LNG接收站冷能發電及海水制冰系統

嵇迎梅

LNG接收站冷能發電及海水制冰系統

嵇迎梅

（金通靈科技集團股份有限公司，江蘇 南通 226000）

隨著中國從國外大規模進口LNG，中國的LNG冷能的利用技術亟待提高，以獲得較高的能源利用率。為進一步提高聯合循環法的能源利用率，對膨脹媒介法發電系統進行了方案優化，開發LNG冷能發電-制冰系統，包括中間介質發電子系統、天然氣膨脹機發電子系統、海水制冰子系統，同時提供3～4 MPa和0.6～1 MPa兩種壓力范圍的天然氣給用戶，直接利用LNG冷能制冰和制冷壓縮機組海水制冰相結合的方式，可有效滿足周邊漁港對冰的需求，有效提高冷能的利用效率。

海水制冰；冷能發電；LNG天然氣；利用效率

1 引言

天然氣是一種低排放的清潔燃料，是當今世界增長速度最快的清潔能源。促進液化天然氣快速發展的一個重要因素是日益嚴格的環境保護要求，由于全球燃燒大量的不可再生燃料，排放大量CO2、NOx等溫室性氣體，造成了全球的溫室效應和一些地區的熱島效應，造成環境和生態的破壞，現在越來越多的國家開始嚴格控制污染物的排放，以實現可持續發展。

中國天然氣的缺口非常嚴重，隨著近年來中國在能源結構上的不斷改革，從國外進口的LNG越來越多。在中國東南及東部沿海地區，已經投產許多LNG接收站，同時規劃建設了許多大型的接收站。液化天然氣接收站主要用于船運液化天然氣的接收（含碼頭卸船）、液態儲存、升溫氣化和管道外輸等作業。

2 LNG冷能概述

LNG接收站將海上液化天然氣船運送的低溫LNG加載到LNG儲罐中，根據下游用戶的需求提高輸送壓力，再經過氣化換熱裝置將液化天然氣氣化后，經輸氣門站將氣體輸送進入輸氣管線，并運送至最終用戶。整個過程中，會有很大部分冷能隨氣化換熱裝置的海水和空氣流失了，造成很多冷能資源的浪費。

LNG冷能，指的是在常規條件下，可以利用的一定的溫度差獲得的一部分能量。同時參照熱力學基礎，利用溫度差就獲得有用能量的方法，就叫作LNG冷能的利用。LNG冷能屬于利用價值較高的能源，如果能通過先進的工程技術利用這些能源，就達到了節省能源，同時提高經濟效益的目的。目前，日本是全球進口天然氣量最多的國家之一，在世界上使用LNG冷能的時間最早，能源利用率也非常高，一直走在世界前列。中國的液化天然氣能利用研究開始于20多年前。陳國邦和朱建文先后都提出了液化天然氣具有很多冷能，并為中國LNG冷能的開發研究進行了比較詳細的論述。盡管中國LNG進口比世界上要滯后幾十年，LNG冷能利用也比日本、美國以及歐洲一些發達國家滯后，但最近幾年來，隨著中國從國外大規模進口LNG，中國的LNG冷能利用技術得到了很大的提高。

3 LNG冷能的利用方式

現有的LNG冷能利用主要有兩大方式，分別是直接利用和間接利用，前者包括發電、空分、冷庫、液化二氧化碳，后者包括用空氣分離后的附屬產品液氮、液氧來進行低溫破碎、污水處理等。

在全球LNG冷能利用的方法中，比較多的就是直接利用LNG冷能來發電。利用LNG冷能來發電的原理主要是利用LNG的超低溫使工質液化，而后液態LNG經鍋爐加熱汽化，輸送到汽輪機中進行膨脹做功，最終通過聯軸器將機械功帶給汽輪發電機，產生電能。概括地說，LNG的冷能用于發電主要有以下三種方式。

