國內(nèi)LNG冷能綜合利用的制約因素和對策探討

龍玉池,傅皓,蒲弦,朱春早

(中國成達(dá)工程有限公司,四川 成都 610041)

自2006年國內(nèi)第一座LNG接收站廣東大鵬站投產(chǎn)運行以來,我國LNG行業(yè)迎來井噴式發(fā)展,僅僅數(shù)十年就一躍成為全球第一大LNG進(jìn)口國。根據(jù)海關(guān)總署最新公布數(shù)據(jù)顯示,2022年進(jìn)口LNG量達(dá)6 344.2萬t;截至2022年底,我國已投產(chǎn)接收站24座。預(yù)計到2030年,國內(nèi)LNG接收站將達(dá)到47座,年接收能力達(dá)到2.35億t。

理論上LNG氣化外輸中釋放的冷能約830 kJ/kg[1](相當(dāng)于240 kWh/t LNG),以2022年全年LNG進(jìn)口量來算,可利用的冷能可達(dá)152 億kWh。若能進(jìn)行部分甚至完全利用該過程產(chǎn)生的冷能,其經(jīng)濟效益和社會價值都是不可限量的。經(jīng)初步測算,我國當(dāng)前LNG接收站的冷能利用項目整體規(guī)模僅約500萬t,遠(yuǎn)低于日韓國家20%～30%%的冷能利用水平[2]。因此,分析當(dāng)前冷能利用發(fā)展制約因素,探討對策可行性實施路徑,加快開展LNG冷能綜合利用的技術(shù)開發(fā)和工程落地,對實現(xiàn)國家“碳達(dá)峰,碳中和”目標(biāo)具有重大意義。

1 國內(nèi)LNG冷能綜合利用現(xiàn)狀

1.1 LNG冷能綜合利用概述

LNG 的冷能溫度范圍廣,可以在很廣泛的領(lǐng)域應(yīng)用,從應(yīng)用途徑的角度講,可以分為直接利用和間接利用。

直接利用方式是指直接利用 LNG 的冷能來生產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品或進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn),包括:空氣分離、冷能發(fā)電、LNG 中重組分分離、冷凍倉庫、制造液體二氧化碳和干冰、LNG 冷藏汽車、海水淡化、蓄冷裝置、民用冰雪娛樂設(shè)施、空調(diào)制冷、低溫養(yǎng)殖和栽培等。

間接利用方式是對直接利用 LNG 冷能生產(chǎn)的工業(yè)產(chǎn)品二次利用方式,主要是空分裝置生產(chǎn)的液體產(chǎn)品的二次利用,其中:

液氮的應(yīng)用——低溫破碎、集中供冷系統(tǒng)、超導(dǎo)等;

液氬的應(yīng)用——鋼廠、焊接、照明、電子等;

液氧的應(yīng)用——臭氧污水處理、軍工、醫(yī)用、鋼廠、金屬加工等。

除此之外還包括冷凍低溫干燥、食品冷凍保鮮、大容量電纜的冷卻等。

考慮到不同利用方式所需溫度的差異,可對LNG冷能進(jìn)行梯級利用,達(dá)到最佳利用效率。不同LNG冷能利用梯級溫度見表1。

表1 LNG冷能梯級利用

幾種冷能利用方式優(yōu)缺點如表2。

表2 LNG冷能利用項目優(yōu)缺點對比

1.2 國內(nèi)LNG冷能綜合利用現(xiàn)狀

國內(nèi)對LNG冷能綜合利用的研究也基本與大鵬LNG建設(shè)同步開始。最初大鵬 LNG 規(guī)劃建設(shè)“冰雪世界”冷能旅游區(qū)、空氣分離、海水淡化、干冰制造四個項目。但由于市場、生產(chǎn)等原因,大鵬 LNG 的冷能利用項目一直沒有進(jìn)行。

隨后在福建莆田L(fēng)NG完成了國內(nèi)第一套LNG冷能利用裝置的落地。莆田站相繼配套建設(shè)了莆田燃?xì)怆姀S、冷能空分廠和深冷精細(xì)膠粉廠。后續(xù)國內(nèi)其他幾個大型LNG接收站也配套了冷能利用項目(見表3)。

