LNG冷能梯級(jí)利用的技術(shù)研究

穆月風(fēng)(廣匯能源綜合物流發(fā)展有限責(zé)任公司，江蘇 啟東 226200)

1 研究的問題及背景

1.1 天然氣產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)

在低碳經(jīng)濟(jì)的發(fā)展趨勢(shì)下，天然氣正逐漸成為未來世界一次能源的頂梁柱。我國(guó)正全力建設(shè)LNG接收站，提高天然氣進(jìn)口能力。

1.2 項(xiàng)目背景

江蘇啟東廣匯能源綜合物流發(fā)展有限責(zé)任公司LNG接收站一期氣化外輸規(guī)模為300萬t/a，氣化器的氣化能力為400t/h，最小氣化量50t/h。二期工程基于沿海管道氣市場(chǎng)發(fā)展與需求，計(jì)劃再建1套300萬t/a的氣化外輸項(xiàng)目，屆時(shí)，轉(zhuǎn)運(yùn)站的氣化能力將達(dá)到600萬t/a，最終實(shí)現(xiàn)通過天然氣管道向涵蓋目標(biāo)市場(chǎng)全范圍的各燃?xì)庥脩艄狻?/p>

1.3 冷能利用問題研究的必要性

LNG在氣化過程中，會(huì)釋放出大量的冷能，約830～860kJ/kg。傳統(tǒng)的LNG接收站的氣化，采用海水作為熱媒或在水下燃燒天然氣產(chǎn)生的熱量來氣化LNG，前者會(huì)對(duì)附近海域產(chǎn)生冷污染，后者則需消耗寶貴的天然氣，產(chǎn)生一定的廢氣排放。特別是前者的影響較大，且損失了LNG氣化釋放的冷能而未加以利用。

隨著我國(guó)能源安全和環(huán)境形勢(shì)的日益嚴(yán)峻，LNG的氣化冷能的高效利用問題越來越受到高度的重視。擺脫一直來主要采用海水加熱天然氣氣化的傳統(tǒng)模式，充分利用好進(jìn)口LNG所攜帶的冷能，已成為L(zhǎng)NG產(chǎn)業(yè)節(jié)能降耗的戰(zhàn)略任務(wù)之一。

2 目的和意義

降低LNG生產(chǎn)成本和提高冷能利用效率是LNG產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，關(guān)系著LNG產(chǎn)業(yè)在我國(guó)的發(fā)展前景和發(fā)展戰(zhàn)略。

在LNG接收站，需將LNG通過氣化器氣化后使用，據(jù)測(cè)算，每噸LNG氣化過程相當(dāng)于釋放830～860MJ的冷能，將這大量的冷能進(jìn)行回收，可以產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)大大的減少由于LNG汽化而造成的環(huán)境污染。

廣匯接收站LNG冷能的利用，不但節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境，而且能夠產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。

3 研究?jī)?nèi)容

對(duì)于LNG冷能利用系統(tǒng)，LNG在進(jìn)入分體式IFV冷能利用氣化器前，可根據(jù)冷能利用方案，分流出多股LNG進(jìn)入高品位的冷能利用系統(tǒng)，也可從分體式IFV中分流出多股液相丙烷進(jìn)入低品位的冷能利用系統(tǒng)，返回的丙烷與分體式IFV中的氣相丙烷混合，進(jìn)入丙烷冷凝器。剩余未引出LNG則進(jìn)入分體式IFV冷能利用氣化器，氣化后與LNG冷能利用系統(tǒng)返回的天然氣混合，經(jīng)海水加熱，調(diào)壓計(jì)量后進(jìn)入外輸管網(wǎng)。

通過對(duì)LNG冷能利用冷庫與制冰、空氣分離、發(fā)電、海水淡化、低溫粉碎、空調(diào)系統(tǒng)、干冰和液態(tài)二氧化碳、輕烴回收、冰雪世界等技術(shù)的研究、結(jié)合接收站現(xiàn)有設(shè)施條件，分析研究接收站冷能利用方案的比選并提出冷能梯級(jí)利用的方案，通過已有項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)及軟件模擬等方式，進(jìn)行冷能與項(xiàng)目的深度匹配，從而達(dá)到LNG在氣化過程中的冷能梯級(jí)利用回收，最大限度的實(shí)現(xiàn)能量再利用。

