上海LNG接收站冷能利用發電的研究

上海燃氣工程設計研究有限公司 章潤遠

關鍵字：LNG接收站 冷能利用發電 低溫朗肯循環

1 引言

隨著上海天然氣市場的快速擴容，“十三五”期間天然氣消費量將達到100億m3，其中城市燃氣用戶規模約54億m3，約為2010年的2.2倍，“十四五”期間天然氣消費量將達到140億m3，其中城市燃氣規模將達到80 億m3。屆時，上海市天然氣市場的不均勻性將更加顯著，調峰需求量將進一步增加。此外，燃機用氣需求亦將隨之提高，天然氣市場波動對于氣溫等因素的敏感性將提高，市場不確定性相應增加，對上海LNG項目的供應和調峰提出了更高要求。上海能源發展“十二五”規劃和上海燃氣發展“十二五”規劃中，明確提出要建設上海LNG項目二期工程。

根據國家、上海浙江兩級政府的節能減排政策，國家能源局對上海LNG儲罐擴建項目的特別批示(“深入研究LNG冷能利用問題，做好冷能利用規劃，同步建設冷能利用項目，提高能源綜合利用效率”)，在上海LNG儲罐擴建項目的前期設計中必須對冷能利用加以研究并在擴建工程實施時同步進行建設。上海LNG接收站一期擴建工程項目中的冷能利用方式主要是冷能利用發電，同時按照擴建項目現有整體規劃，冷能利用同其它所有設施均一次規劃、分步實施。

2 LNG冷能利用

2.1 冷能的定義

冷能指的是在自然條件下，利用一定溫差可以得到的能量。根據工程熱力學原理，利用這種溫差可以獲得有用的能量，這種能量稱之為冷能。

液化天然氣LNG由天然氣經深冷加工液化后制得，屬于一種超低溫液體，主要成分是甲烷。每生產1 t的LNG，其動力消耗約為850 kW·h。LNG不能直接使用，接收站將LNG接收、儲存后根據用戶端的需求對LNG進行加壓、氣化和輸送。LNG氣化時釋放的冷能約為830~860 kJ/kg。這些寶貴的冷能通常損失在氣化器內部海水或空氣中，造成能源浪費，也會影響周圍海域及地區的生態環境。如果能充分利用好這部分冷能，則能達到節能和環保的目的。

2.2 LNG冷能的分類

LNG冷能按利用方式不同可分為直接利用和間接利用。直接利用方式主要有冷能發電，另有空氣液化分離、液態乙烯儲存、冷庫、制造干冰、輕烴分離、低溫養殖和海水淡化等。間接利用方式有低溫破碎、冷凍食品、水和污染物處理及低溫干燥等。

冷能利用發電是以電能的形式回收LNG冷能；空氣液化是利用LNG的冷能來分離空氣中的氧氣和氮氣，降低常規空分設備的制冷電耗；冷凍倉庫是利用LNG與中間冷媒進行冷能交換獲得低溫冷媒，經過低溫冷媒在倉庫內循環，維持冷庫所需要的低溫溫度；低溫破碎是利用LNG制備低溫物質，然后在低溫下破碎這些在常溫下難以破碎的物質。

上述各種冷能利用方式，除LNG冷能用于發電時因其產業鏈很短，基本不受其他因素干擾外，其他利用方式因其產業鏈很長，都會受到市場、資源、環境、運輸等諸多因素的影響。如冷庫模式，從冷能梯級利用的角度可能是比較匹配的項目，卻在其他因素上存在諸多困難，難以在上海LNG接收站得以實施。

3 LNG冷能利用發電

LNG冷能利用發電是較為新穎的能源利用方式，技術比較成熟，能夠大規模利用LNG冷能。

3.1 LNG冷能利用發電方法

LNG冷量由低溫?和壓力?組成，一般LNG通過氣化器轉化為常溫氣體時，該部分能量會流失到海水，空氣等介質中。對環境造成冷污染，也不利于LNG冷能的利用。現將這2種?利用發電方式進行動力回收，LNG冷能利用發電的方法通常有以下3種：

(1)直接膨脹法

LNG經低溫泵加壓，在氣化器受熱氣化為高壓天然氣，然后利用LNG的物理?在高壓氣化時轉化成的壓力?，直接驅動透平膨脹機，帶動發電機發電，如圖1所示。其冷熱能回收量取決于汽輪機進出口氣體的壓力比。直接膨脹法發電原理簡單，投資少，但是效率不高，發電功率較小。實際使用過程中，該方法多與其他冷能利用方案綜合使用。

