浮式储存再气化装置的LNG冷能利用

黄刘松，宋 炜，刘 涛

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

轮机与辅机

浮式储存再气化装置的LNG冷能利用

黄刘松，宋 炜，刘 涛

（沪东中华造船（集团）有限公司，上海 200129）

液化天然气（Liquefied Natural Gas， LNG）将成为人类在21世纪的主要能源之一。对浮式LNG接收终端从概念、分类、特点、系统组成等方面进行了较系统的介绍，总结了与陆地 LNG接收站的不同特点及其不足之处。同时阐述了LNG冷能、LNG冷能的评价因素及利用方式，并将部分LNG冷能的利用方式与常规方式的电力消耗进行对比。在此基础上，从初投资、装置大小、商业化程度、市场潜力、环境保护等角度对低温发电、空气分离、轻烃回收、海水淡化、液态CO2及干冰制备、低温粉碎、冷冻冷藏、天然气再液化、丁基橡胶的生产、燃气轮机进排气的冷却、海上LNG冷能利用产业园区在FSRU（Floating Storage and Regasification Unit，浮式储存再气化装置）上应用的可行性进行了分析，最终得出适用于FSRU的冷能利用方式有冷能发电、空气分离、天然气再液化、燃气轮机进排气的冷却。

液化天然气；浮式储存再气化装置；冷能利用；冷能发电；综合利用

0 引 言

为了顺应节能减排、低碳环保的需求，全球及我国都在经历从以柴油为主要燃料到以太阳能、风能、LNG（Liquefied Natural Gas）等新型、环保能源为主的能源结构调整。因此，寻求建立安全、稳定、可靠的能源供应体系将显得尤为重要。

天然气在超低温（-162℃）常压状态下被液化，即成为LNG。其体积是气体形态的1/600，便于长距离运输和大量储存，近年来得到了长足的发展。但已投产的LNG接收终端仍无法满足社会对LNG日益扩大的需求量。半个世纪以来，人们在享受全球经济快速增长带来的成果的同时，逐步认识到环境和大气污染的加重，环保意识也渐渐得到提升。受此影响，人们越来越不希望在沿海陆域建造LNG接收终端。在此背景下，海上LNG接收终端的建造提议被逐步提上日程。

世界上第一个海上LNG接收气化装置于2005年开始商业运营，开启了海上浮式LNG接收终端的建造新篇章［1］。截至2013年底，全球已建成LNG接收终端150多个，其中已投产的浮式LNG接收终端有11个［2，3］。

我国首个浮式LNG接收站——天津浮式LNG接收站项目已于2013年投产运营，拉开了中国LNG接收和气化解决方案的序幕［4］。而2012年8月，工信部发布的《海洋工程装备科研项目指南（2012年）》中确定了包括 LNG-FSRU（LNG-Floating Storage and Regasification Unit）总体设计关键技术，以及LNG-FSRU再气化模块总体设计关键技术和相关设备作为研发重点［5］。本文将提出适用于LNG-FSRU的冷能利用方式。

1 浮式LNG接收终端

1.1种类

LNG接收终端按所处位置可分为两类，一类是陆地式，即传统的LNG接收站；另一类是浮式，即海上LNG接收终端。海上LNG接收终端又可分为如下几种形式，见表1［5］。主要讨论FSRU。

表1　海上LNG接收终端类型

FSRU按接卸作业地点可分为近岸式和全海式两种；FSRU按是否配置推进动力，又可分为无动力、低速和高速3种。详见表2。

1.2特点

LNG运输船一般采用并靠或旁靠的方式实现向FSRU卸货。FSRU相对陆上终端和GBS（Gravity Based Structure）而言，具有较大的成本优势。LNG产业需要投入大量的资金，而FSRU和SRV（Shuttle and Regas Vessel with Regasification）却能明显缩短投产周期和降低初投资。

