液化天然气(LNG)冷能分析及利用初步研究

王 亮 黄跃峰

(中国石化青岛液化天然气有限责任公司，山东 青岛 266400)

天然气作为燃料，具有热值高、污染小等特点，可用作民用燃料、工业燃料及火力发电燃料。为便于大量储存和运输，天然气开采出来后通常要经过脱水、脱硫、脱酸性气体和重烃类的处理后，液化成-162 ℃的低温液体即液化天然气(LNG)，以提高运输和储存的效率。当使用时，LNG仍需转化为常温气体，其中大量的可用冷能释放出来。回收这部分可用冷能，不仅有效利用了能源，而且减少了机械制冷大量的电能消耗，具有可观的经济效益和社会效益[1]。

1LNG冷能概述

LNG接收站需要将LNG气化后输送给用户。LNG气化后被还原为初始的气体状态，可以作为热力发电的燃料和城市居民用气。在LNG气化过程中，约能产生920.502kJ/kg的低温能量。目前这种冷能大部分被释放到海水中。如果将这些能量利用起来，就可以节省巨大的能源。因此，从节约能源的角度，积极寻求和高效利用冷能量有着重要意义。

表1给出了构成天然气的各种成分和其他制冷剂的冷能数据。可以看出作为天然气主要成分的甲烷，从温度水平和其含有的冷能上，都是一种极好的“制冷剂”。

-162 ℃、常压下的LNG转变为0 ℃(常压)的气态天然气时释放出来的能量，一方面包括502.1kJ/kg的气化潜热，这是LNG在温度不变时由液态转化为气态时释放出来的热量；另一方面也包括334.7 kJ/kg的显热，这是LNG从-162℃转变为0℃时释放出来的能量，这样，LNG一共释放出约为836.8 kJ/kg的能量。

表1 天然气的组成及其它制冷剂的物理属性Table 1 the composition of natural gas andthe physical properties of other refrigerants

图1 冷却温度与设备资金投入的关系曲线Fig 1 The relationship curve between coolingtemperature and equipment capital investment

2LNG冷能利用的方式

2.1 空气分离

常用的空气分离法是将空气液化，通过氟里昂冷冻机膨胀透平进行空气的液化和分离制成液态的氮气、氧气、氩气等。而LNG冷能用于空气分离则是通过循环氮气的冷却来实现的。传统方式生产1 m3的液化空气大约需要2721.42kJ的冷能，利用回收LNG冷能和两级压缩式制冷机冷却空气制取液氮、液氧，制冷机很容易实现小型化，电能消耗也可减少50%，水耗减少30%，这样就大大降低了液氮、液氧的生产成本，具有可观的经济效益，所以利用LNG冷能进行空气分离得到了充分的应用[3]。

2.2 冷能发电

2.2.1直接膨胀方式

直接膨胀法指利用LNG气化后压力较高的天然气直接膨胀发电。LNG从储罐出来后经高压泵加压后进入汽化器气化成为高压天然气，高压天然气直接驱动透平机，从而带动发电机发电。直接膨胀法回收LNG冷能的效率低，仅有24%，估计1吨LNG可发电20kW·h。但是此系统简单，设备少，初始投资少。

2.2.2中间介质朗肯循环方式

传统朗肯循环中的冷凝器采用冷却水作为冷源，而采用中间介质朗肯循环方式利用LNG低温发电的原理[5]是：以低沸点的甲烷、乙烷、丙烷或者乙烯和液化石油气多组分的混合物为工质，以海水或其他工业余热为热源，以LNG为冷源，进行有机工质的朗肯循环进行发电。

2.2.3综合方式

目前利用LNG低温发电最为广泛的方式是综合方式，它联合了直接膨胀方式与中间介质朗肯循环方式，可使LNG冷能的回收效率大大提高。此种联合法发电系统通常采用回热或再热循环来提高整个系统的LNG冷能的回收效率，通常此综合方式的冷能回收率高达50%左右。

2.2.4布雷敦循环(气体透平循环)

天然气燃气轮机发电，易于启动和关闭，最适宜于调峰发电。天然气燃气轮机循环是气体动力循环的一种形式，研究表明，燃气轮机的吸气温度对燃气透平的工作效率有明显的影响。利用LNG冷能预冷燃气轮机的进口空气温度，将会显著提高机组做功能力和循环效率，增加发电量。