圖1 直接膨脹發電工藝路線

(2)低溫朗肯循環法

LNG通過冷凝器把冷能轉移到冷媒上，冷媒在溫差的作用下進行蒸汽動力循環，從而做功產生電能。低溫朗肯循環發電工藝路線，如圖2所示。冷媒的選擇是該方法進行冷能發電的關鍵，常用的冷媒主要有甲烷、乙烷、丙烷等單組分，也可以采用它們的混合物。

圖2 低溫朗肯循環發電工藝路線

(3)聯合法

聯合法將直接膨脹法與低溫朗肯循環法相結合，可以大大提高冷能利用率，一般可保持在50%左右。日本投入實際使用的LNG冷能發電項目大多采用這種方式。

實際使用過程中，可以根據冷量?中低溫?和壓力?的相對比例確定合適的?利用方式，即確定合適的冷能利用發電方法。

上海LNG接收站天然氣是輸送至管網，需要穩定的壓力及穩定的流量。若采用直接膨脹法，經過冷能利用裝置，天然氣壓力及流量波動較大，不適合目前的生產情況。若采用低溫朗肯循環法，天然氣本身只是被氣化，不牽涉進發電部分，能保證穩定的壓力和流量，適合目前的生產情況。故上海LNG接收站采用低溫朗肯循環冷能發電法。

3.2 上海LNG接收站冷能利用發電工藝

上海LNG項目儲罐擴建工程設置一套冷能發電裝置，額定LNG氣化能力為205.2 t/h，以海水作為熱源。冷能發電裝置采用低溫朗肯循環系統，冷媒選用丙烷。

在冷能發電裝置CPG(Cold Power Generator)中，來自海水的熱量轉移到LNG中間傳熱介質，再用來氣化LNG。中間傳熱冷媒是制冷劑級丙烷(至少98 mol%純度)。在這一過程中，由海水蒸發的丙烷驅動與發電機組連接的透平，用從LNG回收的冷能發電。在傳統的LNG氣化過程中，這些冷能被直接排放到大海中。上海LNG接收站發電工藝路線見圖3。

圖3 上海LNG接收站發電工藝路線

冷能發電裝置的主要設備有中間介質氣化器IFV(Intermediate Fluid Vaporizer)，丙烷循環泵和透平發電機組件。中間傳熱工作介質是制冷劑級丙烷。IFV分為3個熱交換器：E1(丙烷蒸發器)、E2(LNG氣化器)和E3(NG加熱器)。

冷能發電裝置運行模式分為發電模式和旁路模式。

(1)發電模式

發電模式下，E1殼側的液態丙烷由海水加熱氣化。蒸發后的丙烷被送至透平進口，驅動透平機發電。在透平出口，丙烷蒸汽降壓至大氣壓，然后進入E2殼程由管側的LNG進行冷凝。LNG在E2中被丙烷從大約－150 ℃加熱至－50 ℃，變成天然氣NG。經過E2后，丙烷冷凝液由管線進入丙烷循環泵，之后液態丙烷經丙烷循環泵恢復壓力后再次被送入E1殼側。在E2中被加熱的NG被送至E3殼側，被管側的海水加熱至高于1 ℃，已達到外輸要求。

(2)旁路模式

旁路模式下，透平和丙烷循環泵被旁路，不再運行，此時CPG裝置僅執行LNG氣化功能。E1殼側的丙烷蒸汽直接進入E2殼側，E2中被冷凝的液態丙烷直接進入E1殼側。在這個操作下驅動丙烷循環的是重力，因而E2的位置比E1高。

冷能發電裝置外輸氣量會根據用戶需要不同而發生變化，海水溫度也會隨季節不同而發生變化。所以外輸NG的溫度和海水出口的溫度將在一定范圍內波動，必須確保在正常操作時外輸氣體溫度高于1 ℃且海水進出口溫差不超過5 ℃。

裝置入口LNG管道上設有流量調節閥，利用氣化器出口氣體的溫度和天然氣輸出總管的壓力控制此閥門的開度。可根據以下原則設定氣化器流量：

(1)操作員根據用戶需氣量確定氣化器的流量；

(2)通過設在外輸管道首站的輸出需求來控制氣化器運行流量。

海水流量由設置在氣化器海水出口管道上的手動調節閥進行控制，操作員通過分布式控制系統DCS(Distributed Control System)手動調整調節閥的開度實現海水流量的設定。

