LNG冷能利用技術進展研究

張銳悅，何光琳，徐宏超，高利波，王 晗

（1. 中國石化勝利油田有限公司河口采油廠，山東 東營 257200； 2. 中石化天然氣運輸分公司，山東 濟南 250101；3. 中國石油大學（北京），北京 102249； 4. 中國石油長慶油田分公司采油三廠，寧夏 銀川 750002）

石油化工

LNG冷能利用技術進展研究

張銳悅1，何光琳2，徐宏超3，高利波3，王 晗4

（1. 中國石化勝利油田有限公司河口采油廠，山東 東營 257200； 2. 中石化天然氣運輸分公司，山東 濟南 250101；3. 中國石油大學（北京），北京 102249； 4. 中國石油長慶油田分公司采油三廠，寧夏 銀川 750002）

LNG以其所占空間小、運輸靈活、熱值大、性能高在近幾年發展迅速，特別在我國沿海城市多個LNG接收站已經或計劃建造。LNG的氣液臨界溫度為-162 ℃，低溫特性決定了其具有高品質冷能的利用價值，通過對 LNG冷能利用原理的闡述，并比較在空氣分離、低溫發電、冷凍倉庫、橡膠粉碎等方向的冷能利用方式，指出了我國在LNG冷能利用上所具有的巨大潛力和廣闊前景。

LNG；冷能利用；空氣分離；低溫發電；橡膠粉碎

LNG（液化天然氣）作為21世紀主要的能源之一，在其氣化過程中會釋放出大量的冷能，有效的回收利用這些能量對能源的充分利用和緩解能源緊張局面有突出重要的意義。

1 LNG冷能利用原理

圖1 中國2015年LNG冷能利用的市場規模Fig. 1 The market size of China 's LNG cold energy utilization in 2015

LNG冷能的利用主要是依靠高壓低溫的 LNG在汽化過程中與周圍環境之間存在的溫度和壓力差回收儲存在LNG中的能量[1]。而經過調查通常生產每噸LNG的動力及公用設施耗電量達到850 kW?h，在 LNG運送到目的地后又需將其通過汽化器氣化后送入天然氣管網，由熱力學定律每噸LNG氣化所釋放的總能量約為 830 kW，若以此冷能來進行發電，假設效率達到100%，每噸LNG可利用冷能折合電量約為231 kW?h，經預測中國2015年的LNG進口量，其可利用能量折合成的電量如圖1所示。

LNG的冷能從利用形式來分主要為直接利用和間接利用，而直接利用主要包括空氣分離、低溫發電、冷凍倉庫、二氧化碳的液化及干冰的制造等，間接利用形式主要為污水處理、冷凍干燥、粉碎回收橡膠等，下面具體針對幾種主要的利用形式進行介紹。

1.1 空氣分離流程

梁廣川等[2]通過軟件模擬從定量的角度對比了運用LNG氣化制冷原理于空氣分離與傳統空氣分離流程的能量比較，其具體改進流程圖如圖2所示。

模擬的結果表明，此流程生產單位液態產量的能耗為0.3 kW?h/kg，相比傳統能耗降低了約7成，具有明顯的節能優勢。且由此流程可看出將LNG冷能用于空氣分離流程利于提高空分流程的液化率，能縮短裝置啟動時間，簡化了空分流程，省去了傳統空分流程中的佛里昂制冷機和組合膨脹機，但通過此種方法的安全性尚未得到很好驗證，氣化后的天然氣為易燃易爆物品，對流程的操作規程要求更加嚴格，氣化后的天然氣的去路應提前規劃好，完善流程的完整性。

