LNG接收站與電廠循環(huán)水綜合利用方案分析

梁 勇，周元欣，遠(yuǎn)雙杰，孟凡鵬，張思萌，位世榮，冷 雪

（1. 中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000；2. 國家管網(wǎng)集團(tuán)建設(shè)項(xiàng)目管理分公司，河北 廊坊 065000）

隨著我國低碳能源轉(zhuǎn)型的步伐進(jìn)一步加快，天然氣（NG）作為最清潔的化石能源，在我國的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)占比日益提高，液化天然氣（LNG）貿(mào)易日趨活躍，LNG接收站作為接收進(jìn)口LNG資源的中轉(zhuǎn)站，在我國正處于高速建設(shè)之中[1,2]。LNG廣泛用于發(fā)電、城市燃?xì)饧肮I(yè)燃?xì)鈁3]，LNG需要利用氣化器氣化為氣態(tài)輸往下游用戶，一般LNG接收站均建于沿海港口，LNG氣化器通常選用海水作為熱源進(jìn)行換熱，排出低溫海水，對排入海域形成了冷污染[4]。 火力發(fā)電是現(xiàn)代社會(huì)電力發(fā)展的主力軍，LNG接收站可向燃?xì)怆姀S提供天然氣燃料，因此燃?xì)怆姀S常與LNG接收站臨建，如廣東大鵬LNG接收站與深圳能源集團(tuán)東部電廠，福建莆田L(fēng)NG接收站與莆田燃?xì)怆姀S，日本約半數(shù)的LNG接收站與電廠臨建[5]，臨海而建的電廠機(jī)組常用海水進(jìn)行冷卻，排出高溫海水，對排入海域形成了熱污染[6]。

鑒于LNG接收站與電廠海水利用的特點(diǎn)，考慮將LNG接收站與電廠循環(huán)水綜合利用，不僅可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排， 減少對近海海域生態(tài)環(huán)境的污染，而且可以獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。 例如深圳能源集團(tuán)東部電廠循環(huán)冷卻水利用廣東大鵬LNG接收站冷排水進(jìn)行降溫， 但該方案僅僅站在了電廠的角度，未考慮LNG接收站利用電廠的溫排水[7]；渤海灣某電廠與LNG接收站共用海水系統(tǒng)，該共用方案為：電廠在春、夏、秋季利用LNG接收站冷排水，LNG接收站在冬季利用電廠溫排水[8]，但仍未實(shí)現(xiàn)真正意義上的循環(huán)利用。

本文以待建的南方某LNG接收站與相鄰電廠循環(huán)水綜合利用方案為例，對開架式氣化器（ORV）循環(huán)水綜合利用方案和中間介質(zhì)氣化器（IFV）循環(huán)水綜合利用方案進(jìn)行介紹，并從LNG接收站海水用量、海水泵能耗和經(jīng)濟(jì)效益方面對兩種循環(huán)水綜合利用方案進(jìn)行比選，為今后類似工程的建設(shè)提供參考。

1 LNG接收站與電廠循環(huán)水綜合利用方案簡介

1.1 工程概況

本接收站毗鄰電廠建設(shè)，一期工程建設(shè)規(guī)模為400 × 104t/a，建設(shè)3座20 × 104m3的LNG儲(chǔ)罐；遠(yuǎn)期工程規(guī)模為1000 × 104t/a。 一期設(shè)計(jì)最大外輸量為1760 × 104m3/d（標(biāo)準(zhǔn)狀況）。

毗鄰電廠規(guī)劃建設(shè)6臺(tái)1000 MW超超臨界發(fā)電機(jī)組，一期2 × 1000 MW機(jī)組已于2010年投入運(yùn)行。電廠取排水明渠按6臺(tái)1000 MW機(jī)組設(shè)計(jì)，循環(huán)冷卻水水源為海水，取自臨近海域。已建成的2臺(tái)1000 MW機(jī)組，每臺(tái)機(jī)組配置3臺(tái)循環(huán)水泵，每臺(tái)循環(huán)水泵設(shè)計(jì)流量為10.6 m3/s。 滿負(fù)荷工況下春、夏、秋三季循環(huán)水泵全部運(yùn)行，冬季每臺(tái)機(jī)組運(yùn)行2臺(tái)循環(huán)水泵，低負(fù)荷時(shí)電廠可能會(huì)根據(jù)負(fù)荷、水溫等調(diào)節(jié)循環(huán)水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)。 設(shè)計(jì)工況春、夏、秋三季電廠循環(huán)水排水溫升約8.5°C，冬季循環(huán)水溫度略高，溫升約10°C。

