹法

LNG經(jīng)低溫泵加壓，在氣化器受熱氣化為高壓天然氣，然后利用LNG的物理?在高壓氣化時轉(zhuǎn)化成的壓力?，直接驅(qū)動透平膨脹機，帶動發(fā)電機發(fā)電，如圖1所示。其冷熱能回收量取決于汽輪機進出口氣體的壓力比。直接膨脹法發(fā)電原理簡單，投資少，但是效率不高，發(fā)電功率較小。實際使用過程中，該方法多與其他冷能利用方案綜合使用。

圖1 直接膨脹發(fā)電工藝路線

(2)低溫朗肯循環(huán)法

LNG通過冷凝器把冷能轉(zhuǎn)移到冷媒上，冷媒在溫差的作用下進行蒸汽動力循環(huán)，從而做功產(chǎn)生電能。低溫朗肯循環(huán)發(fā)電工藝路線，如圖2所示。冷媒的選擇是該方法進行冷能發(fā)電的關(guān)鍵，常用的冷媒主要有甲烷、乙烷、丙烷等單組分，也可以采用它們的混合物。

圖2 低溫朗肯循環(huán)發(fā)電工藝路線

(3)聯(lián)合法

聯(lián)合法將直接膨脹法與低溫朗肯循環(huán)法相結(jié)合，可以大大提高冷能利用率，一般可保持在50%左右。日本投入實際使用的LNG冷能發(fā)電項目大多采用這種方式。

實際使用過程中，可以根據(jù)冷量?中低溫?和壓力?的相對比例確定合適的?利用方式，即確定合適的冷能利用發(fā)電方法。

上海LNG接收站天然氣是輸送至管網(wǎng)，需要穩(wěn)定的壓力及穩(wěn)定的流量。若采用直接膨脹法，經(jīng)過冷能利用裝置，天然氣壓力及流量波動較大，不適合目前的生產(chǎn)情況。若采用低溫朗肯循環(huán)法，天然氣本身只是被氣化，不牽涉進發(fā)電部分，能保證穩(wěn)定的壓力和流量，適合目前的生產(chǎn)情況。故上海LNG接收站采用低溫朗肯循環(huán)冷能發(fā)電法。

3.2 上海LNG接收站冷能利用發(fā)電工藝

上海LNG項目儲罐擴建工程設(shè)置一套冷能發(fā)電裝置，額定LNG氣化能力為205.2 t/h，以海水作為熱源。冷能發(fā)電裝置采用低溫朗肯循環(huán)系統(tǒng)，冷媒選用丙烷。

在冷能發(fā)電裝置CPG(Cold Power Generator)中，來自海水的熱量轉(zhuǎn)移到LNG中間傳熱介質(zhì)，再用來氣化LNG。中間傳熱冷媒是制冷劑級丙烷(至少98 mol%純度)。在這一過程中，由海水蒸發(fā)的丙烷驅(qū)動與發(fā)電機組連接的透平，用從LNG回收的冷能發(fā)電。在傳統(tǒng)的LNG氣化過程中，這些冷能被直接排放到大海中。上海LNG接收站發(fā)電工藝路線見圖3。

圖3 上海LNG接收站發(fā)電工藝路線

冷能發(fā)電裝置的主要設(shè)備有中間介質(zhì)氣化器IFV(Intermediate Fluid Vaporizer)，丙烷循環(huán)泵和透平發(fā)電機組件。中間傳熱工作介質(zhì)是制冷劑級丙烷。IFV分為3個熱交換器：E1(丙烷蒸發(fā)器)、E2(LNG氣化器)和E3(NG加熱器)。

冷能發(fā)電裝置運行模式分為發(fā)電模式和旁路模式。

(1)發(fā)電模式

發(fā)電模式下，E1殼側(cè)的液態(tài)丙烷由海水加熱氣化。蒸發(fā)后的丙烷被送至透平進口，驅(qū)動透平機發(fā)電。在透平出口，丙烷蒸汽降壓至大氣壓，然后進入E2殼程由管側(cè)的LNG進行冷凝。LNG在E2中被丙烷從大約－150 ℃加熱至－50 ℃，變成天然氣NG。經(jīng)過E2后，丙烷冷凝液由管線進入丙烷循環(huán)泵，之后液態(tài)丙烷經(jīng)丙烷循環(huán)泵恢復(fù)壓力后再次被送入E1殼側(cè)。在E2中被加熱的NG被送至E3殼側(cè)，被管側(cè)的海水加熱至高于1 ℃，已達到外輸要求。

(2)旁路模式

旁路模式下，透平和丙烷循環(huán)泵被旁路，不再運行，此時CPG裝置僅執(zhí)行LNG氣化功能。E1殼側(cè)的丙烷蒸汽直接進入E2殼側(cè)，E2中被冷凝的液態(tài)丙烷直接進入E1殼側(cè)。在這個操作下驅(qū)動丙烷循環(huán)的是重力，因而E2的位置比E1高。

冷能發(fā)電裝置外輸氣量會根據(jù)用戶需要不同而發(fā)生變化，海水溫度也會隨季節(jié)不同而發(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，必須確保在正常操作時外輸氣體溫度高于1 ℃且海水進出口溫差不超過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的開度?？筛鶕?jù)以下原則設(shè)定氣化器流量：

