提高LNG接收站的冷能利用效率方法*

陳利瓊孫磊李衛杰許培林

（1.西南石油大學油氣儲運研究所；2.西南石油大學研究生院）

2006年世界LNG(液化天然氣)貿易量增長到1.59×108t，比2005年增長12%[1]。2010年我國進口的LNG總量為600×104t，按現有進口增長速度，到2015年我國將進口2000×104t，2020年進口量還會倍增。

在進口LNG的同時，也進口了大量的冷能，對于如何利用這部分冷能，由于我國對這部分關注較晚，目前還處于起步階段。

1 研究現狀

目前，對LNG冷能利用的方法較成熟的有空氣液化分離、制取液體二氧化碳和干冰、低溫冷庫和深冷發電。空氣分離時可比普通空氣分離方式電能消耗減少50%以上，設備費用減少10%左右，總成本減少20%～30%；制取液體二氧化碳和干冰可使產品純度大幅度提高，電力消耗減少30%～40%；用于低溫冷庫可用于不同溫度要求的冷庫裝置，這樣可以大大提高冷能的利用效率；冷能發電中，將直接膨脹發電和朗肯循環發電結合起來可使冷能利用效率提高到36%。

然而，從LNG冷能本身的利用情況來看，雖然各個孤立的冷能利用工藝已經大大提高了經濟效益，但是LNG冷能的利用效率仍然沒有得到提高，LNG冷能的高能量品位特性沒有得到有效利用。

2 單元利用工藝效率分析

2.1 冷能發電工藝

利用LNG冷能發電工藝是當前情況下應用LNG冷能最普遍與成功的工藝。

2.1.1 直接膨脹方式發電

該方法是首先將LNG用泵加壓到8MPa，然后在蒸發器內與海水進行換熱，換然后變成高壓氣體通過透平膨脹機把壓力能轉化為機械能，再由發電機由機械能轉化為電能，進行發電。該發電方式1tLNG的發電量約為20 kWh[2]，工藝過程簡單，但效率不高，發電功率較小，冷能回收率僅為24%。

2.1.2 郎肯循環法發電

該方法是通過冷媒介質承載LNG的冷能進行整個發電流程的發電方式。由于LNG本身是由不同沸點的物質所組成，所以冷媒應采用混合物質，盡量使LNG的汽化曲線與冷媒的冷凝曲線保持一致，這樣才能使LNG汽化所放出的冷量盡多的被冷媒介質所吸收，而不是釋放到環境中浪費掉，冷能回收率可以達到36%。但是由于冷媒的冷凝曲線與LNG的汽化曲線不可能完全重合，所以造成LNG沸點高于混合工質的冷凝點，這部分LNG所釋放出的熱量就會被散失空氣中，造成浪費。

2.1.3 聯合法發電

該方法的特點是綜合了LNG承載冷能和冷媒承載冷能兩種發電方式，相當于兩個不同的發電系統同時發電，發電終端有兩個發電機同時發電，這樣可以避免郎肯循環發電中因高于冷凝溫度的冷能得不到利用。該發電方式1tLNG的發電量約為45 kWh，冷能回收率通常為36%[3]，綜合造價低，利于環保，其發電工藝見圖1。

圖1 聯合法發電工藝

2.1.4 多級直接膨脹方式發電

利用LNG在直接膨脹方法的基礎上采用多級直接膨脹發電方式。采用該方式進行冷能發電的泵功耗為17 kWh/t，每噸LNG的發電量為126 kWh，發電效率為41.8%，效率為 82.3%。

2.1.5 混合工質循環方式發電

該方法是在郎肯循環發電的基礎上進行改進的，在朗肯循環發電流程中，由于LNG是多組分的復雜混合物，沒有固定的沸點，因此8MPa下LNG的氣化曲線無等溫汽化段。為了高效利用LNG的冷能發電，應當采用分段混合工質，這樣可以使LNG的汽化曲線與對應的各段混合工質的冷凝曲線盡量在相應的溫差條件下走勢相同。但由于混合媒體其本身的多組分原因，各個組分的物性不盡相同，造成了混合工質本身的不穩定性，因此這種方法在實際應用中可操作性較低。

2.2 冷能用于輕烴回收

LNG一般主要由甲烷、乙烷、丙烷、丁烷及少量的戊烷組成。由于輕烴分離利用的溫位為-150～-110℃[4]，因此它不僅成本低而且損失小 ，利用LNG冷能可以使LNG中80%以上的乙烷被提取出。乙烷等重組分可用于制造乙烯等化工產品，為化工行業提供緊缺原料的同時大大降低了化工行業的成本。因此，LNG冷能利用中的輕烴分離工藝是LNG冷能利用中的極為有利的方式。

