現(xiàn)階段我國(guó)LNG冷能回收利用現(xiàn)狀及分析

靳小靜，黃 永

(1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528333；2.中海油工業(yè)氣體〈珠?！涤邢薰荆瑥V東 珠海 519050)

0 前言

2020年9月22日，我國(guó)鄭重對(duì)外宣布力爭(zhēng)2030年前二氧化碳排放達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取在2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。至此，“雙碳”成為當(dāng)前和今后一個(gè)時(shí)期的熱詞。液化天然氣(liquefied natural gas，LNG)是現(xiàn)階段國(guó)家鼓勵(lì)推廣使用的一種綠色低碳的清潔能源，經(jīng)過了近十多年的發(fā)展，我國(guó)LNG取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但LNG冷能綜合利用發(fā)展并未完全同步。

1 LNG及接收站現(xiàn)狀

LNG是天然氣經(jīng)過脫水、脫酸處理，通過低溫工藝，冷凍液化而成的低溫(-162 ℃)液體混合物[1]。從2006年第一個(gè)LNG接收站(廣東大鵬液化天然氣有限公司)投運(yùn)開始，我國(guó)LNG相關(guān)工業(yè)迎來一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，截止2022年已投產(chǎn)運(yùn)行LNG接收站23座，設(shè)計(jì)處理能力約8240萬t/a。

為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)管輸和生產(chǎn)、銷售分開，以及向第三方市場(chǎng)主體的公平開放，2019年，我國(guó)成立國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司，同時(shí)將“三桶油”10座LNG接收站劃入國(guó)家管網(wǎng)公司。目前，國(guó)家管網(wǎng)公司是國(guó)內(nèi)最大LNG運(yùn)行公司，總處理能力超3000萬t/a。

2 LNG冷能利用現(xiàn)狀

LNG在-162 ℃下運(yùn)輸、儲(chǔ)存，使用前需將低溫LNG氣化為常溫天然氣(naturul gas at normal temperatwre，NG)，氣化過程釋放約830 kJ/kg冷量[2]?，F(xiàn)階段，我國(guó)大型LNG接收站無一例外采用開架式海水氣化器(open rack vaporizer，ORV)將海水作為加熱介質(zhì)，為L(zhǎng)NG的氣化提供熱源，LNG在氣化過程中釋放的大量冷能對(duì)周邊海洋生態(tài)環(huán)境帶來的危害已引起社會(huì)關(guān)注[3]。同時(shí)，天然氣作為達(dá)成我國(guó)“碳達(dá)峰、碳中和”雙碳目標(biāo)的中繼能源，在未來的數(shù)十年內(nèi)具有難以替代的地位。我國(guó)天然氣需求保持增長(zhǎng)勢(shì)頭，目前，國(guó)內(nèi)自產(chǎn)氣和進(jìn)口管道氣供應(yīng)仍無法滿足下游需求，因此只能大幅增加LNG現(xiàn)貨進(jìn)口。2021年，我國(guó)LNG進(jìn)口量約為7893萬t[4]，按50% LNG冷能回收利用計(jì)算，2021年我國(guó)LNG冷能可利用量約80億kWh。如將LNG冷能有效回收并應(yīng)用到相關(guān)工業(yè)領(lǐng)域，能夠達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果，同時(shí)也可以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

自上世紀(jì)90年代，國(guó)外已開始研究LNG氣化冷能回收利用技術(shù)。目前，LNG冷能回收利用形式分為直接利用和間接利用[5]，其中，直接利用包括空氣液化分離、冷能發(fā)電、二氧化碳捕集及干冰制備、冷庫等，間接利用包括低溫粉碎、食品深度冷卻等。按溫度區(qū)間劃分，LNG冷能回收利用方式匯總?cè)绫?所示。

表1 按照溫度區(qū)間劃分冷能利用方式

我國(guó)LNG回收利用研究基本與接收站建設(shè)同步，最早可以追溯至2006年深圳大鵬接收站建設(shè)，但受規(guī)劃等條件限制，我國(guó)沒有立即啟動(dòng)冷能利用項(xiàng)目。其后的福建莆田、浙江寧波、廣東珠海接收站均配套了冷能利用設(shè)備。天津LNG冷能綜合利用示范項(xiàng)目、舟山LNG冷能利用項(xiàng)目已進(jìn)入規(guī)劃階段。

以福建莆田L(fēng)NG接收站為例，周圍相繼建成了莆田燃?xì)怆姀S、冷能利用空分廠和深冷精細(xì)膠粉廠。然而與日本等冷能利用較早的國(guó)家相比，我國(guó)LNG冷能利用起步相對(duì)較晚，利用形式單一，能量利用效率低。

