提高LNG接收站的冷能利用效率方法*

陈利琼孙磊李卫杰许培林

（1.西南石油大学油气储运研究所；2.西南石油大学研究生院）

2006年世界LNG(液化天然气)贸易量增长到1.59×108t，比2005年增长12%[1]。2010年我国进口的LNG总量为600×104t，按现有进口增长速度，到2015年我国将进口2000×104t，2020年进口量还会倍增。

在进口LNG的同时，也进口了大量的冷能，对于如何利用这部分冷能，由于我国对这部分关注较晚，目前还处于起步阶段。

1 研究现状

目前，对LNG冷能利用的方法较成熟的有空气液化分离、制取液体二氧化碳和干冰、低温冷库和深冷发电。空气分离时可比普通空气分离方式电能消耗减少50%以上，设备费用减少10%左右，总成本减少20%～30%；制取液体二氧化碳和干冰可使产品纯度大幅度提高，电力消耗减少30%～40%；用于低温冷库可用于不同温度要求的冷库装置，这样可以大大提高冷能的利用效率；冷能发电中，将直接膨胀发电和朗肯循环发电结合起来可使冷能利用效率提高到36%。

然而，从LNG冷能本身的利用情况来看，虽然各个孤立的冷能利用工艺已经大大提高了经济效益，但是LNG冷能的利用效率仍然没有得到提高，LNG冷能的高能量品位特性没有得到有效利用。

2 单元利用工艺效率分析

2.1 冷能发电工艺

利用LNG冷能发电工艺是当前情况下应用LNG冷能最普遍与成功的工艺。

2.1.1 直接膨胀方式发电

该方法是首先将LNG用泵加压到8MPa，然后在蒸发器内与海水进行换热，换然后变成高压气体通过透平膨胀机把压力能转化为机械能，再由发电机由机械能转化为电能，进行发电。该发电方式1tLNG的发电量约为20 kWh[2]，工艺过程简单，但效率不高，发电功率较小，冷能回收率仅为24%。

2.1.2 郎肯循环法发电

该方法是通过冷媒介质承载LNG的冷能进行整个发电流程的发电方式。由于LNG本身是由不同沸点的物质所组成，所以冷媒应采用混合物质，尽量使LNG的汽化曲线与冷媒的冷凝曲线保持一致，这样才能使LNG汽化所放出的冷量尽多的被冷媒介质所吸收，而不是释放到环境中浪费掉，冷能回收率可以达到36%。但是由于冷媒的冷凝曲线与LNG的汽化曲线不可能完全重合，所以造成LNG沸点高于混合工质的冷凝点，这部分LNG所释放出的热量就会被散失空气中，造成浪费。

2.1.3 联合法发电

该方法的特点是综合了LNG承载冷能和冷媒承载冷能两种发电方式，相当于两个不同的发电系统同时发电，发电终端有两个发电机同时发电，这样可以避免郎肯循环发电中因高于冷凝温度的冷能得不到利用。该发电方式1tLNG的发电量约为45 kWh，冷能回收率通常为36%[3]，综合造价低，利于环保，其发电工艺见图1。

图1 联合法发电工艺

2.1.4 多级直接膨胀方式发电

利用LNG在直接膨胀方法的基础上采用多级直接膨胀发电方式。采用该方式进行冷能发电的泵功耗为17 kWh/t，每吨LNG的发电量为126 kWh，发电效率为41.8%，效率为 82.3%。

2.1.5 混合工质循环方式发电

该方法是在郎肯循环发电的基础上进行改进的，在朗肯循环发电流程中，由于LNG是多组分的复杂混合物，没有固定的沸点，因此8MPa下LNG的气化曲线无等温汽化段。为了高效利用LNG的冷能发电，应当采用分段混合工质，这样可以使LNG的汽化曲线与对应的各段混合工质的冷凝曲线尽量在相应的温差条件下走势相同。但由于混合媒体其本身的多组分原因，各个组分的物性不尽相同，造成了混合工质本身的不稳定性，因此这种方法在实际应用中可操作性较低。

2.2 冷能用于轻烃回收

LNG一般主要由甲烷、乙烷、丙烷、丁烷及少量的戊烷组成。由于轻烃分离利用的温位为-150～-110℃[4]，因此它不仅成本低而且损失小 ，利用LNG冷能可以使LNG中80%以上的乙烷被提取出。乙烷等重组分可用于制造乙烯等化工产品，为化工行业提供紧缺原料的同时大大降低了化工行业的成本。因此，LNG冷能利用中的轻烃分离工艺是LNG冷能利用中的极为有利的方式。