表2　FSRU的分类及特点

FSRU适合急需尽早供气的市场；也适合于过渡性供气的市场或调峰型气站。海洋船舶、储罐、气化、装卸船等技术被广泛应用于浮式LNG接收终端。

LNG-FSRU较常规陆上LNG接收终端具有许多特点，但是，仍存在一些不足。见表3。

表3　LNG-FSRU的特点及不足

1.3组成

FSRU主要由动力推进系统（有无均可）、液货维护系统、LNG气化系统、BOG（蒸发气）处理系统、靠泊系统、计量及卸货系统、消防安保系统及辅助系统组成。

2 液化天然气冷能利用技术

LNG在进入输气管网输送给各类用户前需要气化（一般采用海水加热），在气化过程中将释放大量冷能。合理利用LNG的冷能，不仅能减少电能等能源消耗、降低投资，而且可降低生产经营成本，带来良好的经济效益和社会效益。因此，积极寻求和高效利用LNG的冷能具有重要意义。

2.1LNG冷能评价因素

LNG冷能利用主要是依靠LNG与周围环境之间存在的温度和压力差，回收LNG相变至外界环境温度时，储存于LNG中的物理能量。对LNG冷能进行评价便于今后计算LNG中可回收利用的能量。

天然气由气态到液态的转变是耗能较高的过程，且LNG冷能具有极高的利用价值，因此有必要对LNG进行分析。

式中：

LNG在定压下由低温升高到 T0的过程中发生沸腾相变。设LNG为在温度 Ts下处于平衡状态的两相物质，汽化潜热为r，定压比热容为 cp，相应潜热为（T0/Ts-1）r，加上从Ts到T0气体吸热的显热，则其低温ex，th为

2.2LNG冷能利用方式

LNG冷能利用可分为两种：直接利用和间接利用。详见表4、5［7，8］。

表4　LNG冷能利用方式

部分LNG冷能利用方式的效果见表5。

表5　LNG冷能利用方式效果比较

3 LNG-FSRU冷能利用方式

对现有的冷能利用方式在FSRU上的应用，从初投资、装置大小、商业化程度、市场潜力、环境保护等方面进行分析［9］。

3.1低温发电

LNG冷能常见的发电工艺有直接膨胀法、低温朗肯循环法、低温布雷顿法、多级复合循环法、燃气轮机循环法。

直接膨胀法工艺简单，但利用率低，且必须是低压用户，常与其他利用方式结合使用。

低温朗肯循环法是朗肯循环法和直接膨胀法的组合。其工艺简单、初投资较少，可选用合适的工质对冷能进行分段利用以提高冷能利用率。

低温布雷顿法是布雷顿法和直接膨胀法的组合。与朗肯循环法相比，其工作介质N2无相变过程，且LNG的蒸发压力处于超临界，与N2有较好的匹配，提高了换热效率。

多级复合循环法共有5个循环，针对每个循环采用不同的工质，可覆盖更大温度范围内的冷能，以梯级利用LNG冷能。故其冷能利用率高，但系统过于复杂，实际应用中存在许多问题。

燃气轮机循环法利用LNG汽化时释放的冷能冷却压缩机进口空气温度，以提高冷能利用率。其适用于电力需求超过20000kW的场所。

由此可知：低温朗肯循环法和低温布雷顿法是较适合的低温发电方式。目前世界上已有多套投入使用的LNG冷能发电装置，技术成熟；LNG冷能发电是一种新型的节能环保的发电方式；但其初投资较高，需综合考虑发电成本和当地电价等因素。

3.2空气分离

将LNG冷能用于空气分离已在多个国家和地区实现商业化运营，我国也有几个空分项目已经启动。其是环境友好的冷能利用方式，冷能利用率较高，初投资较低，其产品应用范围较广，适合大规模地推广；考虑到运输成本，最好是就近利用。

3.3轻烃回收

其对进料和设备的要求较高，在一定程度上能降低现有工艺的损耗，市场需求较大，初投资较大，适合小规模范围内试运行。

3.4海水淡化

海水淡化技术已在世界上大部分国家和地区得到应用。低温法海水淡化技术工艺简单，是一种可靠的淡化技术。可较大程度地降低制造成本，解决目前我国沿海地区淡水资源缺乏的境况。

