LNG接收站冷能發(fā)電及海水制冰系統(tǒng)

嵇迎梅

LNG接收站冷能發(fā)電及海水制冰系統(tǒng)

嵇迎梅

（金通靈科技集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南通 226000）

隨著中國(guó)從國(guó)外大規(guī)模進(jìn)口LNG，中國(guó)的LNG冷能的利用技術(shù)亟待提高，以獲得較高的能源利用率。為進(jìn)一步提高聯(lián)合循環(huán)法的能源利用率，對(duì)膨脹媒介法發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了方案優(yōu)化，開(kāi)發(fā)LNG冷能發(fā)電-制冰系統(tǒng)，包括中間介質(zhì)發(fā)電子系統(tǒng)、天然氣膨脹機(jī)發(fā)電子系統(tǒng)、海水制冰子系統(tǒng)，同時(shí)提供3～4 MPa和0.6～1 MPa兩種壓力范圍的天然氣給用戶，直接利用LNG冷能制冰和制冷壓縮機(jī)組海水制冰相結(jié)合的方式，可有效滿足周邊漁港對(duì)冰的需求，有效提高冷能的利用效率。

海水制冰；冷能發(fā)電；LNG天然氣；利用效率

1 引言

天然氣是一種低排放的清潔燃料，是當(dāng)今世界增長(zhǎng)速度最快的清潔能源。促進(jìn)液化天然氣快速發(fā)展的一個(gè)重要因素是日益嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)要求，由于全球燃燒大量的不可再生燃料，排放大量CO2、NOx等溫室性氣體，造成了全球的溫室效應(yīng)和一些地區(qū)的熱島效應(yīng)，造成環(huán)境和生態(tài)的破壞，現(xiàn)在越來(lái)越多的國(guó)家開(kāi)始嚴(yán)格控制污染物的排放，以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

中國(guó)天然氣的缺口非常嚴(yán)重，隨著近年來(lái)中國(guó)在能源結(jié)構(gòu)上的不斷改革，從國(guó)外進(jìn)口的LNG越來(lái)越多。在中國(guó)東南及東部沿海地區(qū)，已經(jīng)投產(chǎn)許多LNG接收站，同時(shí)規(guī)劃建設(shè)了許多大型的接收站。液化天然氣接收站主要用于船運(yùn)液化天然氣的接收（含碼頭卸船）、液態(tài)儲(chǔ)存、升溫氣化和管道外輸?shù)茸鳂I(yè)。

2 LNG冷能概述

LNG接收站將海上液化天然氣船運(yùn)送的低溫LNG加載到LNG儲(chǔ)罐中，根據(jù)下游用戶的需求提高輸送壓力，再經(jīng)過(guò)氣化換熱裝置將液化天然氣氣化后，經(jīng)輸氣門(mén)站將氣體輸送進(jìn)入輸氣管線，并運(yùn)送至最終用戶。整個(gè)過(guò)程中，會(huì)有很大部分冷能隨氣化換熱裝置的海水和空氣流失了，造成很多冷能資源的浪費(fèi)。

LNG冷能，指的是在常規(guī)條件下，可以利用的一定的溫度差獲得的一部分能量。同時(shí)參照熱力學(xué)基礎(chǔ)，利用溫度差就獲得有用能量的方法，就叫作LNG冷能的利用。LNG冷能屬于利用價(jià)值較高的能源，如果能通過(guò)先進(jìn)的工程技術(shù)利用這些能源，就達(dá)到了節(jié)省能源，同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。目前，日本是全球進(jìn)口天然氣量最多的國(guó)家之一，在世界上使用LNG冷能的時(shí)間最早，能源利用率也非常高，一直走在世界前列。中國(guó)的液化天然氣能利用研究開(kāi)始于20多年前。陳國(guó)邦和朱建文先后都提出了液化天然氣具有很多冷能，并為中國(guó)LNG冷能的開(kāi)發(fā)研究進(jìn)行了比較詳細(xì)的論述。盡管中國(guó)LNG進(jìn)口比世界上要滯后幾十年，LNG冷能利用也比日本、美國(guó)以及歐洲一些發(fā)達(dá)國(guó)家滯后，但最近幾年來(lái)，隨著中國(guó)從國(guó)外大規(guī)模進(jìn)口LNG，中國(guó)的LNG冷能利用技術(shù)得到了很大的提高。

3 LNG冷能的利用方式

現(xiàn)有的LNG冷能利用主要有兩大方式，分別是直接利用和間接利用，前者包括發(fā)電、空分、冷庫(kù)、液化二氧化碳，后者包括用空氣分離后的附屬產(chǎn)品液氮、液氧來(lái)進(jìn)行低溫破碎、污水處理等。

在全球LNG冷能利用的方法中，比較多的就是直接利用LNG冷能來(lái)發(fā)電。利用LNG冷能來(lái)發(fā)電的原理主要是利用LNG的超低溫使工質(zhì)液化，而后液態(tài)LNG經(jīng)鍋爐加熱汽化，輸送到汽輪機(jī)中進(jìn)行膨脹做功，最終通過(guò)聯(lián)軸器將機(jī)械功帶給汽輪發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生電能。概括地說(shuō)，LNG的冷能用于發(fā)電主要有以下三種方式。