表3 國內(nèi)大型LNG接收站已建冷能利用項目

與國外相比,我國冷能利用主要集中在冷能空分,通過十余年的技術(shù)研發(fā)已實現(xiàn)工藝包國產(chǎn)化,經(jīng)濟效益可觀。但總的說來,我國LNG冷能利用形式比較單一,冷火用利用率偏低。雖然深圳燃?xì)?、廣亞鋁業(yè)等企業(yè)也嘗試依托小型LNG衛(wèi)星站的冷能用于低溫凍庫、工藝?yán)鋮s,但都規(guī)模不大,大量LNG冷能被直接換熱給浪費掉。我國實現(xiàn)LNG冷能綜合利用還有很大的發(fā)展空間。

2 LNG冷能綜合利用的制約因素

2.1 接收站匹配運行的制約

LNG接收站根據(jù)氣化外輸負(fù)荷大小,一般分為“基荷外輸”“調(diào)峰外輸”“應(yīng)急外輸”,其中基荷外輸量最小,調(diào)峰外輸次之,應(yīng)急外輸最大。造成這種差異的原因,主要是因為氣化外輸量受氣候及溫度影響呈季節(jié)性變化。我國LNG氣化外輸用戶主要為城鎮(zhèn)燃?xì)饧疤烊粴怆姀S,晝夜用氣峰谷值之比較大,導(dǎo)致去往氣化外輸?shù)睦湓垂?yīng)與冷能釋放呈現(xiàn)出大幅度波動的曲線狀態(tài)或?qū)α顟B(tài),LNG冷能利用裝置無法平穩(wěn)運行。

2.2 LNG介質(zhì)安全性的制約

LNG屬于甲A類火災(zāi)危險介質(zhì),具有刺激性、窒息危險性、低溫凍傷危險性、爆炸火災(zāi)危險性,監(jiān)管機構(gòu)對LNG的使用具有嚴(yán)格限制?；诎踩紤],國內(nèi)高校及科研院所(如華南理工大學(xué)、大連理工大學(xué)、中船711研究所等)對新型冷能綜合利用的研究,大多都還停留在理論計算和模擬分析階段,很難通過自建或依托接收站內(nèi)的LNG來搭建實驗測試平臺。工程化研究LNG冷能利用進(jìn)展緩慢。

考慮到除了LNG冷能空分,其他LNG冷能利用項目在國內(nèi)尚無大型工程應(yīng)用業(yè)績,實際運用安全性和穩(wěn)定性不可控,實際投資回收期可能比預(yù)期更長,因此大多數(shù)企業(yè)決策者都抱著“等等看,再決定”的觀望態(tài)度,并不愿意去為這個新技術(shù)承擔(dān)經(jīng)濟和安全風(fēng)險。

而實際上液化天然氣在蒸發(fā)時,在與空氣混合具有5%到15%的濃度時才會爆炸。液化天然氣或其蒸氣在非密閉環(huán)境下都不會爆炸。與其他烴類物質(zhì)相比,這是液化天然氣的最重要特性之一。因此,只要在規(guī)范下使用,其風(fēng)險是在可控范圍內(nèi)的。

2.3 周邊環(huán)境及規(guī)劃的制約

(1)國內(nèi)大型LNG接收站主要分布于海岸線沿線,適合LNG船靠泊的土地資源稀缺,站內(nèi)LNG冷能利用的規(guī)劃建設(shè)面積有限,也就無法同時兼顧多套冷能裝置的空間容量。這也就限制了接收站冷能裝置的綜合利用水平。

(2)目前初建或遠(yuǎn)期擴建的LNG接收站,大都對LNG冷能綜合利用進(jìn)行了規(guī)劃。但LNG接收站建設(shè)周期一般為2～3 a,考慮到未來冷能利用項目盈利狀況的不確定性,項目在規(guī)劃階段并未將冷能利用方案敲定,冷能利用預(yù)留用地往往與LNG接收站工藝區(qū)分隔開來。很多LNG接收站都是在成功投產(chǎn)盈利后才開始冷能裝置的籌建工作,以提高資金利用率。冷能利用裝置與LNG接收站建設(shè)并不完全同步。

