LNG接收站冷能三段式梯級利用路線的研究

上海能源建設工程設計研究有限公司 吳柳鳳 章潤遠

上海液化天然氣有限責任公司 鐘君兒

傳統(tǒng)LNG接收站內(nèi)，一般用海水作為熱媒或用浸沒燃燒天然氣產(chǎn)生的熱量來氣化LNG，LNG氣化過程中會釋放出830～860 kJ/kg 的冷能。傳統(tǒng)LNG 氣化方式中未對氣化所釋放的冷能加以利用，導致的不良影響有兩種：一是海水換熱后溫度下降5 K 左右，會對附近海域產(chǎn)生冷污染的負面影響；二是燃燒天然氣(以下簡稱NG)會導致優(yōu)質(zhì)燃料的損失和廢氣排放。

本文為上海市科技創(chuàng)新行動計劃項目——“上海LNG 冷能高效綜合利用關鍵技術和工程化方案研究”的成果，項目編號：20dz1205800。

1 LNG 冷能特性

冷能利用的方式有直接和間接兩種。冷能直接利用包括空氣分離、冷能發(fā)電、冷凍倉庫、制冰、制干冰或液態(tài)二氧化碳、海水淡化、冰雪世界、空調(diào)、低溫養(yǎng)殖等；冷能間接利用包括低溫粉碎、低溫干燥、污水處理等。受條件限制，LNG 冷能不可能全部轉(zhuǎn)化利用，通常利用效率約為20%。

LNG 中蘊含的冷能從溫度場來考慮，主要分成3 個溫度段：超深冷(＜－100 ℃)、深冷(－40～－100 ℃)和常規(guī)冷能(＞－40 ℃)，LNG 各溫度區(qū)間蘊含的冷能見表1。

表1 LNG 蘊含冷能分布

從表1 可以看出，LNG 所蘊含的冷能主要集中在超深冷段，特別是LNG 氣化時釋放的冷能，在LNG 梯級利用時如何有效化的利用這一段冷能將會對LNG 整體冷能利用起到高效作用。LNG 冷能在不同溫度區(qū)間有其獨特的冷能應用方式，應實現(xiàn)梯級利用。不同的項目配置，冷能利用成效差別很大。僅考慮單一要素，如成本效益或市場需求等，將可能使冷能利用只局限于特定的項目而造成冷能利用效率偏低。另外，如果不結(jié)合LNG接收站周邊的產(chǎn)業(yè)特點及相關政策，將會使選擇的利用方案偏離規(guī)劃而缺乏經(jīng)濟性，不利于冷能綜合利用。

目前國內(nèi)因工藝路線的不匹配或者利用冷區(qū)重疊，LNG 冷能往往在一次換熱中就消耗了大部分能量，限制了后續(xù)冷能利用。針對以上弊端，本文重點研究冷能梯級利用各溫區(qū)的特點，解決如何提高LNG 冷能利用效率的難題，即將其匹配進各個溫度區(qū)段，根據(jù)每個區(qū)段的特點進行重點利用。

2 LNG 冷能三段式梯級利用工藝路線

LNG 冷能三段式梯級利用中最核心的部分是分區(qū)段溫度利用的匹配性。與傳統(tǒng)的氣化供冷相比，每一個利用區(qū)段都能減少LNG接收站的運行能耗。本文研究的三段式梯級利用工藝路線，參考上海洋山LNG接收站的全年運行參數(shù)，針對LNG從儲罐到氣化時釋放的所有冷能，將其分為3 個區(qū)段，結(jié)合LNG 自身的冷能梯級利用特點和用冷項目的工藝條件，盡可能達到全系統(tǒng)的梯級高效利用。三段式梯級利用工藝路線，如圖1所示。