圖2 利用LNG冷能的空氣分離流程Fig. 2 The process of using LNG cold energy to air separation

1.2 發電技術

利用LNG冷能用于發電系統，可充分利用電能應用方便、用途廣泛的優勢，具有產業鏈短，受外界因素影響小的優勢，是一種較為高效的能源利用方式。陳暉等[3]對LNG冷能發電技術研究進行了詳盡的描述，介紹了4種常用的發電方案，即LNG冷能改善現有動力循環、LNG 直接膨脹法、低溫朗肯循環、低溫布雷頓循環，并分別介紹了各自的使用范圍和優缺點，在此基礎上提出了改進的發電循環的多級循環，以提高能量的整體轉化效率（圖3）。王歡[4]對冷能發電基于熱力學定律采用差分算法仿真測算出在聯合發電系統中的臨近溫度、壓力等邊界條件。在LNG冷能用于發電流程中，需要考慮的優化工藝參數較多，要想取得較高的能量轉化效率，不僅要對循環參數、循環系統、循環工藝進行優選，還要考慮市場、地理位置、環境因素等影響，因此LNG冷能發電還有很大的發展空間和潛力。

圖3 多級復合循環發電流程Fig. 3 The process of multi-level combined cycle power generation

1.3 冷庫制冷

通過 LNG冷能氣化使吸收熱量使周圍介質冷卻的原理來進行冷庫和冷水的制冷是 LNG冷能利用的重要部分，其利用方式多樣、應用廣泛，有較好的推廣價值。楊春等[5]提出了一種LNG冷能用于冷庫和冷水的撬裝化裝置，此裝置包括LNG氣化系統、冷媒循環系統和冷水生產系統三個系統，通過LNG氣化將冷能傳給冷媒，再通過冷媒傳遞給冷庫或冷水來達到制冷效果。此裝置較為合理的利用了能量的守恒原則，通過理論計算和模擬得出能量利用比例，以操作簡單等優勢優化了冷庫冷能利用形式，但其可用能的利用率偏低，有較大發展空間。

1. 4 粉碎廢舊橡膠

中國作為世界上最大的橡膠消費國和最大廢舊橡膠生產國之一，每年報廢的廢舊橡膠數量巨大，從而粉碎廢舊橡膠工作量也非常龐大。采用LNG冷能對廢舊橡膠進行粉碎對比傳統的常溫直接切割粉碎和低溫深冷粉碎有較大優勢，不僅節能降耗[6]，還能有效的簡化流程，具有較為廣闊的市場前景（圖4）。通過LNG氣化站和衛星站分布廣泛的特點，利用冷能建設廢舊橡膠低溫深冷粉碎裝置，就地粉碎當地廢舊輪胎，節約輪胎的運輸成本，降低精細膠粉的生產成本，對建設節約型社會也會做出突出貢獻。

圖4 利用LNG冷能粉碎廢舊橡膠工藝流程Fig.4 The process of LNG cold energy utilization of waste rubber grinding

2 LNG冷能利用前景

目前，全球大型LNG接收站不斷興起，LNG進入高速發展階段，這為LNG冷能利用提供了契機。日本作為全球LNG接收最大國家，其冷能利用也是廣泛而有效的，主要方式有低溫發電、空氣分離、液態二氧化碳及干冰的制造和低溫冷庫等，其中最主要的是低溫發電，高達70%作用。我國LNG進口量也在迅猛增長，但國內的LNG冷能利用技術尚不成熟[7]，在廣東深圳大鵬灣LNG冷能用于空氣分離、建設人造滑雪場和海水淡化/制冰等的項目還在籌劃中，已經進行的莆田 LNG 冷能利用項目集成了空氣分離、深冷粉碎、輕烴分離、制取干冰、低溫冷庫、淡化海水和低溫發電等七個項目，上海和浙江的相關項目還在籌劃，總體利用程度不高，在未來幾十年中發展LNG冷能利用技術對我國能源高程度利用有較大意義。

3 結束語

上述內容對LNG冷能利用方式的闡述，介紹了LNG冷能在空分、制冷、發電及粉碎等工業行業的應用技術，并針對目前國內數家大型LNG處理廠的各自特點對其冷能利用方式進行了簡單概述，得出LNG冷能利用在我國的廣大發展空間。我國開展LNG冷能利用技術起于上個世紀九十年代，目前各高校、研究所正在進行深入研究與工程實踐結合階段，加速冷能利用技術的研究將有力的推動我國LNG冷能利用的廣泛應用。

［1］朱文建,張同,王海華.液化天然氣冷能利用的原理及方法[J].煤氣與熱力,1998,18(2):33-35.