4 冷能分析

4.1 廣匯LNG接收站工況分析和冷能分析

本站一期外輸量可達(dá)到450萬t/a，其中槽車外輸為150萬t/a，管道氣化外輸為300萬t/a，即400t/h，外輸量較為穩(wěn)定，氣化外輸壓力為8～9MPa，氣化外輸溫度≥1℃。未來二期氣化外輸量可達(dá)600萬t/a，氣化外輸量將進(jìn)一步加大。

LNG船以15萬m3船舶為主；場(chǎng)站目前2個(gè)5萬m3LNG儲(chǔ)罐和2個(gè)16萬m3LNG儲(chǔ)罐BOG產(chǎn)生量為9t/h；場(chǎng)站配備BOG再冷凝器、BOG壓縮機(jī)等。

取一期氣化外輸量(200t/h)進(jìn)行LNG冷能利用設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)二期冷能利用進(jìn)行部分規(guī)劃。假定貧、富液加壓后氣化為9MPa、1℃以上的天然氣，當(dāng)氣化外輸量為200t/h時(shí)，貧液LNG所蘊(yùn)含的冷能為39976.19kW，富液LNG所蘊(yùn)含的冷能為37741.56kW。

4.2 用戶冷能價(jià)值及用冷特性分析

由于制得不同溫度的冷能所消耗的電量不同，導(dǎo)致冷能價(jià)值不同。采用制冷循環(huán)的性能系數(shù)COP來表示冷能的經(jīng)濟(jì)性，即冷能數(shù)值與電力消耗之比。研究顯示，COP隨著溫度的升高大幅度增加，60K的COP為0.03448，而243K的COP為2.9，二者相差近百倍。即冷能的品質(zhì)隨溫度的增加大幅度降低。因此冷能利用更應(yīng)該堅(jiān)持 “溫度對(duì)口、梯級(jí)利用” 的原則。

5 各項(xiàng)目方案不同組合下的分析

5.1 冷能發(fā)電聯(lián)合冷庫方案

冷能發(fā)電是LNG接收站常用的冷能利用方式之一，發(fā)出的電量全部由接收站內(nèi)自行消化，從而減少外電供應(yīng)量，減少外電費(fèi)用的支出。冷能發(fā)電盡管不需要考慮外部市場(chǎng)需求，但發(fā)電上網(wǎng)結(jié)算優(yōu)惠方式需要與電力供應(yīng)部門協(xié)商。

目前國(guó)內(nèi)的可再生能源發(fā)電等得到政府的大力扶持，自2005年起，國(guó)家相繼出臺(tái)了《可再生能源法》《可再生能源發(fā)電有關(guān)管理規(guī)定》《可再生能源發(fā)電價(jià)格和費(fèi)用分?jǐn)偣芾碓囆修k法》《可再生能源電價(jià)附加收入調(diào)配暫行辦法》《可再生能源中長(zhǎng)期規(guī)劃》《節(jié)能發(fā)電調(diào)度辦法(試行)》，如：風(fēng)力發(fā)電、太陽能發(fā)電等上網(wǎng)電價(jià)都得到中央、地方政府的財(cái)政補(bǔ)貼。

本方案為9.0MPa、-150℃的LNG，質(zhì)量流量為40t/h，與乙烷丙烷混合冷媒換熱后氣化，變?yōu)閴毫?.0MPa、溫度-41℃的氣態(tài)天然氣，然后與丙烷換熱升溫至-26℃，后經(jīng)海水復(fù)熱升溫至0℃后送至外輸管網(wǎng)；混合冷媒吸收LNG冷量后，先后與丙烷和海水進(jìn)行換熱，并進(jìn)入膨脹機(jī)用于發(fā)電；丙烷先后與低溫天然氣和混合冷媒換熱，又與CaCl2水溶液換熱，溶液用于冷庫的制冷。

研究顯示本工藝選擇乙烷丙烷混合冷媒流量為44t/h時(shí)具有最優(yōu)效益，LNG冷能發(fā)電量為574kW，全年發(fā)電量為503萬kW·h。冷庫負(fù)荷為1805kW，推算出該LNG冷能冷庫庫容約可達(dá)2.6萬t。

