上海LNG接收站冷能利用发电的研究

上海燃气工程设计研究有限公司 章润远

关键字：LNG接收站 冷能利用发电 低温朗肯循环

1 引言

随着上海天然气市场的快速扩容，“十三五”期间天然气消费量将达到100亿m3，其中城市燃气用户规模约54亿m3，约为2010年的2.2倍，“十四五”期间天然气消费量将达到140亿m3，其中城市燃气规模将达到80 亿m3。届时，上海市天然气市场的不均匀性将更加显著，调峰需求量将进一步增加。此外，燃机用气需求亦将随之提高，天然气市场波动对于气温等因素的敏感性将提高，市场不确定性相应增加，对上海LNG项目的供应和调峰提出了更高要求。上海能源发展“十二五”规划和上海燃气发展“十二五”规划中，明确提出要建设上海LNG项目二期工程。

根据国家、上海浙江两级政府的节能减排政策，国家能源局对上海LNG储罐扩建项目的特别批示(“深入研究LNG冷能利用问题，做好冷能利用规划，同步建设冷能利用项目，提高能源综合利用效率”)，在上海LNG储罐扩建项目的前期设计中必须对冷能利用加以研究并在扩建工程实施时同步进行建设。上海LNG接收站一期扩建工程项目中的冷能利用方式主要是冷能利用发电，同时按照扩建项目现有整体规划，冷能利用同其它所有设施均一次规划、分步实施。

2 LNG冷能利用

2.1 冷能的定义

冷能指的是在自然条件下，利用一定温差可以得到的能量。根据工程热力学原理，利用这种温差可以获得有用的能量，这种能量称之为冷能。

液化天然气LNG由天然气经深冷加工液化后制得，属于一种超低温液体，主要成分是甲烷。每生产1 t的LNG，其动力消耗约为850 kW·h。LNG不能直接使用，接收站将LNG接收、储存后根据用户端的需求对LNG进行加压、气化和输送。LNG气化时释放的冷能约为830~860 kJ/kg。这些宝贵的冷能通常损失在气化器内部海水或空气中，造成能源浪费，也会影响周围海域及地区的生态环境。如果能充分利用好这部分冷能，则能达到节能和环保的目的。

2.2 LNG冷能的分类

LNG冷能按利用方式不同可分为直接利用和间接利用。直接利用方式主要有冷能发电，另有空气液化分离、液态乙烯储存、冷库、制造干冰、轻烃分离、低温养殖和海水淡化等。间接利用方式有低温破碎、冷冻食品、水和污染物处理及低温干燥等。

冷能利用发电是以电能的形式回收LNG冷能；空气液化是利用LNG的冷能来分离空气中的氧气和氮气，降低常规空分设备的制冷电耗；冷冻仓库是利用LNG与中间冷媒进行冷能交换获得低温冷媒，经过低温冷媒在仓库内循环，维持冷库所需要的低温温度；低温破碎是利用LNG制备低温物质，然后在低温下破碎这些在常温下难以破碎的物质。

上述各种冷能利用方式，除LNG冷能用于发电时因其产业链很短，基本不受其他因素干扰外，其他利用方式因其产业链很长，都会受到市场、资源、环境、运输等诸多因素的影响。如冷库模式，从冷能梯级利用的角度可能是比较匹配的项目，却在其他因素上存在诸多困难，难以在上海LNG接收站得以实施。

3 LNG冷能利用发电

LNG冷能利用发电是较为新颖的能源利用方式，技术比较成熟，能够大规模利用LNG冷能。

3.1 LNG冷能利用发电方法

LNG冷量由低温㶲和压力㶲组成，一般LNG通过气化器转化为常温气体时，该部分能量会流失到海水，空气等介质中。对环境造成冷污染，也不利于LNG冷能的利用。现将这2种㶲利用发电方式进行动力回收，LNG冷能利用发电的方法通常有以下3种：

(1)直接膨胀法

LNG经低温泵加压，在气化器受热气化为高压天然气，然后利用LNG的物理㶲在高压气化时转化成的压力㶲，直接驱动透平膨胀机，带动发电机发电，如图1所示。其冷热能回收量取决于汽轮机进出口气体的压力比。直接膨胀法发电原理简单，投资少，但是效率不高，发电功率较小。实际使用过程中，该方法多与其他冷能利用方案综合使用。