［2］梁光川,蒲鶴,李俊等.利用LNG冷能的空氣分離流程[J].天然氣與石油,2013,31(3):28-30.

［3］陳暉,鄧青,賈士棟.LNG冷能發電技術研究進展[J].應用能源技術,2013(5):22-24.

［4］Wang H, Shi X, Che D. Thermodynamic optimization of the operating parameters for a combined power cycle utilizing low-temperature waste heat and LNG cold energy[J]. Applied Thermal Engineering, 2013.

［5］楊春,徐文東,張輝等.LNG冷能用于冷庫和冷水的技術開發[J].煤氣與熱力,2012, 32(12):4-7.

［6］崔國彪,劉陽,安海燕等.利用LNG冷能粉碎廢舊橡膠工藝[J].天然氣與石油,2013,31(2).

［7］羅惠芳.液化天然氣冷能利用的研究[D].武漢：華中科技大學,2011.

參考文獻：

［1］劉永峰，田洪森. 國內外工程起重機發展狀況研究［J］.施工技術，2008，37：476-477.

［2］唐興中，粟滿榮，黃福川，等. 環境友好型重負荷工程機械專用脂的研制［J］.化學工程師，2013（8）：50-53.

［3］杉山庸夫，黃金新. 起重機斗吊臂［J］.工程機械，1965（2）：23-25.

［4］郭慶義. 汽車起重機臂架結構研究［D］. 大連:大連理工大學，2007.

［5］焦文瑞，孔慶華. 汽車起重機箱形伸縮式吊臂的有限元分析［J］.工程機械，2007，38：43-46.

［6］吳先明，吳仁智，洪濤. 起重機伸縮機構抖動機理分析［J］.工程機械，1997（11）：14-15.

［7］張澄清，李慶德. 潤滑脂應用指南［M］.北京：中國石化出版社，1993:472-480.

［8］張劍，金映麗，馬先貴，等. 現代潤滑技術［M］.北京：冶金工業出版社，2008.

［9］李普慶，關子杰，耿英杰，等.合成潤滑劑及其應用［M］.北京：中國石化出版社，2006.

［10］鄧才超，郭小川，任連嶺，等. 復合聚脲潤滑脂的實驗研究［J］.石油學報，2009，25：48-52.

［11］黃文軒. 潤滑劑添加劑性質及應用［M］.北京：中國石化出版社，2012.

［12］張俊彥，劉維民，薛群基. 有機銅鹽抗氧劑及其作用機理［J］.潤滑與密封，2000（2）：5-8.

Research Progress in LNG Cold Energy Utilization Technology

ZHANG Rui-yue1，HE Guang-lin2，XU Hong-chao3，GAO Li-bo3，WANG Han4
(1. Sinopec Shengli Oilfield Co.Ltd. Hekou Oil Production Plant, Shandong Dongying 257200, China; 2. Sinopec Nature Gas Transport Branch, Shandong Jinan 250101,China; 3. China University of Petroleum, Beijing 102249，China; 4. Changqing Oilfield Oil Company No.3 Oil Production Plant, Ningxia Yinchuan 750002，China）

LNG has obtained rapid development in recent years because of its small occupied space, flexible transportation, high calorific value and high performance. Especially multiple LNG terminals have been built or planned in China's coastal cities. LNG gas-liquid critical temperature is -162 ℃. Low-temperature characteristics determine its use value of high-quality cold energy. In this paper, LNG cold energy utilization principle was explained, and utilization patterns of the cold energy were compared, such as air separation, cryogenic power generation, refrigeration warehouses, rubber grinding and so on. At last, enormous potential of LNG cold energy utilization in our country was pointed out.

LNG; cold energy utilization; air separation; cryogenic power generation; rubber grinding

TE 624

A

1671-0460（2014）11-2262-03

2014-4-07

張銳悅（1994-），女，2014年畢業于遼寧石油化工大學油氣儲運工程學士學位，現主要從事油田生產技術工作，275895314@qq.com。