(1)操作員根據(jù)用戶需氣量確定氣化器的流量；

(2)通過設(shè)在外輸管道首站的輸出需求來控制氣化器運行流量。

海水流量由設(shè)置在氣化器海水出口管道上的手動調(diào)節(jié)閥進行控制，操作員通過分布式控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)手動調(diào)整調(diào)節(jié)閥的開度實現(xiàn)海水流量的設(shè)定。

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：

(1)裝置跳車(操作完全停止)模式：主要觸發(fā)因素有E2出口溫度低低、E3出口溫度低低、丙烷泵入口溫度低低、海水流量低和上海LNG接收站發(fā)生異常狀態(tài)而出現(xiàn)的報警停車；

(2)切換到旁路運行模：主要觸發(fā)因素有丙烷泵出口壓力低低、丙烷泵泵筒液位低低、丙烷泵跳車和透平發(fā)電機成套包跳車。

冷能發(fā)電裝置中的安全裝置：

(1)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)備進行關(guān)斷隔離；

(2)在E1設(shè)備本體、E2設(shè)備本體、E3入口和丙烷泵放空管道各設(shè)有1臺安全閥，氣化器出口氣體管道設(shè)有2臺安全閥，用于設(shè)備超壓保護。

另外當(dāng)IFV(含冷能發(fā)電裝置)不工作，但需要隨時快速啟動時，需要維持低流量的LNG和海水以便保持系統(tǒng)處于冷備。

4 不同工況的計算及分析

4.1 計算工況

上海LNG接收站冷能利用發(fā)電工藝路線為低溫朗肯循環(huán)，該循環(huán)中含有三種工藝介質(zhì)：天然氣、海水及丙烷。其中丙烷為內(nèi)部循環(huán)，天然氣和海水有對外界面?？紤]到上海LNG接收站實際運行的復(fù)雜性，工藝計算針對天然氣和海水采用多工況組合進行分析。分析每一個操作工況時，需考慮LNG組分情況、天然氣外輸流量及海水溫度。海水流量經(jīng)分析對工藝計算影響不顯著，計算中取海水流量值為7 755 t/h。

LNG組分經(jīng)過數(shù)據(jù)采集，主要分三個類別：富液、貧液及上海LNG接收站實際使用組分(下文簡稱典型)，產(chǎn)品規(guī)格見表1。

表1 天然氣產(chǎn)品規(guī)格

天然氣外輸流量考慮洋山港一期運行情況，滿負荷100%為205 t/h，極限負荷105%為215.25 t/h，LNG進口溫度為－147 ℃。海水平均溫度值：夏季平均溫度30.1 ℃，冬季平均溫度7.6 ℃，春秋季平均溫度17.0 ℃。

經(jīng)過組合和篩選，主要計算工況見表2。

表2 冷能發(fā)電計算工況

4.2 計算結(jié)果

工況5、工況6、工況7主要研究在LNG組分為典型情況時，不同海水溫度下冷能發(fā)電裝置的運行情況，而工況1、工況2、工況3、工況4則研究冷能發(fā)電裝置的四個邊界條件，確保該裝置在任何情況下都能夠正常運行。

發(fā)電功率以透平熱效率85%、機械傳動效率95%、發(fā)電機效率95%(總效率77%)這三個預(yù)估條件為前提，進行裝置發(fā)電量的計算。

針對7種工況進行相關(guān)計算的結(jié)果見表3。

表3 各工況下冷能發(fā)電裝置計算結(jié)果

從表3的計算結(jié)果可以看出，發(fā)電功率最大值出現(xiàn)在工況2為3 990 kW，發(fā)電功率最小值出現(xiàn)在工況3為2 290 kW。在進口海水溫度相同的條件下，如工況1、工況3和工況6，工況2、工況4和工況7，兩組輸出功率相比，工況1>工況6>工況3，工況2>工況7>工況4。即LNG組分越接近貧液，發(fā)電裝置輸出功率越大。

4.3 分析

上海LNG接收站冷能利用發(fā)電不同工況計算結(jié)果表明：

(1)LNG組份越接近貧液，蘊含的冷能越多，冷能發(fā)電裝置的外輸功率越高。

(2)海水溫度于冷能發(fā)電裝置的外輸功率成正比，溫度越高外輸功率越大。

(3)LNG綜合利用效率可以通過冷能發(fā)電裝置得到進一步的提高。除了傳統(tǒng)意義上的熱值外，還提取了冷能，是未來LNG接受站節(jié)能的一種有效措施。

5 結(jié)語

上海LNG接收站冷能利用發(fā)電的研究僅考慮LNG組分和海水溫度兩個變量，得出其和冷能發(fā)電裝置外輸功率的關(guān)聯(lián)性。后續(xù)研究可調(diào)整其它邊界參數(shù)(如LNG溫度和壓力等)查看其變化量和外輸功率的變化關(guān)系。此研究實際運行參數(shù)為依據(jù)，有良好的經(jīng)濟效益、節(jié)能效益和社會效益；此研究針對簡單工藝路線進行了模擬和分析，后續(xù)可考慮結(jié)合上海LNG接收站其它能源使用情況來進行技改，以進一步提升LNG冷能利用發(fā)電裝置的利用效率。