這種發(fā)展模式其實并不利于后期接收站工藝系統(tǒng)與冷能利用系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、管理工作。冷能利用裝置本身就是接收站的一個獨立的工藝單元,應(yīng)該作為一個完整的系統(tǒng)進(jìn)行管理。如對于LNG冷能發(fā)電系統(tǒng),需將發(fā)電系統(tǒng)與LNG接收站氣化系統(tǒng)緊密結(jié)合:工藝上,LNG氣化器作為發(fā)電系統(tǒng)的冷凝器,氣化器的換熱能力不僅直接決定外輸天然氣的溫度,更直接影響了膨脹機的做功能力[3]。

(3)從節(jié)約成本的角度考慮,低溫LNG管道因造價偏高,無法大規(guī)模鋪設(shè)輻射能力有限。因此,LNG接收站冷能利用項目是否能夠成功實施,周邊工業(yè)環(huán)境的配套設(shè)施至關(guān)重要。像二氧化碳液化及制干冰、低溫干燥和粉碎、凍庫這些冷能利用技術(shù),通常要求冷能利用裝置毗鄰物流集散中心和產(chǎn)業(yè)園區(qū),而我國LNG接收站受制于港口、液化烴安全性等限制,選址策略往往與這些裝置的要求相悖,在很大程度上就限制了這些LNG冷能項目的應(yīng)用。對于輕烴分離,則主要取決于LNG訂單貨源地及組分的穩(wěn)定性和持續(xù)性。

(4)目前已建投產(chǎn)的冷能利用項目大部分都是單體式LNG冷能裝置,與“綜合利用”“梯級利用”還相去甚遠(yuǎn)。單個冷能裝置,如直接用于制冰或低溫冷庫,使得-160 ℃高品位的冷能被降質(zhì)利用,冷能利用火用效率較低[6]。若考慮綜合利用,需要針對下游冷能產(chǎn)業(yè)鏈不同用戶提供不同的溫度,這對冷能利用裝置乃至整個接收站的運行,都是個巨大的挑戰(zhàn)。

2.4 國內(nèi)技術(shù)發(fā)展的制約

對于國內(nèi)已經(jīng)比較成熟的冷能空分,若考慮繼續(xù)用產(chǎn)品液氮進(jìn)行冷能利用,實現(xiàn)LNG冷能梯級利用,雖然從工藝角度來說是安全的、可實現(xiàn)的,但是需要考慮流程過長引起的中間能量損耗,往往不具備經(jīng)濟性。

對于其他冷能項目如冷能發(fā)電,在國際上已經(jīng)是成熟可靠的技術(shù),但由于國內(nèi)起步晚,應(yīng)用技術(shù)相對不成熟,只能通過引進(jìn)國外工藝包,一次投資較高。同時,接收站冷能發(fā)電裝置一般采用“并網(wǎng)不上網(wǎng)”模式,發(fā)電產(chǎn)出既要保證自產(chǎn)自銷不過剩,還要考慮地區(qū)電網(wǎng)與冷能發(fā)配電負(fù)荷協(xié)調(diào)問題;在LNG接收站全年用氣波動、熱媒溫度季節(jié)性變化等復(fù)雜工況下,給接收站實際運營都提出了更高的技術(shù)要求。有些技術(shù)方案認(rèn)為,將LNG接收站幾種常見的LNG氣化器,如ORV(開架式氣化器)、SCV(浸沒燃燒式氣化器)和IFV(中間介質(zhì)氣化器)經(jīng)過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)改造,并匹配相應(yīng)容量的燃機發(fā)電系統(tǒng)或透平發(fā)電系統(tǒng)。但實際改造絕非易事,就以SCV改造為例來說,通過燃機燃燒發(fā)電供接收站使用,煙氣尾氣作為改造SCV熱源氣化LNG,困難主要體現(xiàn)在:(1)SCV本身屬于高能耗設(shè)備,若全年運行經(jīng)濟性極差,僅考慮冬季使用又會增大投資回收期;(2)燃機煙氣需嚴(yán)格控制氮氧含量以滿足環(huán)保要求,對燃機性能及燃燒控制系統(tǒng)考驗極大;(3)改造SCV自身控制系統(tǒng)需要重新設(shè)計等。