采用黑箱數(shù)學(xué)模型計(jì)算出本工藝流程的冷能利用率為

30.56%。

5.2 冷能空分聯(lián)合冷庫方案

工業(yè)氣體是現(xiàn)代大工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)原料，是石油化工、煤化工、冶金、電子、醫(yī)療等行業(yè)不可或缺的生產(chǎn)要素。目前按市場(chǎng)規(guī)模及供氣方式，工業(yè)氣體應(yīng)用市場(chǎng)主要分為大宗集中用氣市場(chǎng)和新興分散用氣市場(chǎng)。全球工業(yè)氣體市場(chǎng)掌握在少數(shù)國(guó)際氣體巨頭手里，林德、法液空、空氣化工幾家企業(yè)占全球市場(chǎng)份額超過80%。國(guó)內(nèi)空氣產(chǎn)能分布主要有三大部分組成，(1)外資巨頭，即上述林德、法液空、普萊克斯和空氣化工，約占國(guó)內(nèi)產(chǎn)能20%；(2)國(guó)內(nèi)專業(yè)公司，占18%；(3)國(guó)內(nèi)其他，占62%，此部分比例最大，包括用氣企業(yè)自建的空分裝置，例如大型鋼鐵與大型石化企業(yè)，多數(shù)屬于非市場(chǎng)化供氣。另外，我國(guó)自制空分氣體產(chǎn)能占比極大，甚至高達(dá)60%，大量企業(yè)仍通過自建空分來滿足用氣要求，這些自建空分實(shí)際產(chǎn)量與企業(yè)自身需求存在極大差異，導(dǎo)致企業(yè)裝置的設(shè)備綜合利用率很低。這些企業(yè)的氣體產(chǎn)能預(yù)計(jì)也會(huì)逐步轉(zhuǎn)向?qū)I(yè)氣體公司奔向市場(chǎng)，包括空分氣體的零售市場(chǎng)。

本方案以目前最常見成熟的空分裝置規(guī)模為基準(zhǔn)，即生產(chǎn)液氮300t/d、液氧300t/d、液氬10t/d的規(guī)模來設(shè)計(jì)。

原料空氣依次經(jīng)過濾、三級(jí)壓縮、冷卻，然后進(jìn)入空氣純化系統(tǒng)進(jìn)行除雜。凈化后的干潔空氣進(jìn)入主換熱器與氮?dú)?、液氮、LNG等先后進(jìn)行換熱，在主換熱器中部抽一部分空氣進(jìn)入高壓塔參與精餾。LNG溫度-159℃，壓力9.0MPa，流量為75000Nm3/h。

塔頂?shù)玫礁呒兊獨(dú)?，一部分高純氮?dú)庠诶淠舭l(fā)器內(nèi)形成液氮，分為兩股，一是直接作為高壓塔回流液，二是供至低壓塔頂部作為回流液參與精餾；另一部分高純氮?dú)夥祷刂鲹Q熱器、增壓機(jī)、液化器后液化得到液氮產(chǎn)品。在低壓塔底部得到液氧產(chǎn)品，用液氧輸送泵把產(chǎn)品送入液氧儲(chǔ)槽。在低壓塔中部抽出的氬餾分進(jìn)入粗氬塔進(jìn)行氧氬分離得到粗氬，粗氬再進(jìn)入精氬塔進(jìn)行精餾，在精氬塔底部得到高純液氬產(chǎn)品，送入液氬儲(chǔ)罐。

LNG冷能空分工藝的冷卻水系統(tǒng)采用乙二醇水溶液作為冷卻媒介。

研究結(jié)果顯示本工藝LNG冷能空分裝置單位產(chǎn)品能耗為0.318kW·h/m3。同時(shí)該冷庫負(fù)荷為2016kW，庫容約可達(dá)3.0萬t，整體冷能利用率為39.8%。