2.3 液化分离空气

利用LNG冷能进行空气液化分离可使生产液化氧气的电力消耗从1.2 kWh/m3降低到0.5 kWh/m3[5]，电力消耗减少58%，同时可以减少所需场所的建设费用。利用回收的LNG冷能和两级压缩式制冷机降低空气温度达到冷却空气的目的，从而制取液氮、液氧，这种可以使制冷机实现小型化，电力能耗减少50%，水消耗也减少30%，生产成本得到大大的降低。由于LNG冷能用于液化空气制液氧、液氮、液氩可以节省大量的能量，也很少受到地点条件的限制，而且LNG巨大的冷能可以产出非常大的液体氮量和液体氧量，因此它在LNG冷能利用系统中被认为是最为有效的利用方式。另外，低成本制造的液氮可以使LNG应用的温度领域扩展到更低的温度带(-196℃)[6]，考虑到LNG的温度为-162℃，则该方法LNG冷能利用的损最小 ，其流程见图2。

图2 利用LNG冷能的空气分离的典型流程

2.4 制取液化CO2及干冰

与传统的液化CO2及干冰工艺相比，利用LNG冷能的制冷设备的负荷大大降低，电力消耗降低30%～40%。以化工厂所产生的副产品CO2为原料，利用LNG冷能制取液化CO2及干冰，可以降低原料的成本和耗电量，同时所生产的液化CO2及干冰纯度高达99.99%。由于-78.15℃为干冰温度，此温位与LNG通过空分装置后的温位相距较近，因此可以作为冷能梯级利用的第二级，这样可以降低LNG冷能利用过程中的损失[7]。其系统图见图3。

2.5 冷冻仓库

利用LNG冷能来降低冷库的温度，让中间媒介物质吸收LNG的冷能，降低到一定温度后进入到冷冻、冷藏库的冷却盘管，再通过冷却盘管释放冷能，实现冷冻物品的作用。

图3 利用LNG冷能制取液态二氧化碳和干冰系统图

由于常用冷库的温度只需维持在-50～-65℃即可，而将-162℃的LNG冷能全部用于冷库冷冻物品明显损过大 。但是考虑到低温冻结装置、冷冻库、冷藏库及预冷装置等对温度的不同要求，将它们按不同的温度带串联起来实现对LNG冷能利用，由于各制冷装置的温度带不同，所以进入制冷装置的中间媒介亦不同，在媒介物质与LNG进行冷量交换后依次进入到低温冻结装置（-60℃）、冷冻库（-35℃）、冷藏库（0℃以下）、预冷装置（0～10℃）进行冷冻物品，这样LNG冷能的 损失将大幅度降低，整个流程的运行成本较机械制冷方式下降了37.5%，流程见图4。

图4 LNG冷能用于冷冻仓库的梯级利用流程

2.6 在LNG汽车及冷藏车中的应用

伴随着LNG汽车技术的不断完善与成熟，LNG汽车的使用不断增多。LNG对于汽车的作用主要体现在两个方面，一方面就是LNG作为能源物质，可以作为汽车动力的燃料。另一方面就是LNG在汽化的过程中释放的冷能可以作为汽车内空气制冷冷量的来源，这样就没有必要为汽车另外配备机械制冷装置，又避免了机械制冷给汽车造成的噪声污染。因此，LNG汽车是一种真正意义的绿色汽车。

2.7 蓄冷装置

发电和城市燃气是利用LNG最多的两个领域，由于随着昼夜四季的变化，发电和城市燃气所需的LNG量波动较大，所以，LNG的气化量亦根据昼夜四季发生较大变化。为了能够保证LNG冷能利用设备有持续稳定的能量供应，需在LNG汽化装置和冷能利用设备之间增加冷能蓄冷装置。在LNG汽化量较大的情况下，吸收多余的LNG冷能不被散失到空气中，在LNG汽化量小，即在冷能供应不足的情况（晚上、夏季）下，释放储存的冷能，满足冷能利用设备的需要。

蓄冷装置即为储存冷能的中间介质，而该介质的最大作用就是尽量多的储存LNG的冷能。因此，此类介质具备以下两个特点：一是该介质具有较大的比热，这样能够用较少的物质储存最多冷能，提高储存冷能的效果；二是在吸收和释放冷能的过程中能够发生相变，即有一部分冷能是以潜热的形式储存起来，这就要求该类介质有较合适的沸点或熔点，考虑到汽化装置的占地面积等因素，介质要求在固态和气态两态之间变化，因此介质有较合适的熔点符合实际的操作要求。