1.2 LNG接收站與電廠循環(huán)水綜合利用方案

在常規(guī)的電廠循環(huán)冷卻水方案中，電廠循環(huán)冷卻水引自臨近海域，海水經(jīng)過循環(huán)水泵進(jìn)入凝汽器，冷凝汽輪機(jī)排氣，海水換熱升溫后經(jīng)排水明渠排入臨近海域； 在常規(guī)的LNG接收站取排水方案中，LNG接收站海水取水亦引自臨近海域， 海水經(jīng)過海水泵進(jìn)入氣化器，與LNG進(jìn)行換熱，LNG氣化為NG后輸送至下游管網(wǎng)，海水換熱降溫后經(jīng)排水明渠排入鄰近海域。

氣化器作為LNG接收站重要設(shè)備，常用的氣化器類型主要為ORV、IFV 和浸沒燃燒式氣化器（SCV），其中ORV和IFV均為以海水作為熱源的氣化器[9]。 ORV頂部有海水噴淋裝置，海水自上而下噴淋在板型管束外表面上，并在管束外側(cè)形成液膜，與自下而上在傳熱管內(nèi)流動(dòng)的LNG換熱，從而使管內(nèi)LNG氣化[10,11]。由于海水需形成液膜與管內(nèi)LNG進(jìn)行換熱，海水流量過低，會(huì)使管束外壁海水結(jié)冰，不僅無法氣化管束內(nèi)的LNG， 還會(huì)對ORV造成結(jié)構(gòu)損壞，因此ORV有最小海水用量的限制[12,13]。IFV由LNG氣化加熱單元和NG復(fù)熱單元兩部分組成。在氣化加熱單元， 丙烷作為中間加熱介質(zhì)被海水加熱氣化，氣化后的丙烷蒸汽與低溫LNG換熱，使其在管程內(nèi)氣化為低溫NG；在NG復(fù)熱單元，被氣化的低溫NG與海水換熱再升溫后（大于0 °C）進(jìn)入NG總管[14]。

1.2.1 ORV循環(huán)水綜合利用方案

在LNG接收站與電廠循環(huán)水綜合利用方案中，氣化器可選用ORV和IFV，由于ORV有最小海水用量的限制，處理量為200 t/h的ORV最小海水用量約為4500 m3/h，根據(jù)HYSYS軟件計(jì)算結(jié)果，此時(shí)海水溫降為9.5 °C。 結(jié)合電廠循環(huán)冷卻水的溫升（8.5～10 °C），若氣化器選用ORV，則LNG接收站的冷排水無法降低電廠的取水溫度，此時(shí)循環(huán)水綜合利用方案則為LNG接收站海水取水引自電廠排水明渠，LNG接收站海水排水則直接排入海域。 該循環(huán)水綜合利用方案系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 ORV循環(huán)水綜合利用方案系統(tǒng)流程示意

ORV循環(huán)水綜合利用方案中LNG接收站海水排水直接排入海域，但由于取水引自電廠的溫排水，LNG接收站海水排水溫度與臨近海域海水溫度溫差較小，降低了對海洋環(huán)境的冷污染，同時(shí)減少了電廠溫排水排入海域的水量，降低了對海洋環(huán)境的熱污染，環(huán)境效益顯著。

1.2.2 IFV循環(huán)水綜合利用方案

IFV為管殼式換熱器， 可以實(shí)現(xiàn)較大的海水側(cè)換熱溫差。 若氣化器選用IFV，則可以實(shí)現(xiàn)LNG接收站冷排水溫降大于電廠溫排水溫升，LNG接收站冷排水排入電廠循環(huán)水泵房前池，則能降低電廠循環(huán)水泵房前池水溫。 此時(shí)循環(huán)水綜合利用方案則為LNG接收站海水取水引自電廠排水明渠，電廠溫排水經(jīng)過海水泵增壓后進(jìn)入IFV，與LNG換熱，換熱后的冷排水通過玻璃鋼管直接排入電廠循環(huán)水泵房前池，形成循環(huán)水綜合利用系統(tǒng)。 該循環(huán)水綜合利用方案系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 IFV循環(huán)水綜合利用方案系統(tǒng)流程示意