2.3 制造液态二氧化碳或干冰

在利用LNG的冷能制造液态二氧化碳或干冰时，由于LNG冷量能够实现制取液态二氧化碳和干冰所需的低温，这样气体CO2仅需压缩至0.9 Mpa左右，因此这种工艺耗电量小，仅为0.2 kW·h/m3。除此之外，此工艺生产的液态CO2的纯度高达99.99%。和传统工艺相比，耗电量节约了30%～40%，初始投资费用减少了10%。

2.4 冷冻冷藏库

冷库是实现特定的温度和湿度，用来加工或者存储食品、工业原料等的建筑物。根据冷冻物品不同，冷库可分为低温冻结库、低温冷冻库、冷藏库以及果蔬预冷库，以上冷库的温度分别控制在-60、-35、0、0～10 ℃。将LNG与冷媒通过换热器进行热量交换，被冷却的冷媒流经管道进入冷库，最后在冷库内通过冷却盘管实现对冷库内物品的冷冻冷藏，从而省去制冷机，减少了大量的初始投资，还节约了30%以上的电力。

2.5 储罐蒸发气(BOG)再冷凝回收

针对采用再冷凝法工艺流程的LNG接收站，将LNG储罐中产生的蒸发气(Boiled off gas，BOG)压缩到一定的压力，在再冷凝器中将BOG与从罐内泵泵出的过冷LNG混合，利用LNG的冷量将BOG再冷凝成液体，再打回主流程，经LNG高压泵加压后进入汽化器，再气化送至外输管道。BOG再冷凝回收属于LNG冷能的内部利用，使BOG再冷凝减少了BOG压缩机的消耗，节约了能量。

3 LNG冷能利用方式比较

国外大多数LNG冷能利用项目都是在能源价格较低廉的年代陆续开发的，所以绝大部分的LNG冷能利用项目只是单一的LNG冷能利用。这些项目只考虑了冷能的回收利用，并未考虑利用过程的效率。我国LNG进口较晚，目前能源紧缺，能源价格昂贵，在这样的背景下规划LNG冷能利用项目必须在可行性阶段充分考虑各种冷能利用项目的效率和经济性。

(1)LNG冷能用于空气分离，生产液氧、液氦、液氩，技术成熟，LNG冷能利用率高，产品具有一定竞争力。产品市场容量大，不存在原料问题。因此LNG冷能用于空气分离是一个较好的冷能利用途径。

(2)虽然LNG冷能发电在国外(主要是日本)已

经是成熟技术，但国内尚无经验，而且从我国国情考虑，规模与发电成本太高，企业无法承受发电设备的投资，用户无法接受昂贵的电价。

(3)利用LNG冷能制造液态二氧化碳或干冰以回收电站的CO2具有很高的能量效率，并且可以实现电站CO2的零排放，是一个技术先进的项目，但是必须要求配套的燃气电厂与LNG接收站毗邻建设。

(4)利用LNG冷能建造冷冻冷藏库具有初始投资少、电力消耗小、噪音小、故障少、易维修等优点，但是受建设选址及LNG接收站外输量波动的影响较大。

(5)利用LNG冷能再冷凝接收站内产生的BOG在山东LNG接收站内已建成投产。

(6)一个大型的海水淡化项目往往是一个非常复杂的系统工程。

(7)利用LNG冷能建设的轻烃回收装置在山东LNG接收站已处于工程建设收尾阶段，建成投产指日可待。

综合以上分析，利用LNG冷能进行空气分离技术方案以其建设方案灵活、依托条件简单、产品市场广阔，更适合于我国目前LNG接收站建设实际，是山东LNG接收站下一步LNG冷能回收利用的首选方案。

4结 论

随着全球能源环境问题的日益突出及LNG产量的迅速增长，LNG冷能利用的前景十分广阔，利用LNG冷能的方式也多种多样。山东LNG接收站在目前已确定的利用LNG冷能进行BOG再冷凝及轻烃回收的基础上，可考虑利用LNG冷能进行空气分离以进一步利用LNG冷能。

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

[2] 顾安忠. 液化天然气技术手册[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3] 林文胜，顾安忠. 空分装置利用LNG冷量的热力学分析[J]. 深冷技术，2003(3)：26～30.

[4] 徐文东，华贲. LNG冷量优化集成利用技术. 天然气工业，2006，26(7):127～129.