2.3 液化分離空氣

利用LNG冷能進行空氣液化分離可使生產液化氧氣的電力消耗從1.2 kWh/m3降低到0.5 kWh/m3[5]，電力消耗減少58%，同時可以減少所需場所的建設費用。利用回收的LNG冷能和兩級壓縮式制冷機降低空氣溫度達到冷卻空氣的目的，從而制取液氮、液氧，這種可以使制冷機實現小型化，電力能耗減少50%，水消耗也減少30%，生產成本得到大大的降低。由于LNG冷能用于液化空氣制液氧、液氮、液氬可以節省大量的能量，也很少受到地點條件的限制，而且LNG巨大的冷能可以產出非常大的液體氮量和液體氧量，因此它在LNG冷能利用系統中被認為是最為有效的利用方式。另外，低成本制造的液氮可以使LNG應用的溫度領域擴展到更低的溫度帶(-196℃)[6]，考慮到LNG的溫度為-162℃，則該方法LNG冷能利用的損最小 ，其流程見圖2。

圖2 利用LNG冷能的空氣分離的典型流程

2.4 制取液化CO2及干冰

與傳統的液化CO2及干冰工藝相比，利用LNG冷能的制冷設備的負荷大大降低，電力消耗降低30%～40%。以化工廠所產生的副產品CO2為原料，利用LNG冷能制取液化CO2及干冰，可以降低原料的成本和耗電量，同時所生產的液化CO2及干冰純度高達99.99%。由于-78.15℃為干冰溫度，此溫位與LNG通過空分裝置后的溫位相距較近，因此可以作為冷能梯級利用的第二級，這樣可以降低LNG冷能利用過程中的損失[7]。其系統圖見圖3。

2.5 冷凍倉庫

利用LNG冷能來降低冷庫的溫度，讓中間媒介物質吸收LNG的冷能，降低到一定溫度后進入到冷凍、冷藏庫的冷卻盤管，再通過冷卻盤管釋放冷能，實現冷凍物品的作用。

圖3 利用LNG冷能制取液態二氧化碳和干冰系統圖

由于常用冷庫的溫度只需維持在-50～-65℃即可，而將-162℃的LNG冷能全部用于冷庫冷凍物品明顯損過大 。但是考慮到低溫凍結裝置、冷凍庫、冷藏庫及預冷裝置等對溫度的不同要求，將它們按不同的溫度帶串聯起來實現對LNG冷能利用，由于各制冷裝置的溫度帶不同，所以進入制冷裝置的中間媒介亦不同，在媒介物質與LNG進行冷量交換后依次進入到低溫凍結裝置（-60℃）、冷凍庫（-35℃）、冷藏庫（0℃以下）、預冷裝置（0～10℃）進行冷凍物品，這樣LNG冷能的 損失將大幅度降低，整個流程的運行成本較機械制冷方式下降了37.5%，流程見圖4。

圖4 LNG冷能用于冷凍倉庫的梯級利用流程

2.6 在LNG汽車及冷藏車中的應用

伴隨著LNG汽車技術的不斷完善與成熟，LNG汽車的使用不斷增多。LNG對于汽車的作用主要體現在兩個方面，一方面就是LNG作為能源物質，可以作為汽車動力的燃料。另一方面就是LNG在汽化的過程中釋放的冷能可以作為汽車內空氣制冷冷量的來源，這樣就沒有必要為汽車另外配備機械制冷裝置，又避免了機械制冷給汽車造成的噪聲污染。因此，LNG汽車是一種真正意義的綠色汽車。

2.7 蓄冷裝置

發電和城市燃氣是利用LNG最多的兩個領域，由于隨著晝夜四季的變化，發電和城市燃氣所需的LNG量波動較大，所以，LNG的氣化量亦根據晝夜四季發生較大變化。為了能夠保證LNG冷能利用設備有持續穩定的能量供應，需在LNG汽化裝置和冷能利用設備之間增加冷能蓄冷裝置。在LNG汽化量較大的情況下，吸收多余的LNG冷能不被散失到空氣中，在LNG汽化量小，即在冷能供應不足的情況（晚上、夏季）下，釋放儲存的冷能，滿足冷能利用設備的需要。

蓄冷裝置即為儲存冷能的中間介質，而該介質的最大作用就是盡量多的儲存LNG的冷能。因此，此類介質具備以下兩個特點：一是該介質具有較大的比熱，這樣能夠用較少的物質儲存最多冷能，提高儲存冷能的效果；二是在吸收和釋放冷能的過程中能夠發生相變，即有一部分冷能是以潛熱的形式儲存起來，這就要求該類介質有較合適的沸點或熔點，考慮到汽化裝置的占地面積等因素，介質要求在固態和氣態兩態之間變化，因此介質有較合適的熔點符合實際的操作要求。