圖1 三段式梯級利用工藝路線

圖1 中，1 號LNG 儲罐內(nèi)置2 號低壓潛液泵，低壓潛液泵出口的LNG 管線分兩路運行，一路通過5 號閥門控制，另一路通過7 號閥門控制。同時1 號儲罐頂部出口BOG 送至3 號BOG 壓縮機增壓，經(jīng)過4 號BOG 管線后和經(jīng)過5 號閥門的LNG 在6號BOG 再凝器內(nèi)換熱。6 號BOG 再凝器出口的LNG 和經(jīng)過7 號閥門的LNG 匯合后進入8 號高壓潛液泵。8 號高壓潛液泵出口的LNG 經(jīng)過14 號中間介質(zhì)換熱器后變成NG 到15 號閥門，接著進入16 號常溫NG 加熱器，通過18 號閥門后進入外輸系統(tǒng)。在LNG 氣化段14 號中間介質(zhì)換熱器串聯(lián)著10 號控制閥，11 號循環(huán)泵，12 號冷能發(fā)電加熱器以及13 號透平發(fā)電機組。這些設備組成了冷能發(fā)電裝置最重要的朗肯循環(huán)系統(tǒng)。在NG 加熱段，16號加熱器的熱源由17 號空調(diào)系統(tǒng)的水冷裝置提供。

3 LNG 三段式冷能利用技術

本研究結(jié)合LNG接收站的運行特點和LNG 氣化的三個不同階段(LNG 深冷段、LNG 氣化段及NG加熱段)研究出一種高效冷能利用路線。LNG 的主要成分為甲烷，LNG 貧富液的物性差異較大，下文中涉及的LNG 物性參數(shù)均為純甲烷的數(shù)據(jù)。

3.1 LNG 深冷段

LNG 深冷段中，儲罐內(nèi)LNG 經(jīng)罐內(nèi)低壓潛液泵增壓后通過BOG 再凝器釋放此部分優(yōu)質(zhì)冷能。

LNG 在1 號儲罐中處于常壓狀態(tài)，此時LNG的溫度為－160 ℃左右。通過LNG 儲罐內(nèi)的2 號LNG 低壓潛液泵增壓至1.26 MPa 后輸出LNG 儲罐，該壓力下的甲烷飽和溫度為－115 ℃，因此增壓后的LNG 仍為過冷液(即液體溫度低于飽和氣化溫度)。1 號儲罐在日常運行過程中，由于外部環(huán)境的熱量輸入，儲罐通常每日有0.05%的LNG 氣化率。氣化的BOG 通過3 號BOG 壓縮機對外輸出，BOG 輸出壓力為0.82 MPa，經(jīng)過壓縮機后BOG 溫度一般為－60 ℃～－90 ℃。LNG 過冷液和增壓后的BOG 在6 號BOG 再凝器中進行熱量交換，BOG將被冷卻并液化成LNG，而LNG 則被加熱至－135 ℃進入8 號高壓潛液泵，此時的LNG 還處于過冷狀態(tài)。

一般情況下LNG 的外輸量要遠大于儲罐內(nèi)的BOG 量，在DCS 控制系統(tǒng)中通過計算BOG 壓縮機出口流量來控制5 號調(diào)節(jié)閥開度，調(diào)節(jié)進入6 號BOG 再凝器的LNG 流量，確保在BOG 能液化的前提下LNG 不會過多流入BOG 再凝器而造成漏熱損失。

3.2 LNG 氣化段

LNG 氣化段中，先將－135 ℃的LNG 通過罐外8 號高壓潛液泵進行增壓，增壓后的LNG 進入LNG 氣化段工藝(即朗肯循環(huán)系統(tǒng))。與氣化器中的氣態(tài)丙烷進行換熱，LNG 氣化為NG 后進入下一個工藝階段，而丙烷在氣化器中被液化。

經(jīng)過深冷段加熱的LNG 通過8 號高壓潛液泵增壓至6.3 MPa，然后進入冷能發(fā)電裝置。冷能發(fā)電裝置采用朗肯循環(huán)工藝。在冷能發(fā)電裝置中，LNG 和氣態(tài)的中間循環(huán)介質(zhì)丙烷進行熱交換，LNG釋放冷能，自身氣化升溫為－50 ℃左右的NG。在這個過程中介質(zhì)將經(jīng)歷三次狀態(tài)變化，即LNG 升溫至－115 ℃的飽和狀態(tài)、－115 ℃的LNG 釋放汽化潛熱變成同溫度NG 的相態(tài)變化、NG 升溫至－50 ℃的過熱狀態(tài)。整個過程中，LNG 的流量通過9 號流量控制閥進行控制，并以15 號閥門作為超溫等緊急情況下的切斷閥門。朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)通過10 號閥門來匹配LNG 的流量，并控制出口NG 的溫度及中間循環(huán)系統(tǒng)的液化、機械功輸入等循環(huán)要求。

