液化天然氣冷能構成與有效利用方式分析

王昊 馬貴陽 王錫鈺 等

摘 要：隨著時代的不斷進步與人們對液化天然氣的需求量與日俱增的大環境下，我們近些年來對于這一方面進行詳細而深入的研究，通過以往大量的實踐結果表明，液化天然氣（簡稱LNG）在汽化期間會釋放巨大的冷能，倘若我們能夠根據實際需要想方設法有效利用和回收這部分冷能，將會在很大程度上提高節能效果與對系統的效率，對于人們的生活質量和環保方面產生的作用將會是十分巨大的。對LNG冷能的構成以及相關應用進行了分析，通過這種方式說明在當前這種大環境下各種LNG冷能回收利用形式的能量利用的實際情況以及在應用過程中的一些注意事項。然后結合自身多年的實踐經驗針對冷能回收系統的不同提出相關的指導性建議，希望能夠在今后的有效應用液化天然氣方面提供一些借鑒和參考。

關 鍵 詞：液化天然氣；冷量利用；回收；LNG冷能

中圖分類號：TE 62 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）10-2357-03

Analysis on Composition and Effective Utilization of LNG Cold Energy

WANG Hao， MA Gui-yang， WANG Xi-yu， LI Cheng

（College of Petroleum and Natural Gas Engineering， Liaoning Shihua University， Liaoning Fushun 113001， China）

Abstract： As the progress of the Times and people's increasing demand for liquefied natural gas （LNG）， we have made an exhaustive study on it in recent years. The results show that， liquefied natural gas （LNG） can release huge cold energy during evaporation. If we can effectively use and recycle this part of the cold energy according to the actual need， the efficiency of the energy saving will be largely improved， which will have very great effect on the quality of people's live and environmental protection. In this article， composition and related application of LNG cold energy were analyzed. Now actual situation of recycling and utilization LNG cold energy was discussed as well as some matters needing attention in the application process.Then combined with practical experiences， some suggestions were put forward.

Key words： Liquefied natural gas （LNG）； Cold energy utilization； Recycling； LNG cold energy.

從以往的大量實踐中我們可以看出，為了最大限度的方便天然氣的儲藏運輸，我們最為常用的做法就是將天然氣經過相關的干燥脫酸處理后，11K這種低溫狀態下液化成液態。但是有一點值得大家注意的是，在液化天然氣氣化成常溫氣體之后供給用戶的期間必然會將釋放出大量的冷能，而以往的很多時候，我們會對這一問題不管不顧，任由其浪費掉，這是十分可惜的。

1 LNG的冷能具體構成

眾所周知，隨著全球人口總數越來越多，能源供應問題也日益凸顯出來，人們隨著時間的推移逐漸認識到能源“質”比“量”更關鍵。從一個角度上來看，我們在當前這種大的形勢下已經不能再像過去那樣單純的看量而忽略了質，而應該以一種綜合的角度了分析和看待這個問題。下面將從“冷量”和“冷量用”這兩個方面分別闡述冷能的主要構成。

1.1 LNG的冷量

通常而言，我們常說的冷量所指的是系統處于比環境溫度要低（具體低多少要根據實際情況而定）通過邊界所散發出來的能量總和。通過以往大量的實踐結果，蒸發器內制冷工質汽化冷卻冷媒水（通常是以液態形式出現）；液氮噴淋在冷藏車內汽化制冷等，這些都是利用工質的冷量來完成的，這就好像在過去的冬天生火取暖、烹煮食物比較類似，都利用了熱量，但是它們之間也存在著本質上的區別，那就是前者所利用的是比環境溫度要低的熱量。但是這種數量描述仍然無法在真正意義上體現能量在“質”上的差異。因為對于低溫工質而言，冷量一般而言只是非常簡單的描述了它吸收熱量的能力到底有多大而以。通過過去的大量的研究，當LNG由飽和溫度（我們可以用T飽和=111 K）復溫到300 K，100卡帕的環境狀態下釋放出的冷量為919.89 kJ/kg[1]。

1.2 LNG的冷量用

從前面的描述中我們可以得知，不管是系統當時是處于哪一種狀態如果在逆變化到給定環境狀態的過程中，能轉換為“可完全轉換能量”的稱之為冷量用。當工質溫度比環境溫度要低的時候，系統會從外界環境吸熱的期間達到有用功的最大化，還有一種情況就是為了盡可能的維持低溫，自系統抽取冷量過程中需要消耗的有用功最小值稱為冷量用。如果從這種層面來看的話，冷量用和熱量用本質上其實屬于“死態”的兩種形式罷了，他們都可以某種方式轉化為有用功。從圖1中可以看出，低溫工質所具有的冷量通常要少于比它所能轉化的最大有用功，而且要少得多。

