液化天然氣冷能利用方案對(duì)比研究

賈豪杰 張國(guó)中 董伍強(qiáng) 孫麗婷 張蓬菲

海洋石油工程股份有限公司 天津 300452

1 概述

液化天然氣（LNG）蘊(yùn)含的-162℃的高品位冷能用途非常廣泛，可以用于冷能空分、冷能發(fā)電、制取液態(tài)CO2、低溫干燥與粉碎等。其中，冷能發(fā)電具有技術(shù)最成熟和產(chǎn)業(yè)鏈最短等優(yōu)點(diǎn)，是目前LNG冷能利用項(xiàng)目中最有推廣前途的冷能利用方式。

我國(guó)第一座LNG接收站始于2006年，LNG大規(guī)模開發(fā)使用的時(shí)間相對(duì)較晚，因此LNG冷能利用的研究晚于日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，但隨著我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，我國(guó)的LNG需求量也逐年攀升，冷能利用也得到了重視。

2 LNG 冷能利用方法

2.1 空氣分離

空氣分離的過程是首先使氣體進(jìn)入過濾裝置，而后加壓、預(yù)冷、冷卻使氣體液化。再利用氮氧之間差異的沸點(diǎn)，使液態(tài)空氣在精餾塔內(nèi)經(jīng)過多次蒸發(fā)和冷凝，最后得到提純后的液氧和液氮。目前我國(guó)已經(jīng)建成的冷能利用項(xiàng)目以冷能空分為主[1]。

LNG冷能用于空氣分離，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的精簡(jiǎn)，如省去了透平膨脹機(jī)和氟利昂制冷機(jī)組等，實(shí)現(xiàn)了裝置小型化，電耗、水耗大大降低，降低了液氮、液氧的生產(chǎn)成本。但冷能空分工藝流程長(zhǎng)，如圖1所示，對(duì)LNG供應(yīng)的連續(xù)性以及穩(wěn)定性要求較高。而我國(guó)LNG接收站主要承擔(dān)調(diào)峰作用，LNG流量波動(dòng)大，穩(wěn)定供應(yīng)難以實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)致我國(guó)目前投產(chǎn)的冷能空分項(xiàng)目均受到LNG連續(xù)性不足的影響，同時(shí)1套冷能空分項(xiàng)目投資約3億元人民幣，但是利用的LNG只有50t/h，因此冷能空分并不是LNG冷能利用的最佳選擇[2]。

圖1 冷能空分流程圖

2.2 冷能發(fā)電

日本是世界上最早開發(fā)使用LNG冷能的國(guó)家，約占全球50%的冷能利用份額，其中冷能發(fā)電占60%左右，是日本冷能利用的最主要的方式。我國(guó)冷能發(fā)電項(xiàng)目目前還是在在建段，未實(shí)際投入使用，國(guó)內(nèi)接收站LNG氣化后進(jìn)入主管網(wǎng)壓力較高，因此規(guī)劃建設(shè)主要采用低溫朗肯循環(huán)進(jìn)行發(fā)電[3]，原理如圖2所示。

圖2 LNG朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)原理圖

基于熱力學(xué)第二定律（公式1）可以計(jì)算出高溫蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電和LNG朗肯循環(huán)發(fā)電的理論效率分別在61.3%和61.7%，實(shí)際發(fā)電效率均可達(dá)到30%左右，兩者的區(qū)別在于冷源和熱源的不同。熱力學(xué)第二定律：

式中：η—表示發(fā)電效率，

T1—表示高溫?zé)嵩矗?/p>

T2—表示低溫?zé)嵩础?/p>

LNG冷能發(fā)電系統(tǒng)的首要功能是將LNG氣化，然后才是發(fā)電，所以投資回收期計(jì)算方法應(yīng)該納入部分氣化收益，而非單單發(fā)電收益，同時(shí)減排的CO2作為碳交易也是一筆不菲的收入，具體LNG冷能發(fā)電的收益如表1所示。并且冷能發(fā)電裝置的負(fù)荷調(diào)整區(qū)間為60%～100%[4]，靈活性高，相對(duì)其他項(xiàng)目能較好地適應(yīng)LNG流量波動(dòng)的運(yùn)行工況。

表1 LNG冷能發(fā)電收益

以上分析證明LNG接收站利用冷能發(fā)電的技術(shù)是可行的，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，且符合國(guó)家可持續(xù)發(fā)展的原則、國(guó)家碳中和、低碳環(huán)保的政策方針。因此在其他冷能利用配套產(chǎn)業(yè)鏈不夠完善或冷能利用方案不夠成熟時(shí)，可優(yōu)先考慮冷能發(fā)電。冷能發(fā)電對(duì)于打造LNG清潔能源綜合工程項(xiàng)目具有良好帶動(dòng)示范作用和社會(huì)效益[5]。

2.3 冷庫(kù)

將LNG冷能應(yīng)用于冷庫(kù)，通過中間冷媒循環(huán)制冷，省去了制冷機(jī)組等設(shè)備，突破了原有換熱方式瓶頸，降低了能耗和投資，后續(xù)維護(hù)比較方便。由于凍結(jié)庫(kù)（-65℃）、冷凍庫(kù)（-40℃）、冷藏庫(kù)（-22℃）和預(yù)冷庫(kù)（-5℃）所需要的溫度不同，依照一定溫度梯度以串聯(lián)方式連接，可最大化實(shí)現(xiàn)LNG冷能的利用[6]，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化應(yīng)用，如圖3所示。