3.1 膨脹做功法

直接膨脹閥是將液態的天然氣，通過泵壓縮為高壓的液體，然后通過海水熱交換器把液態的LNG加熱到高溫高壓的狀態，輸送到透平膨脹機中對外做功。它的主要特點是發電原理比較簡單，發電效率不高，對LNG冷能的回收率不足25%。

3.2 多次媒介法

多次媒介法是一種增加了多種中間載熱體的多個朗肯循環，將LNG通過熱交換器把低溫能量傳遞到其他的媒介上，媒介的種類不單一，利用媒介的物理特性，完成媒介進行蒸汽輪機循環，對外釋放能量做功。特點是如果采用單一媒介，冷能的利用效率約為18%；如果采用混合媒介，冷能的利用效率可達到36%以上。

3.3 膨脹媒介法

膨脹媒介法綜合了膨脹做功法與多次媒介法。液化天然氣經液壓泵升壓后，通過熱交換器將一部分冷量傳遞給媒介，LNG再經過換熱鍋爐變成高壓高溫的天然氣，輸送到透平膨脹機，機械能傳遞給發電機轉化為電能，然后經過熱交換器變成用戶需求的常溫氣體。而媒介被液化經過壓泵升壓和回熱鍋爐變成高溫高壓氣體，透過透平膨脹機帶動汽輪發電機組發電，媒介可再次循環利用。目前，這種方法在日本得到普遍采用，冷能的發電效率可達到52%以上。

利用LNG 冷能的發電方法，其中膨脹做功法和多次媒介法的工藝路線比較簡單，初期的投入較少，已有很多的實際工程應用，但冷能的發電利用效率非常低。而效率很高的多級媒介法和卡琳娜膨脹媒介循環法卻因為工藝路線非常復雜，所用的設備較多，并未有很好的工程應用案例。

4 LNG冷能發電及海水制冰系統

為進一步提高聯合循環法的能源利用率，對聯合循環系統進行優化，開發LNG冷能發電-制冰系統，提供3～4 MPa和0.6～1 MPa兩種壓力范圍的天然氣給用戶，同時增加冷能回收裝置，提高冷能的利用效率。在天然氣透平膨脹機前增加太陽能換熱器，提高天然氣膨脹機的功率和效率，直接利用LNG冷能制冰和制冷壓縮機組海水制冰相結合的方式，可有效滿足周邊漁港對冰的需求。LNG冷能發電及海水制冰系統如圖1所示。

圖1 LNG冷能發電及海水制冰系統

上述系統主要包括3個子系統，分別為中間介質發電子系統、天然氣膨脹機發電子系統、海水制冰子系統。

中間介質發電子系統與傳統的LNG冷媒朗肯循環發電系統類似，在泵2出口處增加海水換熱器，提高中間介質膨脹機的進氣溫度，增加中間介質膨脹機的輸出功率，增大發電量，LNG液化氣經中間介質換熱器和海水換熱器后變成3～4 MPa的天然氣，一部分供給3～4 MPa的管道用戶，另一部分進天然氣膨脹機發電子系統。

天然氣膨脹機發電系統的換熱器采用太陽能換熱器，可將天然氣的溫度提升至80 ℃，使天然氣膨脹機有較大的做功能力，天然氣膨脹機出口低溫天然氣經制冷壓縮機換熱器和海水換熱器后，供給0.6～1 MPa的天然氣用戶。

海水制冰系統的水源均為經過海水換熱器的預冷水，海水制冰系統制冷壓縮機出口的高溫冷媒進入天然氣換熱器中進行冷卻，可有效降低冷媒的溫度，提高制冷海水制冰系統的制冰速度和整機的節能效果。

5 小結

綜上所述，LNG冷能發電及制冰系統較傳統的LNG冷能發電系統來說，增加了制冰系統，有效利用了用于天然氣氣化的海水吸收的冷能，LNG接收站多建于東南及東部沿海地區，制出的冰可有效滿足周邊漁港對冰的需求，增加了LNG接收站的經濟效益。

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TB66

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.062

2095－6835（2020）08－0140－02

嵇迎梅，女，工程師，主要從事動力工程技術研究。

〔編輯：王霞〕