圖1 熱量/冷量用與溫度的關系

Fig.1 Heat/cold quantity relations with temperature

從圖1中可以清楚的得出一個結論，與環境的溫差會隨著溫度的降低而加大。眾所周知，與環境的溫差完全一致的條件下，低溫下的能質系數要高出高溫狀態下能力系數（而且一般會高出許多）。此時我們可以從節能的角度充分的利用低溫下系統的這種能力會比以前那樣單純的利用低溫工質放出的冷量在價值方面必然會高得多[2]。

2 LNG冷能的回收與有效利用

通過以往的經驗總結，LNG冷能的回收與有效利用主要表現在以下幾個方面。

2.1 LNG冷能回收在發電中的有效應用

一般地說，回收LNG冷能，就目前而言還是需要依靠動力循環進行發電是回收以及有效利用LNG冷能的主要方式，而且經過這么多年技術的沉淀和經驗的積累，在技術方面相對較而言會更加成熟一些。總的來說，當前通過電能的形式回收冷量用的方式主要包括以下三種情況：首先是利用溫度用的中間介質朗肯循環方式，換言之，就是每噸LNG的發電量保持在20 kW·h的狀態；然后是利用壓力用的膨脹法（直接而非間接）；最后就是綜合上述兩者的聯合法，也就是保持每噸LNG的發電量在45 kW·h上下徘徊[3]。

從圖2看出，左半部分是靠LNG與海水驅動的冷媒動力循環（二次）。右半部分是利用壓力用的直接膨脹動力系統完成的。其中需要特別強調的是，在這個運行的過程中選取系統中二次冷媒是至關重要的，我們務必要保證其物性合乎相關標準才行，也就是要切實保證在LNG范圍內不會凝固，與此同時流動和換熱性能也必須要良好，臨界溫度不得低于環境溫度，使用安全，比熱大等相關要求。除此之外，為了最大限度的提高LNG冷能的回收效率，我們在就目前而言已經得到實踐證明過最為有效的方式就是在二次冷媒動力循環系統中采用再熱（或回熱）循環，數據表明，如果不出現意外情況的話，這種回收方式的冷能回收率通常可以達到50%左右。

圖2 LNG冷能回收聯合法流程

Fig.2 Joint method of LNG cold energy recovery process

2.2 冷能回收在空分中的有效應用

一般地說，低溫環境往往是由電力驅動的機械制冷所造成的，我們從制冷原理可知，消耗的電能會隨著溫度的降低呈現出急劇增加的狀態。通過以往大量的實踐結果表明，低溫蒸發在一定的范圍內，能耗勢必會隨著蒸發溫度降低而出現一定程度的增加。相關數據表明，蒸發溫度每降低1 K，能耗會隨之增加大約10%上下徘徊。回收LNG冷能如果是主要用于兩級壓縮制冷冷卻空氣制取液氮，那么液氧的空分裝置流程圖如圖3所示[4]。

事實證明，采取這種方式所需要的制冷機的類型是通常是比較小的那種，電能消耗也可逐漸得到減少，在過去的很長一段時間里生產1 m3需要電耗0.5 kW·h，自從采用冷量回收的方法可使電耗減小30%；而且隨著水耗的減少必然會在很大程度上降低液氮（或者是液氧）的生產成本，這樣一來可以使LNG在溫度更低的領域得到更為廣泛的應用，比方說在生產半導體器件、真空冷阱、食品速凍等領域。此外，預冷劑作為空氣分離裝置，它在生產液氬的空分裝置中會最大限度的利用其冷能冷卻以及液化的循環氮，事實證明，通過這種方式可以很好的省去氟里昂制冷機以及氮透平膨脹機組，從而進一步降低產品能耗，事實證明，這樣做可以在一定程度上減少企業的成本投入，大大提高經濟效益[5]。

圖3 LNG冷能回收用于空分流程

Fig.3 LNG cold energy recovery used in air separation process

2.3 LNG冷能回收在制造干冰過程中的應用

以化工廠的副產品二氧化碳為原料，這也是LNG冷能回收的主要利用形式，相關數據表明，這樣做能夠有效節約50%以上的電能。

除此之外，液態二氧化碳在焊接、鑄造行業應用的同樣比較廣泛，而干冰的應用領域就更多了。事實證明，利用LNG冷能制造液態二氧化碳（或干冰），不但比過去消耗的電耗更小（1 m3電耗0.2 kW·h），而且生產的產品的純度高最高可以達到99.9%[6]。

3 結束語

綜上所述，隨著科技的發展與人們對天然氣質量的要求越來越高，因為這是與我們的日常生活密切相關的，我們必須要對此問題引起足夠的重視才行。通過多年的實踐經驗得出，冷量LNG會隨著溫度的降低而不斷提高自身的價值越高，LNG具有的作功能力比吸熱的能力更寶貴。從這一點上來看，我們應充分利用其在低溫下的高品質能量，想方設法最大限度的利用LNG的作功能力為我們提供優質服務。想要做到這一點，相關工作人員應該根據實際需要對流程進行合理安排，最好的辦法就是采取減小傳熱溫差等措施來有效減少那些不可逆損失。從而保障的天然氣更好的為我們所用。

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