圖3 冷庫(kù)流程圖

但冷庫(kù)冷藏溫度最低只需-65℃，如果將-162℃的LNG全部應(yīng)用于冷庫(kù)是對(duì)冷能的巨大浪費(fèi)。因此大型LNG接收站冷能應(yīng)用于冷庫(kù)時(shí)對(duì)周圍配套產(chǎn)業(yè)要求較高，如冷物流集散樞紐功能的臨港工業(yè)區(qū)時(shí)才有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[7]。遺憾的是，我國(guó)LNG接收站一般選址較為偏遠(yuǎn)，因此冷庫(kù)項(xiàng)目很難大規(guī)模推廣。

2.4 廠區(qū)空調(diào)

空調(diào)是能耗大戶，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平的提升和生活條件的改善，空調(diào)能耗在城市用電中占比也逐年攀升，高峰期甚至超過30%，如果從建筑物能耗的角度來看，空調(diào)制冷的耗電量更高，可接近60%左右。將LNG冷能用于空調(diào)制冷，不失為一種可行的方案。

如某接收站冷能利用工程部分為夏季空調(diào)制冷提供冷量，主要包括一臺(tái)換熱器設(shè)備，LNG氣化規(guī)模為16.55t/h，氣化后溫度不低于2℃，制冷負(fù)荷為2293.2kW。年運(yùn)行時(shí)間2904h空調(diào)系統(tǒng)循環(huán)水量為473t/h。表2為廠前用冷負(fù)荷參數(shù)，同等制冷效果的設(shè)備所需的功率為944.12kW。

表2 廠前空調(diào)用冷負(fù)荷參數(shù)

此項(xiàng)目中LNG冷能利用可節(jié)省電量274.2萬kW·h，相當(dāng)于866.2t標(biāo)準(zhǔn)煤的發(fā)電量，減排CO2共2221t，運(yùn)行期間氣化LNG的冷能利用率在25%左右。

3 LNG 冷能利用面臨的問題

（1）先有LNG接收站，后有冷能利用項(xiàng)目的開發(fā)模式，導(dǎo)致大多收LNG接收站冷能利用項(xiàng)目都是單一孤立的，能量與能質(zhì)不匹配，沒有實(shí)現(xiàn)“高能高用，低能低用”，冷能效率不高。因此在對(duì)冷能技術(shù)利用的過程中，要對(duì)政府政策和LNG接收站周邊配套設(shè)施進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，制定集成度高、匹配度高和經(jīng)濟(jì)效益高的技術(shù)工藝方案。

（2）LNG接收站的調(diào)峰作用決定了其流量不穩(wěn)定，但冷能利用項(xiàng)目對(duì)LNG流量穩(wěn)定性要求較高，因此LNG冷能利用項(xiàng)目可用的最大流量不能超過供氣負(fù)荷低谷值，導(dǎo)致大量的LNG冷能被浪費(fèi)。

4 提高LNG 冷能利用率的方法

對(duì)于LNG冷能階梯利用，國(guó)內(nèi)外已有很多學(xué)者進(jìn)行研究，大部分是從理論上分析了梯級(jí)利用方案減少損失，達(dá)到實(shí)現(xiàn)能量與能質(zhì)的最佳匹配的目的。如將LNG依次經(jīng)過空分、干冰制取、低溫冷庫(kù)等冷能利用裝置，氣化加熱至接近供氣溫度。由于三級(jí)利用裝置的工作溫度逐級(jí)升高，使每一級(jí)的換熱溫差都比較小，減小了換熱過程的損失。

但目前已有的理論研究?jī)H僅解決了“溫度對(duì)口，階梯利用”，對(duì)于LNG調(diào)峰流量波動(dòng)導(dǎo)致大量冷能被浪費(fèi)的問題鮮有研究。如何解決LNG流量波動(dòng)造成冷能項(xiàng)目不能穩(wěn)定運(yùn)行是提高冷能利用效率的重點(diǎn)?；谝陨蠁栴}，提出一種新型的蓄冷方案，如圖4所示，將高于全年最低小時(shí)氣化量的LNG通過蓄冷裝置將冷能儲(chǔ)存起來，然后均勻穩(wěn)定地供給各個(gè)冷能利用項(xiàng)目。此方案中，LNG蓄冷裝置起到類似穩(wěn)壓器的作用，通過削峰填谷的方式實(shí)現(xiàn)LNG冷能的均勻釋放，并可以實(shí)現(xiàn)不同比例的冷能分配，LNG接收站的冷能利用率也可以大幅提升。

圖4 新型LNG階梯利用流程圖

5 總結(jié)與展望

截至目前，LNG接收站配套的冷能利用項(xiàng)目仍以單一項(xiàng)目為主，在LNG冷能利用最多的日本也如此，一方面是當(dāng)能源價(jià)格低廉時(shí)，開發(fā)LNG冷能利用項(xiàng)目面臨成本高昂等問題，因此LNG接收站建設(shè)時(shí)并未考慮配套冷能利用項(xiàng)目的建設(shè)，導(dǎo)致后續(xù)開發(fā)冷能利用項(xiàng)目難度大；另一方面LNG冷能利用項(xiàng)目處于陸續(xù)開發(fā)應(yīng)用中及接收站周邊配套是否完善也是限制冷能利用項(xiàng)目落地的原因。

未來幾年，我國(guó)LNG進(jìn)口數(shù)量還會(huì)持續(xù)增加，如何高效利用LNG蘊(yùn)含的高品位冷能創(chuàng)造更高的經(jīng)濟(jì)效益迫在眉睫。后發(fā)優(yōu)勢(shì)是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的LNG冷能回收技術(shù)，符合我國(guó)綠色低碳的發(fā)展國(guó)策，其中具有的現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)意義和戰(zhàn)略意義是不言而喻的。