冷能發電裝置有兩種不同的緊急關閉模式用于設施保護：

(1)裝置跳車(操作完全停止)模式：主要觸發因素有E2出口溫度低低、E3出口溫度低低、丙烷泵入口溫度低低、海水流量低和上海LNG接收站發生異常狀態而出現的報警停車；

(2)切換到旁路運行模：主要觸發因素有丙烷泵出口壓力低低、丙烷泵泵筒液位低低、丙烷泵跳車和透平發電機成套包跳車。

冷能發電裝置中的安全裝置：

(1)在LNG入口管道和NG出口管道上分別安裝1臺切斷閥，在緊急工況或維修期間可對設備進行關斷隔離；

(2)在E1設備本體、E2設備本體、E3入口和丙烷泵放空管道各設有1臺安全閥，氣化器出口氣體管道設有2臺安全閥，用于設備超壓保護。

另外當IFV(含冷能發電裝置)不工作，但需要隨時快速啟動時，需要維持低流量的LNG和海水以便保持系統處于冷備。

4 不同工況的計算及分析

4.1 計算工況

上海LNG接收站冷能利用發電工藝路線為低溫朗肯循環，該循環中含有三種工藝介質：天然氣、海水及丙烷。其中丙烷為內部循環，天然氣和海水有對外界面。考慮到上海LNG接收站實際運行的復雜性，工藝計算針對天然氣和海水采用多工況組合進行分析。分析每一個操作工況時，需考慮LNG組分情況、天然氣外輸流量及海水溫度。海水流量經分析對工藝計算影響不顯著，計算中取海水流量值為7 755 t/h。

LNG組分經過數據采集，主要分三個類別：富液、貧液及上海LNG接收站實際使用組分(下文簡稱典型)，產品規格見表1。

表1 天然氣產品規格

天然氣外輸流量考慮洋山港一期運行情況，滿負荷100%為205 t/h，極限負荷105%為215.25 t/h，LNG進口溫度為－147 ℃。海水平均溫度值：夏季平均溫度30.1 ℃，冬季平均溫度7.6 ℃，春秋季平均溫度17.0 ℃。

經過組合和篩選，主要計算工況見表2。

表2 冷能發電計算工況

4.2 計算結果

工況5、工況6、工況7主要研究在LNG組分為典型情況時，不同海水溫度下冷能發電裝置的運行情況，而工況1、工況2、工況3、工況4則研究冷能發電裝置的四個邊界條件，確保該裝置在任何情況下都能夠正常運行。

發電功率以透平熱效率85%、機械傳動效率95%、發電機效率95%(總效率77%)這三個預估條件為前提，進行裝置發電量的計算。

針對7種工況進行相關計算的結果見表3。

表3 各工況下冷能發電裝置計算結果

從表3的計算結果可以看出，發電功率最大值出現在工況2為3 990 kW，發電功率最小值出現在工況3為2 290 kW。在進口海水溫度相同的條件下，如工況1、工況3和工況6，工況2、工況4和工況7，兩組輸出功率相比，工況1>工況6>工況3，工況2>工況7>工況4。即LNG組分越接近貧液，發電裝置輸出功率越大。

4.3 分析

上海LNG接收站冷能利用發電不同工況計算結果表明：

(1)LNG組份越接近貧液，蘊含的冷能越多，冷能發電裝置的外輸功率越高。

(2)海水溫度于冷能發電裝置的外輸功率成正比，溫度越高外輸功率越大。

(3)LNG綜合利用效率可以通過冷能發電裝置得到進一步的提高。除了傳統意義上的熱值外，還提取了冷能，是未來LNG接受站節能的一種有效措施。

5 結語

上海LNG接收站冷能利用發電的研究僅考慮LNG組分和海水溫度兩個變量，得出其和冷能發電裝置外輸功率的關聯性。后續研究可調整其它邊界參數(如LNG溫度和壓力等)查看其變化量和外輸功率的變化關系。此研究實際運行參數為依據，有良好的經濟效益、節能效益和社會效益；此研究針對簡單工藝路線進行了模擬和分析，后續可考慮結合上海LNG接收站其它能源使用情況來進行技改，以進一步提升LNG冷能利用發電裝置的利用效率。