IFV循環(huán)水綜合利用方案中LNG接收站冷排水直接排入電廠循環(huán)水泵房前池，消除了對海洋環(huán)境的冷污染， 同時(shí)降低了電廠機(jī)組溫排水的排水溫度，減少了電廠溫排水排入海域的水量，縮小了電廠溫排水對排放海域生態(tài)環(huán)境的影響范圍，具有顯著的環(huán)境效益。

2 LNG接收站與電廠循環(huán)水綜合利用方案比選

本節(jié)將從LNG接收站海水用量、海水泵能耗和經(jīng)濟(jì)效益等方面對以上兩種循環(huán)水綜合利用方案進(jìn)行對比分析，并以LNG接收站常規(guī)取排水方案為基礎(chǔ)進(jìn)行對照分析，其中常規(guī)取排水方案氣化器選用ORV。

采用HYSYS流程模擬軟件建立了LNG接收站氣化工藝流程模擬模型，如圖3所示，基于此模型對氣化器運(yùn)行工況進(jìn)行研究。 工藝流程概述如下：經(jīng)海水泵增壓后的海水進(jìn)入海水總管，然后進(jìn)入IFV/ORV，而來自低壓泵和再冷凝器的LNG經(jīng)高壓泵增壓后經(jīng)過高壓輸出總管，經(jīng)流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)后進(jìn)入IFV/ORV，與海水進(jìn)行換熱后氣化，產(chǎn)生的NG經(jīng)NG外輸總管輸送到下游用戶，換熱后的海水則通過排水明渠直接排入大海[15]。

圖3 基于HYSYS建立的LNG接收站氣化單元模型

本實(shí)例項(xiàng)目中LNG組分和氣化器操作參數(shù)分別如表1和表2所示。在LNG氣化器選型過程中，LNG貧液比熱容更大，換熱量更大，因此選用貧液進(jìn)行模擬計(jì)算。 本LNG氣化單元模型選用Peng Robinson（PR）方程進(jìn)行氣液相平衡計(jì)算，IFV和ORV工作原理均為LNG和海水逆流換熱，IFV和ORV的換熱模型采用管殼式換熱器模塊（Heat Exchanger），該模塊參數(shù)UA（U與A的乘積，其中總傳熱系數(shù)U，kJ/(h·m2·°C)；有效換熱面積A，m2）根據(jù)最低海水進(jìn)口溫度12.2 °C、海水換熱溫差5 °C，由軟件計(jì)算得出。 將表2中的參數(shù)輸入到模型中，計(jì)算不同海水換熱溫差下的氣化器海水用量。

表1 LNG組分與組成

表2 LNG氣化器工藝參數(shù)

2.1 海水進(jìn)出口溫差對氣化器海水用量影響分析

在氣化器海水進(jìn)口溫度41.8 °C的條件下，不同進(jìn)出口海水溫差下的氣化器海水用量如圖4所示。由圖4可知，海水溫差越大，氣化器海水用量越小，因此，增大氣化器海水換熱溫差，則能減少海水用量，降低海水泵能耗。 但根據(jù)GB 51156-2015《液化天然氣接收站工程設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，當(dāng)使用海水作為氣化器的熱源時(shí)，海水溫降不應(yīng)大于5 °C[16]；而在LNG接收站與電廠循環(huán)水綜合利用方案中，由于氣化器海水取自電廠排水明渠， 考慮電廠溫排水的溫升值，若LNG接收站冷排水排入臨近海域，則氣化器海水換熱夏季最大溫差為13.5°C， 冬季最大溫差為15°C；若LNG接收站冷排水排入電廠循環(huán)水泵房前池，則無需考慮海水溫降不應(yīng)大于5 °C的限制，只需考慮經(jīng)氣化器換熱后，海水溫度大于0 °C即可。