3.5液态CO2及干冰制备

可减少二氧化碳的排放，进而达到保护环境的目的；但在液化二氧化碳温度和原料供应方面受限较多，不适合大规模推广。

3.6低温粉碎

利用空分产品低温粉碎轮胎和塑料，技术较成熟，可减少环境污染，是较好的LNG冷能间接利用方式；可应用于诸多行业，且国家对其有政策扶持。

3.7冷冻冷藏

在多个国家和地区已有应用，技术较成熟；能耗较常规方法低，初投资适中，日常维护便利；周边最好有低温食品加工需求，且结合其他利用方式。

3.8天然气再液化

已在多个国家和地区均有应用，技术成熟；减少天然气因蒸发产生的损失，降低生产的危险性；初投资较小，维护简单；但需有天然气蒸发源；市场需求较小。

3.9丁基橡胶生产

国外已有多套此装置投产，技术成熟；我国一般采用进口，市场缺口较大；初投资较高。

3.10燃气轮机进排气冷却

在多个国家的地区均有应用，技术较成熟，可提高冷能利用率和燃气轮机的燃烧效率；初投资较大，装置尺寸较大，结构复杂，维护保养不便，市场需求较小。适于小范围内（电力需求超过20000kW的工作场所）试营。

3.11以FSRU为中心的海上LNG冷能利用产业园区

上述的几种方式，一般都是单一利用，回收率低。而将LNG冷能按-160～-100℃、-100～-50℃、-50℃～常温3个温区进行分类［10］，按照温位匹配原则，合理搭配低温温区与中高温区内的LNG冷能利用方式，形成梯级、综合利用LNG冷能。充分利用海上面积广阔、LNG冷能来源稳定、价格低廉的优势，建立以FSRU为中心的海上LNG冷能利用产业园区。

可最大限度回收利用 LNG全温度区间的冷能，减少对环境的污染；极大地减少陆地面积的占用；尽量将产品用于园区内，减少运输成本；许多单一的LNG冷能利用技术成熟，但缺乏将多种技术集成、综合利用的经验；初投资很大，设备多且有些结构复杂，维护保养不便。

4 结 语

对现有的一些LNG冷能利用方式，从多角度进行对比分析，其中较适用于FSRU的有冷能发电、空气分离、天然气再液化、燃气轮机进排气冷却。目前国际上少有在FSRU上LNG冷能的实际应用项目，因此有必要进行这方面的研究，为今后我国FSRU上LNG冷能利用项目提供借鉴经验。

但就实际情况而言，FSRU上LNG冷能利用方式还有许多值得进一步探讨的问题，主要有以下几方面：

2） 陆用LNG冷能利用的装备，如利用朗肯循环的透平膨胀发电机组已经得到广泛应用，相应的海上LNG冷能利用装置尚属空白。需加大对海上LNG冷能利用装置的研究。

回顾液化天然气的发展史可以相信，浮式LNG接收终端，尤其是LNG-FSRU，将取代陆地LNG接收终端，成为未来海上液化天然气的主要储存装置。而相应的，LNG冷能利用项目也将逐步实现这一转变过程。

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LNG Cold Energy Utilization of Floating Storage and Regasification Unit

HUANG Liu-song， SONG Wei， LIU Tao
（Hudong-Zhonghua Shipbuilding （Group）Co.， Ltd.， Shanghai 200129）

Liquefied Natural Gas （LNG） will become one of the main energy sources for mankind in the 21stcentury. This paper systematically introduces the floating LNG receiving terminals in terms of concept， categorization，characteristics and system formation， etc.， and summarizes their differences and deficiencies compared with LNG receiving terminals on land. Meanwhile， this paper also elaborates the LNG cold energy as well as its evaluation factors and utilization methods， and compares the utilization method of part of the LNG cold energy with conventional electrical consumption method. On this basis， the feasibilities of low temperature power generation， air separation， light hydrocarbon recovery， sea water desalination， liquefied CO2and dry ice production， low temperature smashing， frozen and refrigeration， natural gas re-liquefaction， butyl rubber production， gas turbine air inlet and outlet cooling， application of offshore LNG cold energy utilization industrial park on FSRU （Floating Storage and Regasification Unit） are analyzed from aspects of initial investment， equipment size， level of commercialization， market potential， environmental protection，etc. to finally come to the conclusion that proper FSRU cold energy utilization method may include cold energy power generation， air separation， natural gas re-liquefaction， gas turbine air inlet and outlet cooling.

liquefied natural gas； floating storage and regasification unit； cold energy utilization； cold energy power generation； comprehensive utilization

U674.13+3.3

A

2095-4069 （2016） 01-0051-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.01.010

2015-04-08

黄刘松，男，硕士，高级工程师，1982年生。2007年毕业于上海交通大学动力机械及工程专业，现从事船舶开发设计工作。