5.3 冷能發(fā)電聯(lián)合數(shù)據(jù)中心方案

9.0MPa、-150℃的LNG，質(zhì)量流量為115t/h，與乙烷丙烷混合冷媒換熱后氣化，變?yōu)閴毫?.0MPa、溫度-41℃的氣態(tài)天然氣，然后與丙烷換熱升溫至-26℃，后經(jīng)海水復(fù)熱升溫至0℃后送至外輸管網(wǎng)；混合冷媒吸收LNG冷量后，先后與丙烷和海水進(jìn)行換熱，并進(jìn)入膨脹機(jī)用于發(fā)電；丙烷先后與低溫天然氣和混合冷媒換熱，又與CaCl2水溶液換熱，溶液用于數(shù)據(jù)中心的制冷空調(diào)。

研究結(jié)果顯示本工藝LNG冷能發(fā)電量為1656kW，全年發(fā)電量為1451萬kW·h。數(shù)據(jù)中心供冷負(fù)荷為5455kW，滿足1600個(gè)機(jī)柜的用冷需求。整流程冷能利用率為31.88%。

5.4 制取液態(tài)CO2及干冰方案

9.0MPa、溫度-150℃的LNG，質(zhì)量流量為65t/h，與壓縮冷卻后的CO2換熱后氣化，變?yōu)閴毫?.0MPa，溫度-15℃的氣態(tài)天然氣，后經(jīng)海水復(fù)熱升溫至0℃后送至外輸管網(wǎng)；從儲(chǔ)罐出來的常壓、15℃的CO2，流量為98t/h，經(jīng)壓縮機(jī)壓縮升溫、海水冷卻后與加壓后的低溫天然氣換熱，溫度降至-46℃，形成98t/h的液態(tài)CO2?？蓪⑵渲?6.6t/h的液態(tài)CO2用于進(jìn)一步制備，得到7.45t/h的干冰。

研究結(jié)果顯示本工藝實(shí)際運(yùn)行損耗3%的CO2，整個(gè)流程的冷能利用率高達(dá)90.96%。

5.5 冷能發(fā)電聯(lián)合制冰方案

9.0MPa、-150℃的LNG，質(zhì)量流量為160t/h，與乙烷丙烷混合冷媒換熱后氣化，變?yōu)閴毫?.0MPa、溫度-41℃的氣態(tài)天然氣，然后與丙烷換熱升溫至-26℃，后經(jīng)海水復(fù)熱升溫至0℃后送至外輸管網(wǎng)；混合冷媒吸收LNG冷量后，先后與丙烷和海水進(jìn)行換熱，并進(jìn)入膨脹機(jī)用于發(fā)電；丙烷先后與低溫天然氣和混合冷媒換熱，又與CaCl2水溶液換熱，溶液用于制冰。

研究顯示本工藝選擇乙烷丙烷混合冷媒流量為176t/h時(shí)具有最優(yōu)效益，LNG冷能發(fā)電量為2296kW，全年發(fā)電量為2012萬kW·h。制冰機(jī)的冷負(fù)荷為7612kW，取COP=2推算出年節(jié)電量為3332萬kW·h。制冰總產(chǎn)量1000t/d，整個(gè)流程冷能利用率為31.24%。

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

(1)我國(guó)正大力發(fā)展節(jié)能減排，對(duì)LNG冷 能進(jìn)行回收利用，既降低LNG生產(chǎn)成本，又符合我國(guó)節(jié)能減排、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的政策。按照LNG氣化量為200t/h計(jì)算，本項(xiàng)目LNG冷能發(fā)電3087kW，一年可發(fā)電2655.9萬kW·h，相當(dāng)節(jié)省3364t標(biāo)煤的燃燒，減少8472.29t二氧化碳的排放，社會(huì)效益顯著。

(2)冷能利用的開展將輻射下游高電耗產(chǎn)業(yè)、冷產(chǎn)業(yè)、精細(xì)橡膠粉產(chǎn)業(yè)以及燃?xì)庀嚓P(guān)產(chǎn)業(yè)等。若發(fā)電功率達(dá)到一定規(guī)模后，以此為依托可建立8萬t級(jí)冷物流產(chǎn)業(yè)園區(qū)，結(jié)合冷鏈物流可輻射周邊500km區(qū)域，并將直接或間接為城市提供大量的就業(yè)崗位，進(jìn)而形成上億規(guī)模的冷產(chǎn)業(yè)鏈。