目前國內(nèi)幾個比較主流的冷能利用方向,建設(shè)一套600 t/d的冷能空分裝置投資約為3億元人民幣;建設(shè)一套40萬t/a的冷能輕烴分離裝置投資約7.0億元人民幣;建設(shè)一套4.1 MW裝機容量的進(jìn)口冷能發(fā)電系統(tǒng),投資約1.8億元人民幣,動態(tài)投資回收期約9 a[4]。在近期沒有國家相關(guān)節(jié)能減排的明確鼓勵(補償)前,國內(nèi)LNG接收站建設(shè)冷能綜合利用項目需充分做好市場調(diào)研,防止出現(xiàn)經(jīng)濟性不特別理想,產(chǎn)品價格沒有競爭力的局面。

3 LNG冷能綜合利用的對策探討

3.1 做大儲氣規(guī)模,優(yōu)化運營規(guī)則

針對當(dāng)前LNG冷能綜合利用裝置與接收站供冷匹配性問題,建設(shè)主體可以在前期天然氣輸配系統(tǒng)中規(guī)劃建設(shè)足夠規(guī)模的儲氣設(shè)施(如利用管網(wǎng)的儲氣調(diào)節(jié)能力),以便在建成后充分使用智慧調(diào)度手段,高效預(yù)判LNG負(fù)荷的峰谷變化,并提前調(diào)節(jié)外輸系統(tǒng)的LNG供應(yīng),通過“削峰填谷”,平滑冷能供應(yīng)波動曲線,進(jìn)而達(dá)到LNG冷能平穩(wěn)輸出的目的,同時也保障了城市燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)的穩(wěn)定運行。這一舉措也符合2020年4月國家發(fā)改委等五部門在《關(guān)于加快推進(jìn)天然氣儲備能力建設(shè)的實施意見》中“鼓勵現(xiàn)有LNG接收站擴大儲罐規(guī)模,鼓勵城市群合建共用儲氣設(shè)施,形成區(qū)域性儲氣調(diào)峰中心”的政策方針。

同時,受地緣政治疊加極端惡劣天氣等多重因素影響,近年來國際天然氣價格劇烈波動,這種情況在未來還將繼續(xù)惡化,并持續(xù)影響著LNG冷能利用項目技經(jīng)評價的準(zhǔn)確性。而我國LNG接收站主要以國家管網(wǎng)及三桶油等國有企業(yè)作為建設(shè)主體,承擔(dān)著國家“天然氣保供、保價”能源安全的使命,強化儲氣能力也是強化國家能源安全的手段之一。LNG接收站可實行“淡季多儲、旺季少買”的經(jīng)營策略,采取長協(xié)手段鎖定價格,實現(xiàn)整體降本增效,穩(wěn)定企業(yè)經(jīng)營條件。穩(wěn)定優(yōu)價的LNG來源是保障冷能利用項目效率效益的重要因素。

3.2 統(tǒng)籌區(qū)域建設(shè),協(xié)同多元服務(wù)

在進(jìn)行LNG冷能利用規(guī)劃時,需嚴(yán)格服從接收站所在地的發(fā)展定位和產(chǎn)業(yè)布局。LNG冷能技術(shù)不斷迭代發(fā)展,無論采用何種工藝,不同利用形式都具有相對應(yīng)的供給側(cè)(資源)、產(chǎn)業(yè)、交通運輸和營銷環(huán)境等各要素,從而形成一條完整的上下游產(chǎn)業(yè)鏈。各要素環(huán)環(huán)相扣,關(guān)系密切。一個LNG冷能利用項目的順利實施,不僅取決于技術(shù)方案,還取決于周邊環(huán)境、土地資源、規(guī)劃布局、政策支持等一系列宏觀條件,以及整個冷能項目產(chǎn)業(yè)鏈全方位全要素的綜合評價。因此,每座LNG接收站在探索利于自身經(jīng)濟效益的冷能利用方式時,應(yīng)從大局出發(fā),以貫通全產(chǎn)業(yè)鏈的思維來進(jìn)行頂層設(shè)計。

同時,為確保冷能綜合利用順利落地,建設(shè)方應(yīng)積極協(xié)調(diào)配合多方工作:(1)在報批報建時由政府統(tǒng)一規(guī)劃,實現(xiàn)LNG接收站建設(shè)主體多元化,如接收站聯(lián)合超算中心;接收站聯(lián)合儲能站(充電站);接收站與加注站、冷鏈物流融合等,依托聯(lián)合單位建立穩(wěn)定的合作關(guān)系,向用戶提供更加完善的服務(wù)。(2)市場調(diào)研完成后,需要進(jìn)行LNG接收站及配套LNG冷能綜合利用產(chǎn)業(yè)的規(guī)劃選址。建設(shè)方人員應(yīng)盡早介入城市區(qū)域規(guī)劃方案編制之中,明確需要、統(tǒng)籌兼顧,按照各方訴求確定相對合理的規(guī)劃布局。