3 冷能利用原理

LNG冷能的利用主要是依靠高壓低溫的LNG在氣化過程中與周圍環(huán)境之間存在的溫度和壓力差回收儲(chǔ)存在LNG中的能量?；鹩梅治鍪窍到y(tǒng)能量分析的一種重要方法[6]，應(yīng)用火用分析可揭示系統(tǒng)內(nèi)能量不可逆損失分布、成因及大小，為合理利用能量提供重要理論指導(dǎo)。LNG的冷量火用ex可分為壓力P下由熱不平衡引起的低溫火用ex，th和環(huán)境溫度T0下由壓差引起的壓力火用ex，p，即：ex(T，P)=ex，th+ex，p

式中cp為天然氣定壓比熱，ρ為天然氣密度，p0為環(huán)境壓力。

根據(jù)LNG冷量火用數(shù)學(xué)模型，諸多因素影響著LNG冷量火用的大小，在不考慮LNG組分情況下，影響LNG冷量火用的因素主要包括環(huán)境溫度T0、系統(tǒng)壓力P、LNG溫度Ts等。當(dāng)溫差一定時(shí)，隨LNG氣化壓力增大，其壓力火用隨之增大，低溫火用降低。當(dāng)系統(tǒng)壓力一定時(shí)，溫差增大，LNG冷量火用隨之增大，當(dāng)環(huán)境溫度不變，氣化壓力恒定時(shí)，低溫火用隨LNG溫度降低而增加，反之隨LNG溫度增加而降低。

現(xiàn)階段，我國(guó)接收站外輸壓力高(7 MPa～10 MPa)，LNG在氣化器中恒壓蒸發(fā)，這造成壓力火用降低。因此如果要提高冷能利用火用效率，需要控制LNG送達(dá)的溫度。

4 冷能利用方式及問題分析

冷能空分、冷能發(fā)電、冷能冷庫是具有代表性的冷能利用方式，下面分別介紹上述三種冷能利用方式，并分析其工業(yè)化現(xiàn)狀及存在的問題。

4.1 冷能空分

冷能空分裝置由空氣過濾壓縮純化系統(tǒng)，冷量供應(yīng)系統(tǒng)，精餾(空分冷箱)系統(tǒng)，乙二醇溶液冷卻系統(tǒng)，低溫儲(chǔ)存系統(tǒng)等組成，其工藝原理如圖1所示。正常生產(chǎn)時(shí)，來自接收站的LNG在冷能空分裝置冷能供應(yīng)系統(tǒng)氣化，為空分裝置提供低溫冷量，當(dāng)LNG溫度高于設(shè)計(jì)溫度時(shí)，低溫火用降低，空分裝置負(fù)荷降低，液氮產(chǎn)量降低。

冷能空分技術(shù)冷能利用效率高，但受制于工藝流程長(zhǎng)，該方法對(duì)LNG連續(xù)性供應(yīng)要求高，現(xiàn)階段，我國(guó)已投產(chǎn)的5套冷能空分項(xiàng)目均飽受LNG供應(yīng)連續(xù)性不足的困擾[7]。然而，目前的能源結(jié)構(gòu)和天然氣格局下，我國(guó)LNG接收站的調(diào)峰作用決定了冷能供應(yīng)不連續(xù)、不穩(wěn)定，而輸氣管網(wǎng)長(zhǎng)、輸氣壓力高，則影響了LNG冷能的品質(zhì)。

4.2 冷能發(fā)電

冷能發(fā)電是LNG冷能直接利用的一種可行方式，主要有利用LNG壓力火用的直接膨脹法、LNG低溫火用的中間冷媒朗肯循環(huán)法、以及綜合兩種技術(shù)的聯(lián)合法[8]達(dá)到冷能發(fā)電的目的。其中，聯(lián)合法工藝流程相對(duì)簡(jiǎn)單，具有性能穩(wěn)定，效率高的優(yōu)勢(shì)，其工藝原理如圖2所示。LNG首先被壓縮提高壓力，然后通過冷凝器將冷量傳遞給低溫朗肯循系統(tǒng)，帶動(dòng)二次冷媒循環(huán)對(duì)外做功。經(jīng)過一次換熱后的LNG再通過海水或其他熱源復(fù)溫，進(jìn)入氣體透平膨脹做功，最后經(jīng)海水復(fù)溫外輸，每噸LNG發(fā)電量可維持在45.0 kWh。

