液化天然氣冷能的階級(jí)回收與利用

李中全

（中國石油化工股份有限公司上海海洋油氣分公司石油工程技術(shù)研究院，上海 200120）

為了緩減我國能源緊張的狀況，改變我國能源結(jié)構(gòu)，改善環(huán)境狀態(tài)，我國將大量進(jìn)口液化天然氣（LNG）。LNG 的主要成分是甲烷，是天然氣經(jīng)過連續(xù)脫酸、脫水、脫重?zé)N處理，然后通過低溫工藝壓縮、膨脹、液化得到的低溫（-162 ℃）液體混合物[1]。LNG 運(yùn)抵接收站后一般需要經(jīng)過汽化器汽化后才能應(yīng)用于各種用途，LNG 在汽化過程中將釋放出大量的冷量，約為830 kJ·kg-1，目前這部分冷能回收與利用的情況如圖1所示。通過圖1 可以發(fā)現(xiàn)，LNG 蘊(yùn)藏的冷能可廣泛應(yīng)用于各種用途，如果可以加以有效回收和利用，不但可以減少機(jī)械制冷所造成的大量電能消耗，而且具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。但是從目前的LNG 冷能的利用方式來看，大都是單一方式的利用，這就存在回收和利用效率低下的情況，LNG 冷能的階級(jí)回收與利用將有助于提高冷能利用率。

圖1 LNG 冷能的利用與回收

1 LNG 冷能的熱力學(xué)分析

通過進(jìn)一步仔細(xì)分析LNG 蘊(yùn)藏的冷能，然后用多種方法加以利用，對(duì)于提高LNG 冷能回收率以及合理利用LNG 冷能，具有十分重要的意義。

?分析法是能量系統(tǒng)中非常重要的分析方法，不僅一方面能從數(shù)量上準(zhǔn)確地反映能量種類的轉(zhuǎn)換，另一方面可以清晰地展示LNG 內(nèi)部的不可逆性所造成的能量品質(zhì)的流失情況，以及造成熱力學(xué)損失的原因和位置，為以后可以更加合理利用冷能提供了基礎(chǔ)的理論指導(dǎo)[2]。

LNG 的物理?指如果在規(guī)定的壓力條件下，由溫度差所引起的顯熱冷?exc,s，以及在環(huán)境溫度T0下由壓力差所引起的壓力?exp。假定LNG 從初始狀態(tài)（Ts,Ps）經(jīng)過一系列的可逆過程，最終達(dá)到平衡態(tài)（T0,0P）時(shí)，在不考慮系統(tǒng)動(dòng)能和位能的情況下，可以得到系統(tǒng)穩(wěn)定流動(dòng)的能量方程為：

由此可得：

LNG 在溫度升高的過程中的最大有用功，即系統(tǒng)工質(zhì)的物理?exph為：

由實(shí)際氣體狀態(tài)方程Pv=zRT在恒壓條件下對(duì)溫度求偏導(dǎo)得：

假定LNG 的汽化潛熱為r，飽和溫度為sT，則LNG 的潛熱冷?為：

LNG 的冷量?為：

LNG 的總物理冷?為：

通過以上分析過程可以看出，系統(tǒng)的溫度、壓力對(duì)LNG 冷能是具有一定程度的影響，這就為以后如何充分利用、回收LNG 冷能奠定了理論基礎(chǔ)。

目前LNG 冷能的利用存在著利用效率低下的問題，這主要是因?yàn)楝F(xiàn)有的LNG 的利用項(xiàng)目多為單項(xiàng)利用技術(shù)，而單個(gè)裝置大部分無法充分利用LNG的冷能，其中一些利用方式的效率見表1[3]。

