液化天然氣(LNG)冷能分析及利用初步研究

王 亮 黃躍峰

(中國石化青島液化天然氣有限責任公司，山東 青島 266400)

天然氣作為燃料，具有熱值高、污染小等特點，可用作民用燃料、工業燃料及火力發電燃料。為便于大量儲存和運輸，天然氣開采出來后通常要經過脫水、脫硫、脫酸性氣體和重烴類的處理后，液化成-162 ℃的低溫液體即液化天然氣(LNG)，以提高運輸和儲存的效率。當使用時，LNG仍需轉化為常溫氣體，其中大量的可用冷能釋放出來。回收這部分可用冷能，不僅有效利用了能源，而且減少了機械制冷大量的電能消耗，具有可觀的經濟效益和社會效益[1]。

1LNG冷能概述

LNG接收站需要將LNG氣化后輸送給用戶。LNG氣化后被還原為初始的氣體狀態，可以作為熱力發電的燃料和城市居民用氣。在LNG氣化過程中，約能產生920.502kJ/kg的低溫能量。目前這種冷能大部分被釋放到海水中。如果將這些能量利用起來，就可以節省巨大的能源。因此，從節約能源的角度，積極尋求和高效利用冷能量有著重要意義。

表1給出了構成天然氣的各種成分和其他制冷劑的冷能數據。可以看出作為天然氣主要成分的甲烷，從溫度水平和其含有的冷能上，都是一種極好的“制冷劑”。

-162 ℃、常壓下的LNG轉變為0 ℃(常壓)的氣態天然氣時釋放出來的能量，一方面包括502.1kJ/kg的氣化潛熱，這是LNG在溫度不變時由液態轉化為氣態時釋放出來的熱量；另一方面也包括334.7 kJ/kg的顯熱，這是LNG從-162℃轉變為0℃時釋放出來的能量，這樣，LNG一共釋放出約為836.8 kJ/kg的能量。

表1 天然氣的組成及其它制冷劑的物理屬性Table 1 the composition of natural gas andthe physical properties of other refrigerants

圖1 冷卻溫度與設備資金投入的關系曲線Fig 1 The relationship curve between coolingtemperature and equipment capital investment

2LNG冷能利用的方式

2.1 空氣分離

常用的空氣分離法是將空氣液化，通過氟里昂冷凍機膨脹透平進行空氣的液化和分離制成液態的氮氣、氧氣、氬氣等。而LNG冷能用于空氣分離則是通過循環氮氣的冷卻來實現的。傳統方式生產1 m3的液化空氣大約需要2721.42kJ的冷能，利用回收LNG冷能和兩級壓縮式制冷機冷卻空氣制取液氮、液氧，制冷機很容易實現小型化，電能消耗也可減少50%，水耗減少30%，這樣就大大降低了液氮、液氧的生產成本，具有可觀的經濟效益，所以利用LNG冷能進行空氣分離得到了充分的應用[3]。

2.2 冷能發電

2.2.1直接膨脹方式

直接膨脹法指利用LNG氣化后壓力較高的天然氣直接膨脹發電。LNG從儲罐出來后經高壓泵加壓后進入汽化器氣化成為高壓天然氣，高壓天然氣直接驅動透平機，從而帶動發電機發電。直接膨脹法回收LNG冷能的效率低，僅有24%，估計1噸LNG可發電20kW·h。但是此系統簡單，設備少，初始投資少。

2.2.2中間介質朗肯循環方式

傳統朗肯循環中的冷凝器采用冷卻水作為冷源，而采用中間介質朗肯循環方式利用LNG低溫發電的原理[5]是：以低沸點的甲烷、乙烷、丙烷或者乙烯和液化石油氣多組分的混合物為工質，以海水或其他工業余熱為熱源，以LNG為冷源，進行有機工質的朗肯循環進行發電。

2.2.3綜合方式

目前利用LNG低溫發電最為廣泛的方式是綜合方式，它聯合了直接膨脹方式與中間介質朗肯循環方式，可使LNG冷能的回收效率大大提高。此種聯合法發電系統通常采用回熱或再熱循環來提高整個系統的LNG冷能的回收效率，通常此綜合方式的冷能回收率高達50%左右。

2.2.4布雷敦循環(氣體透平循環)

天然氣燃氣輪機發電，易于啟動和關閉，最適宜于調峰發電。天然氣燃氣輪機循環是氣體動力循環的一種形式，研究表明，燃氣輪機的吸氣溫度對燃氣透平的工作效率有明顯的影響。利用LNG冷能預冷燃氣輪機的進口空氣溫度，將會顯著提高機組做功能力和循環效率，增加發電量。