圖4 進(jìn)出口海水溫差對LNG氣化器海水用量的影響

IFV循環(huán)水綜合利用方案中， 結(jié)合海水的全年溫度范圍，IFV海水側(cè)溫降可達(dá)20 °C， 而常規(guī)海水取排水方案海水側(cè)換熱溫差不大于5 °C。 根據(jù)HYSYS計(jì)算結(jié)果，各方案的海水用量如表3所示。 從表中可知，IFV循環(huán)水綜合利用方案海水用量最低；與LNG接收站常規(guī)取排水方案相比，IFV循環(huán)水綜合利用方案海水用量降低73.9%，ORV循環(huán)水綜合利用方案海水用量降低約45.5%。

表3 各方案海水用量

2.2 海水泵能耗分析

在LNG接收站取排水工程中，海水泵能耗是影響運(yùn)行費(fèi)用的主要因素[17]。 海水泵能耗與海水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)、海水泵流量、揚(yáng)程和效率有關(guān)。 由于IFV海水側(cè)壓降為200 kPa，ORV海水側(cè)壓降為50 kPa，因此IFV循環(huán)水綜合利用方案中海水泵揚(yáng)程大于ORV循環(huán)水綜合利用方案中海水泵揚(yáng)程。在本實(shí)例中，各方案海水泵配置如表4所示， 表中為海水泵流量，m3/h；H為海水泵揚(yáng)程，m；P為海水泵電機(jī)功率，kW。

表4 各方案的海水泵配置

各工況下海水泵運(yùn)行情況如表5所示。 其中低月低日、均月均日，高月高日為LNG接收站三種外輸氣量工況；在不同工況下，由于所需氣化量不同，開啟的氣化器臺(tái)數(shù)不同，海水泵開啟的臺(tái)數(shù)與氣化器啟動(dòng)臺(tái)數(shù)對應(yīng)。 電廠按照每年11月份檢修停運(yùn)考慮，在此期間LNG接收站為均月均日外輸工況。

表5 各工況下海水泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)

本接收站設(shè)備年運(yùn)行天數(shù)按照365天考慮，其中低月低日工況運(yùn)行天數(shù)31天， 折合小時(shí)數(shù)744 h；均月均日工況303天，折合小時(shí)數(shù)7272 h；高月高日工況按照31天考慮，折合小時(shí)數(shù)744 h；海水泵年運(yùn)行總能耗（W）計(jì)算公式如下。

式中，Ni為i工況下海水泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù)；Pi為i工況下所開啟海水泵的電機(jī)功率，kW；ti為i工況年運(yùn)行時(shí)間，h。

各方案海水泵運(yùn)行能耗計(jì)算結(jié)果如表6所示。從表6可以看出， 常規(guī)取排水方案海水泵運(yùn)行能耗最高，其次為ORV循環(huán)水綜合利用方案海水泵運(yùn)行能耗， 最低的為IFV循環(huán)水綜合利用方案海水泵運(yùn)行能耗。 其中，與常規(guī)取排水方案相比，IFV循環(huán)水綜合利用方案海水泵運(yùn)行能耗降低55.8%，ORV循環(huán)水綜合利用方案海水泵運(yùn)行能耗降低41.4%。

表6 各方案海水泵年運(yùn)行能耗

2.3 經(jīng)濟(jì)效益比選

經(jīng)濟(jì)效益比選主要從各方案的工程投資及運(yùn)行費(fèi)用方面進(jìn)行分析，并根據(jù)各方案的費(fèi)用現(xiàn)值進(jìn)行比選。

2.3.1 LNG接收站運(yùn)行費(fèi)用分析

LNG接收站氣化單元影響運(yùn)行費(fèi)用的因素主要為海水泵運(yùn)行費(fèi)用、氣化器維護(hù)費(fèi)用和加藥系統(tǒng)[18]運(yùn)行費(fèi)用。海水泵運(yùn)行費(fèi)用主要為電費(fèi)，電價(jià)按照0.7 元/(kW·h)考慮。 另外LNG接收站取用電廠循環(huán)水排水，因此接收站海水清污系統(tǒng)的清污機(jī)、旋轉(zhuǎn)濾網(wǎng)及加藥系統(tǒng)可基本不運(yùn)行， 維護(hù)工作量小，降低了維護(hù)費(fèi)用。