進(jìn)一步地,LNG冷能綜合利用項目與接收站同步規(guī)劃、同步設(shè)計、同步建設(shè)、同步投產(chǎn)使用,保證接收站本體與冷能利用裝置的聯(lián)動生產(chǎn)。創(chuàng)新經(jīng)營模式,根據(jù)自身管理水平,合理選擇自營、代管或租賃的模式來運行冷能利用項目。

3.3 引進(jìn)成熟工藝,推動技術(shù)革新

如前所述,我國目前有大量的優(yōu)質(zhì)LNG冷能等待著去開發(fā)利用。我國LNG接收站關(guān)鍵工藝設(shè)備已基本實現(xiàn)國產(chǎn)化,在當(dāng)前國外經(jīng)常對我國技術(shù)“卡脖子”、核心設(shè)備產(chǎn)品昂貴的特殊時期,建議在發(fā)展LNG冷能綜合利用的同時也為設(shè)備國產(chǎn)化提供更多的發(fā)展空間?？刹捎谩耙M(jìn)——消化——再轉(zhuǎn)化”三步走戰(zhàn)略,大力引進(jìn)國外先進(jìn)冷能利用工藝包,充分吸收技術(shù)理念。先“摸著石頭過河”,“小步實驗”;待充分論證、消化并逐漸成熟,再快速完成規(guī)?；凸I(yè)化;進(jìn)一步地,依托國產(chǎn)化設(shè)備開展全套技術(shù)國產(chǎn)化研究。只有這樣,才可能大幅度降低核心設(shè)備的初期投資,并有效縮短動態(tài)投資回收期。如對于冷能發(fā)電,上海洋山LNG和浙江寧波LNG已分別于2021年9月、2022年8月正式開工建設(shè),發(fā)電規(guī)模分別為3.4,3.0 MW,并同步開展設(shè)備與技術(shù)國產(chǎn)化研究工作。

3.4 堅持因地制宜,實現(xiàn)梯級利用

對于不同地區(qū)的LNG接收站,應(yīng)堅持因地制宜,實行“一站一策”,形成個性化方案:如對于輻射半徑100～300 km空分產(chǎn)品銷售良好的接收站,可優(yōu)先考慮冷能空分項目;對于LNG貨源長期為富液,可依托周邊煉化基地的接收站可優(yōu)先考慮輕烴分離。在此基礎(chǔ)上,考慮LNG冷能綜合利用方案的可行性;按照“梯級利用”“綜合利用”的思路選擇合適的冷能項目作為方案補充,形成以LNG冷能利用為中心的多產(chǎn)業(yè)集群。

在滿足設(shè)計總體要求和功能定位的前提下,重點對工藝流程、設(shè)備設(shè)計、工況參數(shù)等方面的技術(shù)經(jīng)濟進(jìn)行比選優(yōu)化。LNG冷能項目與接收站之間設(shè)計界區(qū)條件的完整準(zhǔn)確性是基礎(chǔ),需要時刻注意動態(tài)變化的不確定性;針對不同項目特點因地制宜,并充分市場調(diào)研,選擇最佳工藝設(shè)備方案。

4 結(jié)論

在“碳達(dá)峰,碳中和”的背景下,合理高效推進(jìn)LNG冷能綜合利用,勢在必行,前景廣闊。目前國內(nèi)冷能利用的研究和規(guī)劃還處于初步階段,與國外發(fā)達(dá)國家相比還有很長一段路要走。雖然近兩年國內(nèi)LNG需求旺盛,但我們也應(yīng)該注意到,未來中國也可能會像全球LNG生產(chǎn)技術(shù)強國日本一樣,出現(xiàn)接收站綜合使用率下降、競爭日益增大的情況(數(shù)據(jù)顯示,日本在運接收站近五年的平均利用率僅在45%左右[5])。立足國家政策引導(dǎo),順應(yīng)LNG行業(yè)發(fā)展趨勢,依托LNG冷能綜合利用,攻關(guān)技術(shù)壁壘,分好LNG行業(yè)這一塊“蛋糕”。