2.3 制造液態二氧化碳或干冰

在利用LNG的冷能制造液態二氧化碳或干冰時，由于LNG冷量能夠實現制取液態二氧化碳和干冰所需的低溫，這樣氣體CO2僅需壓縮至0.9 Mpa左右，因此這種工藝耗電量小，僅為0.2 kW·h/m3。除此之外，此工藝生產的液態CO2的純度高達99.99%。和傳統工藝相比，耗電量節約了30%～40%，初始投資費用減少了10%。

2.4 冷凍冷藏庫

冷庫是實現特定的溫度和濕度，用來加工或者存儲食品、工業原料等的建筑物。根據冷凍物品不同，冷庫可分為低溫凍結庫、低溫冷凍庫、冷藏庫以及果蔬預冷庫，以上冷庫的溫度分別控制在-60、-35、0、0～10 ℃。將LNG與冷媒通過換熱器進行熱量交換，被冷卻的冷媒流經管道進入冷庫，最后在冷庫內通過冷卻盤管實現對冷庫內物品的冷凍冷藏，從而省去制冷機，減少了大量的初始投資，還節約了30%以上的電力。

2.5 儲罐蒸發氣(BOG)再冷凝回收

針對采用再冷凝法工藝流程的LNG接收站，將LNG儲罐中產生的蒸發氣(Boiled off gas，BOG)壓縮到一定的壓力，在再冷凝器中將BOG與從罐內泵泵出的過冷LNG混合，利用LNG的冷量將BOG再冷凝成液體，再打回主流程，經LNG高壓泵加壓后進入汽化器，再氣化送至外輸管道。BOG再冷凝回收屬于LNG冷能的內部利用，使BOG再冷凝減少了BOG壓縮機的消耗，節約了能量。

3 LNG冷能利用方式比較

國外大多數LNG冷能利用項目都是在能源價格較低廉的年代陸續開發的，所以絕大部分的LNG冷能利用項目只是單一的LNG冷能利用。這些項目只考慮了冷能的回收利用，并未考慮利用過程的效率。我國LNG進口較晚，目前能源緊缺，能源價格昂貴，在這樣的背景下規劃LNG冷能利用項目必須在可行性階段充分考慮各種冷能利用項目的效率和經濟性。

(1)LNG冷能用于空氣分離，生產液氧、液氦、液氬，技術成熟，LNG冷能利用率高，產品具有一定競爭力。產品市場容量大，不存在原料問題。因此LNG冷能用于空氣分離是一個較好的冷能利用途徑。

(2)雖然LNG冷能發電在國外(主要是日本)已

經是成熟技術，但國內尚無經驗，而且從我國國情考慮，規模與發電成本太高，企業無法承受發電設備的投資，用戶無法接受昂貴的電價。

(3)利用LNG冷能制造液態二氧化碳或干冰以回收電站的CO2具有很高的能量效率，并且可以實現電站CO2的零排放，是一個技術先進的項目，但是必須要求配套的燃氣電廠與LNG接收站毗鄰建設。

(4)利用LNG冷能建造冷凍冷藏庫具有初始投資少、電力消耗小、噪音小、故障少、易維修等優點，但是受建設選址及LNG接收站外輸量波動的影響較大。

(5)利用LNG冷能再冷凝接收站內產生的BOG在山東LNG接收站內已建成投產。

(6)一個大型的海水淡化項目往往是一個非常復雜的系統工程。

(7)利用LNG冷能建設的輕烴回收裝置在山東LNG接收站已處于工程建設收尾階段，建成投產指日可待。

綜合以上分析，利用LNG冷能進行空氣分離技術方案以其建設方案靈活、依托條件簡單、產品市場廣闊，更適合于我國目前LNG接收站建設實際，是山東LNG接收站下一步LNG冷能回收利用的首選方案。

4結 論

隨著全球能源環境問題的日益突出及LNG產量的迅速增長，LNG冷能利用的前景十分廣闊，利用LNG冷能的方式也多種多樣。山東LNG接收站在目前已確定的利用LNG冷能進行BOG再冷凝及輕烴回收的基礎上，可考慮利用LNG冷能進行空氣分離以進一步利用LNG冷能。

[1] 王坤，顧安忠. LNG冷能利用技術及經濟分析[J]. 天然氣工業，2004，24(7):122～125.

[2] 顧安忠. 液化天然氣技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2010.

[3] 林文勝，顧安忠. 空分裝置利用LNG冷量的熱力學分析[J]. 深冷技術，2003(3)：26～30.

[4] 徐文東，華賁. LNG冷量優化集成利用技術. 天然氣工業，2006，26(7):127～129.