冷能發(fā)電工藝流程簡(jiǎn)單，與冷能空分相比冷能發(fā)電不受原料限制，無產(chǎn)品銷售壓力，產(chǎn)生的電可就地供應(yīng)接收站使用。但冷能發(fā)電產(chǎn)生的電力單位成本較高，項(xiàng)目財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率仍是冷能發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用需要面臨的問題?，F(xiàn)階段，浙江LNG接收站冷能發(fā)電已完成項(xiàng)目前期工作，項(xiàng)目采用并網(wǎng)不上網(wǎng)的模式，項(xiàng)目建成后發(fā)電能力在2 MW～5 MW，預(yù)計(jì)2023年項(xiàng)目試運(yùn)行。

4.3 冷能倉庫

根據(jù)儲(chǔ)存溫度，一般將冷庫劃分為深冷區(qū)、冷凍區(qū)、冷藏區(qū)，LNG逆流與冷媒換熱，將冷量傳遞給冷媒。低溫冷媒在冷凝器內(nèi)吸收熱量，再把冷量傳遞給冷庫，冷媒利用高差流入循環(huán)貯液器內(nèi)，利用循環(huán)泵將冷媒送到換熱器內(nèi)再次與LNG換熱，從而完成制冷循環(huán)[9]，具體見圖3。

圖3 冷庫制冷原理圖

冷庫制冷工藝流程簡(jiǎn)單，一般該類型冷庫配備備用制冷系統(tǒng)，因此該技術(shù)受LNG連續(xù)性影響較小。與冷能空分、冷能發(fā)電技術(shù)相比，冷能冷庫利用火用效率低，同時(shí)新建冷庫受接收站地域限制，冷庫要考慮到周圍貨物吞吐量及交通、碼頭等硬件設(shè)施，因此冷能冷庫目前在國(guó)內(nèi)處于研發(fā)推廣階段，尚未有大型使用案例。

5 思考與建議

針對(duì)以上問題，從LNG冷能利用產(chǎn)業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展考慮，有如下的一些思考與建議。

5.1 完善冷能空分技術(shù)

在我國(guó)，冷能空分是目前最具競(jìng)爭(zhēng)力的冷能利用技術(shù)，其液態(tài)空分產(chǎn)品單位電耗是相同規(guī)格常規(guī)空分電耗的50%，同時(shí)冷能空分裝置不消耗冷卻水[10]。從現(xiàn)階段已投運(yùn)的空分裝置來看，冷能空分技術(shù)仍有優(yōu)化的空間。項(xiàng)目前期階段，優(yōu)化冷能空分設(shè)計(jì)條件及工藝流程，提高裝置操作彈性及操作便捷性，提高后續(xù)裝置開機(jī)率和產(chǎn)品產(chǎn)量。項(xiàng)目準(zhǔn)備階段，可結(jié)合國(guó)內(nèi)裝備建造水平，在保證安全、穩(wěn)定前提下尋求高壓板翅換熱器、壓縮機(jī)國(guó)產(chǎn)化，進(jìn)一步提高裝置經(jīng)濟(jì)效益。

5.2 加強(qiáng)政策引導(dǎo)

近年來，業(yè)界就LNG冷能回收利用已經(jīng)達(dá)成共識(shí)，但在接收站規(guī)劃、建設(shè)階段，LNG冷能利用項(xiàng)目工作依然存在不足，例如，在投產(chǎn)初期，LNG氣化量不穩(wěn)定，接收站氣化設(shè)備與下游管網(wǎng)和冷能利用項(xiàng)目需求之間的匹配性較差，這對(duì)冷能利用項(xiàng)目為落地落實(shí)有一定影響。要想較好地解決這些問題，必須把冷能利用的調(diào)研和規(guī)劃提前，與LNG接收站項(xiàng)目建設(shè)規(guī)劃同步進(jìn)行，從園區(qū)規(guī)劃、項(xiàng)目用地、預(yù)留發(fā)展空間、配套設(shè)施等方面全面考慮。

5.3 增強(qiáng)技術(shù)研發(fā)

冷能空分因其良好的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)保效益成為冷能利用項(xiàng)目的首選，這也造成我國(guó)LNG冷能利用方式單一，缺乏其它技術(shù)的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。LNG冷能發(fā)電、冷能制冰、冷能冷庫等目前國(guó)內(nèi)在技術(shù)研究方面也有所突破，有望向工業(yè)化應(yīng)用上轉(zhuǎn)化。期待各高校、研究所加強(qiáng)合作交流加速冷能利用技術(shù)的研究，結(jié)合新建LNG接收站提前做好規(guī)劃，推動(dòng)我國(guó)LNG 冷能利用的廣泛應(yīng)用。