图1 直接膨胀发电工艺路线

(2)低温朗肯循环法

LNG通过冷凝器把冷能转移到冷媒上，冷媒在温差的作用下进行蒸汽动力循环，从而做功产生电能。低温朗肯循环发电工艺路线，如图2所示。冷媒的选择是该方法进行冷能发电的关键，常用的冷媒主要有甲烷、乙烷、丙烷等单组分，也可以采用它们的混合物。

图2 低温朗肯循环发电工艺路线

(3)联合法

联合法将直接膨胀法与低温朗肯循环法相结合，可以大大提高冷能利用率，一般可保持在50%左右。日本投入实际使用的LNG冷能发电项目大多采用这种方式。

实际使用过程中，可以根据冷量㶲中低温㶲和压力㶲的相对比例确定合适的㶲利用方式，即确定合适的冷能利用发电方法。

上海LNG接收站天然气是输送至管网，需要稳定的压力及稳定的流量。若采用直接膨胀法，经过冷能利用装置，天然气压力及流量波动较大，不适合目前的生产情况。若采用低温朗肯循环法，天然气本身只是被气化，不牵涉进发电部分，能保证稳定的压力和流量，适合目前的生产情况。故上海LNG接收站采用低温朗肯循环冷能发电法。

3.2 上海LNG接收站冷能利用发电工艺

上海LNG项目储罐扩建工程设置一套冷能发电装置，额定LNG气化能力为205.2 t/h，以海水作为热源。冷能发电装置采用低温朗肯循环系统，冷媒选用丙烷。

在冷能发电装置CPG(Cold Power Generator)中，来自海水的热量转移到LNG中间传热介质，再用来气化LNG。中间传热冷媒是制冷剂级丙烷(至少98 mol%纯度)。在这一过程中，由海水蒸发的丙烷驱动与发电机组连接的透平，用从LNG回收的冷能发电。在传统的LNG气化过程中，这些冷能被直接排放到大海中。上海LNG接收站发电工艺路线见图3。

图3 上海LNG接收站发电工艺路线

冷能发电装置的主要设备有中间介质气化器IFV(Intermediate Fluid Vaporizer)，丙烷循环泵和透平发电机组件。中间传热工作介质是制冷剂级丙烷。IFV分为3个热交换器：E1(丙烷蒸发器)、E2(LNG气化器)和E3(NG加热器)。

冷能发电装置运行模式分为发电模式和旁路模式。

(1)发电模式

发电模式下，E1壳侧的液态丙烷由海水加热气化。蒸发后的丙烷被送至透平进口，驱动透平机发电。在透平出口，丙烷蒸汽降压至大气压，然后进入E2壳程由管侧的LNG进行冷凝。LNG在E2中被丙烷从大约－150 ℃加热至－50 ℃，变成天然气NG。经过E2后，丙烷冷凝液由管线进入丙烷循环泵，之后液态丙烷经丙烷循环泵恢复压力后再次被送入E1壳侧。在E2中被加热的NG被送至E3壳侧，被管侧的海水加热至高于1 ℃，已达到外输要求。

(2)旁路模式

旁路模式下，透平和丙烷循环泵被旁路，不再运行，此时CPG装置仅执行LNG气化功能。E1壳侧的丙烷蒸汽直接进入E2壳侧，E2中被冷凝的液态丙烷直接进入E1壳侧。在这个操作下驱动丙烷循环的是重力，因而E2的位置比E1高。

冷能发电装置外输气量会根据用户需要不同而发生变化，海水温度也会随季节不同而发生变化。所以外输NG的温度和海水出口的温度将在一定范围内波动，必须确保在正常操作时外输气体温度高于1 ℃且海水进出口温差不超过5 ℃。

装置入口LNG管道上设有流量调节阀，利用气化器出口气体的温度和天然气输出总管的压力控制此阀门的开度。可根据以下原则设定气化器流量：

(1)操作员根据用户需气量确定气化器的流量；

(2)通过设在外输管道首站的输出需求来控制气化器运行流量。

海水流量由设置在气化器海水出口管道上的手动调节阀进行控制，操作员通过分布式控制系统DCS(Distributed Control System)手动调整调节阀的开度实现海水流量的设定。