蓄冷裝置可以作為LNG冷能利用的中間裝置，儲存LNG冷能，這樣可以解決LNG冷能利用時間和空間上不同步的問題，對于LNG冷能利用的推廣有著重要的作用。

2.8 低溫粉碎和破碎廢棄物

輪胎、塑料以及其它成分組成的合成物由于其本身具有的化學特性，在常溫下很難被粉碎，但可以利用其具有低溫脆性的特點進行粉碎，當溫度降低到一定程度時，由于沖擊強度降低，只要很小的擊打力就可以對其進行粉碎。因此，粉碎廢棄物時，利用LNG冷能先把其冷卻到低溫是一種很好的粉碎方法。主要有兩種利用方法：一種為利用LNG冷能先冷卻液體氮，即把氮作為吸收冷能的介質，再用液氮冷凍廢棄物，最后粉碎廢棄物；另一種是先用LNG冷能分離空氣，再利用得到的液體氮冷凍廢棄物，然后進行粉碎。

同理，利用金屬的低溫脆化特性，利用冷能來粉碎廢棄的汽車，然后再對廢棄物進行回收利用。圖5為利用LNG冷量粉碎廢棄橡膠的工藝流程圖。

3 冷能梯級利用方案

3.1 冷能利用工藝溫位研究

圖5 LNG冷量用于廢舊橡膠低溫粉碎的工藝流程

初步設計LNG冷能利用主要根據各個冷能利用工藝的溫位，對LNG的冷能利用工藝進行初步的梯級利用排序，下面以-100℃以下、-100～-50℃、-50℃至常溫各個冷能利用工藝的利用溫度區間見表1。

表1 冷能利用工藝的利用溫度區間

表1看出冷能發電的適用溫度區間較廣，但該方式由于只能回收部分冷能，冷能回收效率不高。

蓄冷裝置作為冷能回收的中間環節，根據不同的吸收冷能的冷媒介質而具有不同的溫位。

3.2 冷能利用方案初步設計

根據以上利用方式的溫度范圍提出梯級利用方案如下：

方案一：液化分離空氣→制取液化CO2及干冰→冷凍倉庫。

低成本的制造液氮可以使LNG冷能的利用溫度延伸至-192℃，因此空氣分離可以利用LNG-150～-190℃的溫位，而LNG的發生氣化溫度為-162℃，二者是相匹配的。所以把空氣分離作為LNG冷能利用的第一級可以充分發揮LNG冷能的高性能，減少深冷溫度帶的損失。

用于空氣分離后，LNG的溫度為-100℃左右，此溫度帶的冷能仍然是高性能的冷能，可以利用的冷能仍很可觀。制取液態CO2溫位是-70℃，制取干冰溫度為-78.5℃，因此可以將此溫位的LNG冷能用于制取液化CO2及干冰，即把制取液化CO2及干冰作為冷能梯級利用的第二級。

制取液態CO2和干冰之后，LNG的溫度仍低于環境溫度較多，可以將剩余冷能用于冷凍物品。冷庫的溫度大致在-60～10℃的溫度范圍內，此溫位范圍可以與冷能梯級利用的第三級相匹配。

經過冷凍倉庫的冷量利用之后，天然氣溫度為給天然氣用戶供氣的合適溫度，經處理后就可對天然氣用戶進行供氣了。

方案二：輕烴分離→制取液化CO2及干冰蓄冷裝置→LNG冷能在LNG汽車及冷藏車中的應用

輕烴分離利用了LNG溫位為-150～-110℃的冷量，經輕烴分離后的LNG可用于利用了-80～-70℃溫位的制取干冰和液化CO2。由于在汽車和冷藏車要求的冷量溫位不高，因此仍低于環境溫度的LNG可用于汽車和冷藏車，但是為了使用的方便，中間環節應增加蓄冷裝置。

方案三：（蓄冷裝置）→液化分離空氣→冷能發電

本流程中蓄冷裝置主要是利用天然氣用氣低潮期，LNG汽化的冷能量少，此時可用蓄冷裝置在用氣高峰期儲存的冷能用于空氣分離，用于空氣分離后的LNG溫位為-100℃左右，可用于冷能發電，此流程的損比 LNG直接用于發電小很多。

4 結語

隨著世界LNG產銷量的迅速增長以及全球性能源緊張以及LNG所攜帶的巨大冷能，LNG冷能利用的前景將十分廣闊，而如何充分合理的利用這部分冷能顯得更為重要。因此，研究如何對LNG冷能進行更優化、高效的梯級利用將成為未來LNG產業的一個重要課題。

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