3.1 膨脹做功法

直接膨脹閥是將液態(tài)的天然氣，通過(guò)泵壓縮為高壓的液體，然后通過(guò)海水熱交換器把液態(tài)的LNG加熱到高溫高壓的狀態(tài)，輸送到透平膨脹機(jī)中對(duì)外做功。它的主要特點(diǎn)是發(fā)電原理比較簡(jiǎn)單，發(fā)電效率不高，對(duì)LNG冷能的回收率不足25%。

3.2 多次媒介法

多次媒介法是一種增加了多種中間載熱體的多個(gè)朗肯循環(huán)，將LNG通過(guò)熱交換器把低溫能量傳遞到其他的媒介上，媒介的種類不單一，利用媒介的物理特性，完成媒介進(jìn)行蒸汽輪機(jī)循環(huán)，對(duì)外釋放能量做功。特點(diǎn)是如果采用單一媒介，冷能的利用效率約為18%；如果采用混合媒介，冷能的利用效率可達(dá)到36%以上。

3.3 膨脹媒介法

膨脹媒介法綜合了膨脹做功法與多次媒介法。液化天然氣經(jīng)液壓泵升壓后，通過(guò)熱交換器將一部分冷量傳遞給媒介，LNG再經(jīng)過(guò)換熱鍋爐變成高壓高溫的天然氣，輸送到透平膨脹機(jī)，機(jī)械能傳遞給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)化為電能，然后經(jīng)過(guò)熱交換器變成用戶需求的常溫氣體。而媒介被液化經(jīng)過(guò)壓泵升壓和回?zé)徨仩t變成高溫高壓氣體，透過(guò)透平膨脹機(jī)帶動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，媒介可再次循環(huán)利用。目前，這種方法在日本得到普遍采用，冷能的發(fā)電效率可達(dá)到52%以上。

利用LNG 冷能的發(fā)電方法，其中膨脹做功法和多次媒介法的工藝路線比較簡(jiǎn)單，初期的投入較少，已有很多的實(shí)際工程應(yīng)用，但冷能的發(fā)電利用效率非常低。而效率很高的多級(jí)媒介法和卡琳娜膨脹媒介循環(huán)法卻因?yàn)楣に嚶肪€非常復(fù)雜，所用的設(shè)備較多，并未有很好的工程應(yīng)用案例。

4 LNG冷能發(fā)電及海水制冰系統(tǒng)

為進(jìn)一步提高聯(lián)合循環(huán)法的能源利用率，對(duì)聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，開(kāi)發(fā)LNG冷能發(fā)電-制冰系統(tǒng)，提供3～4 MPa和0.6～1 MPa兩種壓力范圍的天然氣給用戶，同時(shí)增加冷能回收裝置，提高冷能的利用效率。在天然氣透平膨脹機(jī)前增加太陽(yáng)能換熱器，提高天然氣膨脹機(jī)的功率和效率，直接利用LNG冷能制冰和制冷壓縮機(jī)組海水制冰相結(jié)合的方式，可有效滿足周邊漁港對(duì)冰的需求。LNG冷能發(fā)電及海水制冰系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 LNG冷能發(fā)電及海水制冰系統(tǒng)

上述系統(tǒng)主要包括3個(gè)子系統(tǒng)，分別為中間介質(zhì)發(fā)電子系統(tǒng)、天然氣膨脹機(jī)發(fā)電子系統(tǒng)、海水制冰子系統(tǒng)。

中間介質(zhì)發(fā)電子系統(tǒng)與傳統(tǒng)的LNG冷媒朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)類似，在泵2出口處增加海水換熱器，提高中間介質(zhì)膨脹機(jī)的進(jìn)氣溫度，增加中間介質(zhì)膨脹機(jī)的輸出功率，增大發(fā)電量，LNG液化氣經(jīng)中間介質(zhì)換熱器和海水換熱器后變成3～4 MPa的天然氣，一部分供給3～4 MPa的管道用戶，另一部分進(jìn)天然氣膨脹機(jī)發(fā)電子系統(tǒng)。

天然氣膨脹機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的換熱器采用太陽(yáng)能換熱器，可將天然氣的溫度提升至80 ℃，使天然氣膨脹機(jī)有較大的做功能力，天然氣膨脹機(jī)出口低溫天然氣經(jīng)制冷壓縮機(jī)換熱器和海水換熱器后，供給0.6～1 MPa的天然氣用戶。

海水制冰系統(tǒng)的水源均為經(jīng)過(guò)海水換熱器的預(yù)冷水，海水制冰系統(tǒng)制冷壓縮機(jī)出口的高溫冷媒進(jìn)入天然氣換熱器中進(jìn)行冷卻，可有效降低冷媒的溫度，提高制冷海水制冰系統(tǒng)的制冰速度和整機(jī)的節(jié)能效果。

5 小結(jié)

綜上所述，LNG冷能發(fā)電及制冰系統(tǒng)較傳統(tǒng)的LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，增加了制冰系統(tǒng)，有效利用了用于天然氣氣化的海水吸收的冷能，LNG接收站多建于東南及東部沿海地區(qū)，制出的冰可有效滿足周邊漁港對(duì)冰的需求，增加了LNG接收站的經(jīng)濟(jì)效益。

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A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.062

2095－6835（2020）08－0140－02

嵇迎梅，女，工程師，主要從事動(dòng)力工程技術(shù)研究。

〔編輯：王霞〕