根據(jù)2.2節(jié)中的海水能耗，計(jì)算LNG接收站氣化單元年運(yùn)行費(fèi)用如表7所示。 從表7可以看出，常規(guī)取排水方案運(yùn)行費(fèi)用最高，其次為ORV循環(huán)水綜合利用方案運(yùn)行費(fèi)用， 最低的為IFV循環(huán)水綜合利用方案運(yùn)行費(fèi)用。 與常規(guī)取排水方案相比，IFV循環(huán)水綜合利用方案運(yùn)行費(fèi)用降低了約1347 萬元。

表7 各方案LNG接收站氣化單元年運(yùn)行費(fèi)用

2.3.2 電廠經(jīng)濟(jì)效益分析

在海邊設(shè)置的火力發(fā)電廠，將海水作為循環(huán)冷卻水，汽輪機(jī)排汽進(jìn)入凝汽器，被循環(huán)水冷卻凝結(jié)為水，由凝結(jié)水泵抽出，經(jīng)過各級加熱器加熱后作為給水返回鍋爐；汽輪機(jī)的排汽在凝汽器內(nèi)受冷凝結(jié)為水的過程中，體積驟然縮小，因而原來充滿蒸汽的密閉空間形成真空，這降低了汽輪機(jī)的排汽壓力，使蒸汽的理想焓降增大，從而提高了機(jī)組裝置的熱效率。 若循環(huán)冷卻水的溫度降低，則會(huì)提高凝汽器的真空度，提高汽輪機(jī)效率[20,21]。

在本工程實(shí)例中，LNG接收站冷排水排入電廠循環(huán)水泵房前池后，循環(huán)水泵房前池海水溫度降低約0.3 °C，汽輪機(jī)效率提高0.045%，可增加發(fā)電功率約900 kW，按照年運(yùn)行時(shí)間8040 h，發(fā)電成本0.4 元/(kW·h)計(jì)算，年增效益約289 萬元。

2.3.3 經(jīng)濟(jì)效益比選

結(jié)合各方案的工程投資及LNG接收站氣化單元年運(yùn)行費(fèi)用， 計(jì)算各方案費(fèi)用現(xiàn)值，LNG接收站設(shè)計(jì)壽命按照25年考慮，折現(xiàn)率為0.08。LNG接收站各方案的經(jīng)濟(jì)比選結(jié)果如表8所示。 根據(jù)比選結(jié)果可以看出，IFV循環(huán)水綜合利用方案費(fèi)用現(xiàn)值低于ORV循環(huán)水綜合利用方案，常規(guī)取排水方案費(fèi)用現(xiàn)值最高。 與常規(guī)取排水方案費(fèi)用現(xiàn)值相比，IFV循環(huán)水綜合利用方案降低了33.1%，ORV循環(huán)水綜合利用方案降低了26.3%。

表8 各方案經(jīng)濟(jì)比選結(jié)果

此外，根據(jù)電廠經(jīng)濟(jì)效益分析，IFV循環(huán)水綜合利用方案可使電廠年增效益約289 萬元， 加之費(fèi)用現(xiàn)值最低，因此推薦采用IFV循環(huán)水綜合利用方案。

3 結(jié)論

針對待建的南方某接收站與相鄰電廠循環(huán)水綜合利用方案進(jìn)行分析， 介紹了IFV和ORV兩種循環(huán)水綜合利用方案，并以LNG接收站常規(guī)取排水方案為參照， 對兩種循環(huán)水綜合利用方案進(jìn)行了比選，得出以下主要結(jié)論。

（1）IFV循環(huán)水綜合利用方案海水用量、海水泵能耗、 費(fèi)用現(xiàn)值均低于ORV循環(huán)水綜合利用方案，推薦采用IFV循環(huán)水綜合利用方案。

（2）IFV循環(huán)水綜合利用方案合理利用了LNG接收站的冷能和電廠的余熱，降低了LNG接收站運(yùn)行費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益明顯，以待建的南方某接收站與相鄰電廠循環(huán)水綜合利用方案為例，采用IFV循環(huán)水綜合利用方案，LNG接收站節(jié)省年運(yùn)行費(fèi)用約1347 萬元，電廠年增效益289 萬元。

（3）IFV循環(huán)水綜合利用方案消除了LNG接收站冷排水對海洋環(huán)境的冷污染，同時(shí)降低了電廠機(jī)組的排水溫度， 減少了電廠溫排水排入海域的水量，縮小了電廠溫排水對排放海域生態(tài)環(huán)境的影響范圍，可產(chǎn)生良好的環(huán)境效益。