冷能发电装置有两种不同的紧急关闭模式用于设施保护：

(1)装置跳车(操作完全停止)模式：主要触发因素有E2出口温度低低、E3出口温度低低、丙烷泵入口温度低低、海水流量低和上海LNG接收站发生异常状态而出现的报警停车；

(2)切换到旁路运行模：主要触发因素有丙烷泵出口压力低低、丙烷泵泵筒液位低低、丙烷泵跳车和透平发电机成套包跳车。

冷能发电装置中的安全装置：

(1)在LNG入口管道和NG出口管道上分别安装1台切断阀，在紧急工况或维修期间可对设备进行关断隔离；

(2)在E1设备本体、E2设备本体、E3入口和丙烷泵放空管道各设有1台安全阀，气化器出口气体管道设有2台安全阀，用于设备超压保护。

另外当IFV(含冷能发电装置)不工作，但需要随时快速启动时，需要维持低流量的LNG和海水以便保持系统处于冷备。

4 不同工况的计算及分析

4.1 计算工况

上海LNG接收站冷能利用发电工艺路线为低温朗肯循环，该循环中含有三种工艺介质：天然气、海水及丙烷。其中丙烷为内部循环，天然气和海水有对外界面。考虑到上海LNG接收站实际运行的复杂性，工艺计算针对天然气和海水采用多工况组合进行分析。分析每一个操作工况时，需考虑LNG组分情况、天然气外输流量及海水温度。海水流量经分析对工艺计算影响不显著，计算中取海水流量值为7 755 t/h。

LNG组分经过数据采集，主要分三个类别：富液、贫液及上海LNG接收站实际使用组分(下文简称典型)，产品规格见表1。

表1 天然气产品规格

天然气外输流量考虑洋山港一期运行情况，满负荷100%为205 t/h，极限负荷105%为215.25 t/h，LNG进口温度为－147 ℃。海水平均温度值：夏季平均温度30.1 ℃，冬季平均温度7.6 ℃，春秋季平均温度17.0 ℃。

经过组合和筛选，主要计算工况见表2。

表2 冷能发电计算工况

4.2 计算结果

工况5、工况6、工况7主要研究在LNG组分为典型情况时，不同海水温度下冷能发电装置的运行情况，而工况1、工况2、工况3、工况4则研究冷能发电装置的四个边界条件，确保该装置在任何情况下都能够正常运行。

发电功率以透平热效率85%、机械传动效率95%、发电机效率95%(总效率77%)这三个预估条件为前提，进行装置发电量的计算。

针对7种工况进行相关计算的结果见表3。

表3 各工况下冷能发电装置计算结果

从表3的计算结果可以看出，发电功率最大值出现在工况2为3 990 kW，发电功率最小值出现在工况3为2 290 kW。在进口海水温度相同的条件下，如工况1、工况3和工况6，工况2、工况4和工况7，两组输出功率相比，工况1>工况6>工况3，工况2>工况7>工况4。即LNG组分越接近贫液，发电装置输出功率越大。

4.3 分析

上海LNG接收站冷能利用发电不同工况计算结果表明：

(1)LNG组份越接近贫液，蕴含的冷能越多，冷能发电装置的外输功率越高。

(2)海水温度于冷能发电装置的外输功率成正比，温度越高外输功率越大。

(3)LNG综合利用效率可以通过冷能发电装置得到进一步的提高。除了传统意义上的热值外，还提取了冷能，是未来LNG接受站节能的一种有效措施。

5 结语

上海LNG接收站冷能利用发电的研究仅考虑LNG组分和海水温度两个变量，得出其和冷能发电装置外输功率的关联性。后续研究可调整其它边界参数(如LNG温度和压力等)查看其变化量和外输功率的变化关系。此研究实际运行参数为依据，有良好的经济效益、节能效益和社会效益；此研究针对简单工艺路线进行了模拟和分析，后续可考虑结合上海LNG接收站其它能源使用情况来进行技改，以进一步提升LNG冷能利用发电装置的利用效率。