蓄冷装置可以作为LNG冷能利用的中间装置，储存LNG冷能，这样可以解决LNG冷能利用时间和空间上不同步的问题，对于LNG冷能利用的推广有着重要的作用。

2.8 低温粉碎和破碎废弃物

轮胎、塑料以及其它成分组成的合成物由于其本身具有的化学特性，在常温下很难被粉碎，但可以利用其具有低温脆性的特点进行粉碎，当温度降低到一定程度时，由于冲击强度降低，只要很小的击打力就可以对其进行粉碎。因此，粉碎废弃物时，利用LNG冷能先把其冷却到低温是一种很好的粉碎方法。主要有两种利用方法：一种为利用LNG冷能先冷却液体氮，即把氮作为吸收冷能的介质，再用液氮冷冻废弃物，最后粉碎废弃物；另一种是先用LNG冷能分离空气，再利用得到的液体氮冷冻废弃物，然后进行粉碎。

同理，利用金属的低温脆化特性，利用冷能来粉碎废弃的汽车，然后再对废弃物进行回收利用。图5为利用LNG冷量粉碎废弃橡胶的工艺流程图。

3 冷能梯级利用方案

3.1 冷能利用工艺温位研究

图5 LNG冷量用于废旧橡胶低温粉碎的工艺流程

初步设计LNG冷能利用主要根据各个冷能利用工艺的温位，对LNG的冷能利用工艺进行初步的梯级利用排序，下面以-100℃以下、-100～-50℃、-50℃至常温各个冷能利用工艺的利用温度区间见表1。

表1 冷能利用工艺的利用温度区间

表1看出冷能发电的适用温度区间较广，但该方式由于只能回收部分冷能，冷能回收效率不高。

蓄冷装置作为冷能回收的中间环节，根据不同的吸收冷能的冷媒介质而具有不同的温位。

3.2 冷能利用方案初步设计

根据以上利用方式的温度范围提出梯级利用方案如下：

方案一：液化分离空气→制取液化CO2及干冰→冷冻仓库。

低成本的制造液氮可以使LNG冷能的利用温度延伸至-192℃，因此空气分离可以利用LNG-150～-190℃的温位，而LNG的发生气化温度为-162℃，二者是相匹配的。所以把空气分离作为LNG冷能利用的第一级可以充分发挥LNG冷能的高性能，减少深冷温度带的损失。

用于空气分离后，LNG的温度为-100℃左右，此温度带的冷能仍然是高性能的冷能，可以利用的冷能仍很可观。制取液态CO2温位是-70℃，制取干冰温度为-78.5℃，因此可以将此温位的LNG冷能用于制取液化CO2及干冰，即把制取液化CO2及干冰作为冷能梯级利用的第二级。

制取液态CO2和干冰之后，LNG的温度仍低于环境温度较多，可以将剩余冷能用于冷冻物品。冷库的温度大致在-60～10℃的温度范围内，此温位范围可以与冷能梯级利用的第三级相匹配。

经过冷冻仓库的冷量利用之后，天然气温度为给天然气用户供气的合适温度，经处理后就可对天然气用户进行供气了。

方案二：轻烃分离→制取液化CO2及干冰蓄冷装置→LNG冷能在LNG汽车及冷藏车中的应用

轻烃分离利用了LNG温位为-150～-110℃的冷量，经轻烃分离后的LNG可用于利用了-80～-70℃温位的制取干冰和液化CO2。由于在汽车和冷藏车要求的冷量温位不高，因此仍低于环境温度的LNG可用于汽车和冷藏车，但是为了使用的方便，中间环节应增加蓄冷装置。

方案三：（蓄冷装置）→液化分离空气→冷能发电

本流程中蓄冷装置主要是利用天然气用气低潮期，LNG汽化的冷能量少，此时可用蓄冷装置在用气高峰期储存的冷能用于空气分离，用于空气分离后的LNG温位为-100℃左右，可用于冷能发电，此流程的损比 LNG直接用于发电小很多。

4 结语

随着世界LNG产销量的迅速增长以及全球性能源紧张以及LNG所携带的巨大冷能，LNG冷能利用的前景将十分广阔，而如何充分合理的利用这部分冷能显得更为重要。因此，研究如何对LNG冷能进行更优化、高效的梯级利用将成为未来LNG产业的一个重要课题。

[1]钱伯章,朱建芳.世界液化天然气的现状及展望[J].天然气与石油,2008,26(4):34-38.

[2]王坤.LNG冷能利用技术及经济分析[J].天然气工业,2004,24(7):122-125.

[3]边海军.液化天然气冷能利用技术[D].广州:华南理工大学化学与化工学院,2011.

[4]罗惠芳.液化天然气冷能利用的研究[D].武汉:华中科技大学,2011.

[5]贺宇,杨梅.液化天然气的应用和国际贸易[J].天然气与石油,2005,23(2):1-5.

[6]周廷鹤,彭世尼.LNG冷能利用技术探讨[J].上海煤气,2009(1):37-39.

[7]王竹筠.液化天然气(LNG)冷能回收及研究[D].大庆:大庆石油学院,2010.