3.3 NG 加熱段

NG 加熱段冷能利用主要為水冷循環(huán)系統(tǒng)，通過水循環(huán)系統(tǒng)與低溫NG 進行換熱，將－50 ℃的NG 升溫至1 ℃，空調(diào)水循環(huán)系統(tǒng)則在此處進行5～6 K 的溫降至12 ℃。

NG 通過氣相升溫釋放冷能。通常在換熱器中氣液換熱的效率要遠高于氣氣換熱，為了將這一部分NG 冷能充分利用起來，采用較為溫和的循環(huán)水作為換熱介質(zhì)。循環(huán)水與NG 換熱后溫度降低，一方面降溫后的循環(huán)水經(jīng)過機房水冷系統(tǒng)給外部供冷，另一方面循環(huán)降溫過程中起到了給NG 加熱的作用。NG 加熱段不設流量控制系統(tǒng)，而是通過循環(huán)水的溫度變化進行系統(tǒng)調(diào)節(jié)。為防止16 號氣化器中的空調(diào)循環(huán)水凍結(jié)，循環(huán)水量會適當過量，水溫的溫降控制在10 K 以內(nèi)。如果發(fā)現(xiàn)溫降過大則直接通過NG 出口的18 號緊急切斷閥直接切斷NG的流量，確保裝置的正常運行。NG 加熱段會使NG溫度升至1 ℃以上。

3.4 三段式LNG 放熱量計算

物體在傳熱過程中放熱量Q放的計算公式，如式(1)所示。

式中：C——比熱，J/(kg·K)；

m——質(zhì)量，kg；

△T——溫度變化，K。

純物質(zhì)的汽化潛熱Q潛的計算，如式(2)所示。

式中：r——汽化熱，J/kg。

按純甲烷計算，甲烷的汽化潛熱為506 kJ/kg，液相平均比熱容為2.7 kJ/(kg·K )，氣相平均比熱容為2 kJ/(kg·K )。

以上三個工段的冷能計算結(jié)果見表2。

表2 三段式冷能利用過程冷能計算

從表2 的計算結(jié)果可以看出，LNG 深冷段為LNG接收站常用的BOG 冷凝工藝，技術成熟，該工段可利用的冷能占釋放總量的8%；LNG 氣化段釋放的冷能占比為80%(三段中最高)，這部分冷量利用后的副產(chǎn)物為電能，可供廠區(qū)自用或并入電網(wǎng)；NG 加熱段中釋放的冷能占比為12%，這部分低品位的冷能較少被利用，通常隨著海水排入海洋，會導致局部低溫，從而影響海洋生態(tài)。

綜合上述，通過三段式冷能利用，LNG 蘊含的冷能被應用于不同領域，如再冷凝系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)等。這種技術可以有效提高能源利用效率，減少能源浪費，對環(huán)境產(chǎn)生相對較小的影響，因此在可持續(xù)發(fā)展和節(jié)能減排方面具有重要的應用潛力。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)LNG接收站中，在第一階段(LNG 深冷段)就將大部分冷能進行利用，導致后續(xù)冷能利用方式受限，冷能利用率通常為40%～50%，而冷能三段式梯級利用路線可將LNG 的冷能綜合利用率提高至100%。三段式梯級利用冷能也對LNG接收站有著非常大的環(huán)境效益。在三段式利用路線中，增加了綠色電能，減少了CO2的排放，緩解了局部海域的冷污染問題，降低了水冷系統(tǒng)的電能，整體可以降低接收站的運營成本，是一種綠色高效的冷能利用路線。對LNG接收站而言，降低自身運營的能耗有利于項目啟動和投產(chǎn)。