表1 LNG 冷能利用的效率

從表1 可以看出，單一方式的利用效率普遍偏低，因此最好的解決方案就是對(duì)LNG 冷能進(jìn)行階級(jí)利用。

2 LNG 冷能的階級(jí)回收與利用

通過之前所述的LNG 冷能熱力學(xué)分析原理，低溫?是在越遠(yuǎn)離環(huán)境溫度時(shí)越大，因此應(yīng)當(dāng)在盡可能低的環(huán)境溫度下利用LNG 冷能，就可以充分利用其低溫?。LNG 的空氣分離工藝一般普遍在-150～-191℃的溫度條件下進(jìn)行，這時(shí)的低溫與LNG 氣化時(shí)的溫度（-162 ℃）傳熱溫度差比較小，就可以充分利用LNG 的低溫冷量，此時(shí)可以將LNG冷能運(yùn)用于空氣分離作為階級(jí)利用的第一級(jí)[4]。在把LNG 的冷量用于空氣分離裝置以后，溫度控制在-100 ℃左右，此時(shí)仍然具有大量的冷能，剩余-100 ℃的LNG 冷能仍可適用于冷能發(fā)電和制取干冰，冷能發(fā)電部分可以利用到的是-70 ℃部分的冷量，而干冰制取裝置所需的溫度為-78.5 ℃，兩種溫度與LNG 通過空分氣離裝置后的溫度（-100 ℃）比較匹配，此時(shí)可以將這兩種方式作為階級(jí)利用的第二級(jí)。把LNG 的冷量用于冷能發(fā)電或制取干冰過后，其剩余溫度仍大大低于環(huán)境溫度，這部分冷量可以考慮應(yīng)用于冷凍冷藏庫或相應(yīng)的制冷設(shè)備，不同種類不同用途的冷庫其設(shè)計(jì)溫度均不同，即使同一冷庫也可以分為不同溫度的冷間，其所要求溫度也有差異。以一般冷凍冷藏庫為例，假如冷卻間設(shè)計(jì)溫度為 0 ℃，冷卻物的冷藏間溫度一般為0～10 ℃，凍結(jié)物的冷藏間溫度一般為-15～-23 ℃，凍結(jié)間的溫度一般為-18～-30℃，冰庫的溫度為-4～-6 ℃，此時(shí)將其作為階級(jí)利用的第三級(jí)。除此之外還要考慮設(shè)置合適規(guī)模的氣化器，用以保證LNG 的氣化效率以及保證天然氣高壓管網(wǎng)的下游用戶的正常使用。在一般實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中，還要考慮根據(jù)工況背景以及市場需求等來確定上述冷能利用的步驟、方式方法等，來確定最佳方案，具體的利用流程如圖2所示。

在LNG 的冷能階級(jí)利用中應(yīng)當(dāng)充分考慮利用LNG 冷能的低溫特性。從圖2 中可以看出，液態(tài)LNG從儲(chǔ)存罐引出后，經(jīng)過空氣分離裝置、發(fā)電裝置或者干冰制取裝置、冷凍冷藏庫、最后經(jīng)過氣化器裝置處理后供給用戶，在此過程中，隨著LNG 的溫度階梯性的升高，同時(shí)各級(jí)冷能回收裝置所要求的工作溫度也逐步升高，并且可以保證熱交換工作狀態(tài)下的溫度匹配情況良好，基本能夠?qū)崿F(xiàn)盡可能減少?損失的目的。

圖2 LNG 冷能階級(jí)利用方案的流程示意圖

在上述的處理過程中，LNG 在最后經(jīng)過氣化之前，其溫度已從最初LNG 儲(chǔ)罐的-162 ℃升至較高的溫度，不僅可以基本滿足所需供氣溫度，同時(shí)相對(duì)LNG 未經(jīng)過處理直接從儲(chǔ)罐進(jìn)入氣化器而言，大大降低了氣化器的工作負(fù)荷，同時(shí)節(jié)約了大量能源。從這樣整個(gè)流程來分析，無論從能量的角度還是?的角度來看都是比較合適的方案。上述LNG 冷能階級(jí)回收利用方案只是很多工程優(yōu)化方案中的一種方案，而在實(shí)際的工程實(shí)施時(shí)，還應(yīng)綜合考慮多方面因素，例如經(jīng)濟(jì)性、安全性、環(huán)保性、穩(wěn)定性、耐用性、維護(hù)保養(yǎng)便捷性等，并且要考慮與LNG 站周邊的實(shí)際產(chǎn)業(yè)環(huán)境相結(jié)合，這樣才能決定最佳的工程實(shí)施方案。隨著科技發(fā)展的日新月異，新的先進(jìn)工藝方案以及新的高效設(shè)備也會(huì)不斷涌現(xiàn)，無論何種工藝方案，只要能實(shí)現(xiàn)LNG 的冷能階級(jí)回收利用的高效率，盡可能保證能量的不浪費(fèi)，在上述溫度的區(qū)間都可以對(duì)其中的某個(gè)或多個(gè)環(huán)節(jié)的裝置進(jìn)行補(bǔ)充或替換。

3 結(jié)束語

LNG 冷能的階級(jí)回收利用方案相比大多數(shù)的單一方式的利用方案都要更加節(jié)約能源和成本，其冷能的利用效率能達(dá)到90%以上，這將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)保效益和社會(huì)效益，適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展、節(jié)約型社會(huì)的發(fā)展戰(zhàn)略。近年來，我國通過大量進(jìn)口LNG 來緩解我國的能源不足問題，全國各地也陸續(xù)建立了LNG 接收站等。但是，目前來看，仍有很多接收站對(duì)LNG 的冷能利用僅僅停留在單一利用或者不利用的階段，對(duì)LNG 冷能階級(jí)回收利用等方面仍缺乏足夠的認(rèn)識(shí)及有效的解決方法，這對(duì)于以后如何應(yīng)對(duì)全世界愈發(fā)緊張的能源問題和愈來愈嚴(yán)苛的環(huán)保要求都是極大的挑戰(zhàn)，我國應(yīng)該利用后發(fā)優(yōu)勢(shì)，積極跟上世界先進(jìn)水平,發(fā)展LNG 冷能階級(jí)回收利用技術(shù)。