LNG冷能利用领域和相关限制性条件

深圳市规划国土发展研究中心 张 涛

液化天然气(LNG)的气化过程伴随大量冷能的释放，按理论计算每吨 LNG经换热气化产生的可利用冷量约为250 kW·h。如果不能有效利用，不仅造成大量能源浪费，而且还会造成环境污染。

众所周知，中国 LNG净进口量已位居世界第一，我们在引进LNG的同时，也应将LNG冷能利用技术顺带引进。面对如此巨大的清洁能量，必须在“双碳”目标的指引下，好好地研究如何高效利用LNG冷能。

1 LNG冷能利用领域

1.1 冷冻仓库

在我国，LNG接收站一般建设在海边港口附近，一是为了方便船运，二是为了利用海水的浅层地热进行热交换，将液态的天然气转变为气态的天然气。与此同时，大型冷库为了方便鱼类的储藏、冷冻加工和运输，通常也建设在港口周边。因此，回收 LNG冷能供应给冷库，是一种便捷和互利互赢的冷能利用方式，不仅可以省掉冷库制冷机的安装费用，而且可以获得 LNG气化所需要的能量，大大节省初始投资和运行费用。

为高效和梯级利用 LNG冷能，由低到高将不同温度的 LNG作为相应热交换的冷媒，依次送入低温冻结库(－60℃)、低温冷冻库(－35℃)、冷藏库(0℃以下)和果蔬预冷库(0～10℃)等。

LNG冷能回收进行冷冻、冷藏的流程示意如图1所示。

图1 LNG冷能回收进行冷冻、冷藏流程示意

1.2 汽车空调和冷藏柜

随着 LNG汽车的不断发展和市场规模逐步扩大，LNG不仅可以用作汽车的清洁燃料，也可以将其冷能应用于车辆上的空调和冷藏柜中，以此替代LNG汽车单独配置的机械式制冷机组系统。此举在节省成本的同时也消除了机械制冷带来的环境污染，具有节能和环保的双重价值。

1.3 制取液态CO2

液态CO2在焊接、铸造和饮料行业的应用非常广泛。利用LNG冷能制造液态CO2或干冰，不但电耗小，而且生产的产品纯度更高，质量更好。与传统的液态 CO2制造方法相比，利用回收的 LNG冷能制造液态CO2或干冰，可节约50%以上的电能消耗和约10%的建设费用。

1.4 LNG冷能发电

目前国际上应用较为广泛的 LNG冷能发电是利用氮气闭式循环气体透平发电。该工艺遵循布雷敦循环理论，技术相对成熟，具有较好的市场前景。

如图2所示，利用氮气闭式循环气体透平发电系统由发电机、压缩机、氮气透平、加热器、换热器和蒸发器等设备组成。LNG冷能发电工艺主要使用LNG冷能冷却压缩机进口的气体，降低其温度，以此达到压缩机在相同增压比的情况下功耗更低的目的，提升发电系统的整体效率。

图2 氮气闭式循环气体透平发电系统示意

1.5 LNG冷能用于空分工艺

LNG冷能运用于两级压缩式制冷机冷却空气生产液氮、液氧，可以实现空分系统的小型化、集成化和模块化，降低电能消耗约50%，降低水量消耗约70%，在大幅度降低液氮、液氧生产成本的同时，提升经济效益和环保效益。

低成本制造的液氮可以将 LNG冷能的使用领域延伸至更低的温度(－196℃左右)，如用于真空冷阱、生产半导体器件、食品速冻、低温破碎、金属热处理以及生产高纯度臭氧运用于污水处理等方面。尤其在低温破碎领域，通过 LNG冷能进一步的精细利用，可以使用不同的低温有针对性地破碎不同成分的复杂混合物，进而达到更加理想的破碎效果。因此，LNG冷能在资源回收、物质分离、精细破碎等方面有着极好的应用前景和广泛市场。

2 LNG冷能经济分析

如果按照1个大气压、常温的气态工况下1 t LNG释放约900 MJ的能量计算，在经过低温换热重新气化后，1 t LNG可利用的冷能折合电量约为250 kW·h。

根据初步推算，1座300万t/a的LNG接收站，每年可利用的冷能约为 7.5亿 kW·h，相当于 15万kW装机的年发电量。2020年我国进口LNG达到了 6 250万 t，1年可以利用的冷能约为 156亿kW·h，相当于312万kW装机的年发电量。

以上分析是理论计算，在实际的 LNG冷能利用过程中，不可避免地会产生工艺上的损耗和运输的能量损失。即使考虑这部分自耗能量，可有效利用的LNG冷能总量还是非常可观的。

3 LNG冷能利用限制性条件

3.1 低温设定值的确定较为复杂

LNG的低温值和产生LNG低温所需要的付出成本之间存在一定的曲线逻辑关系，而非正比例关系。LNG的温度值越低，LNG生产厂就必须耗用更多的电能制造LNG，整体的效率将会逐渐降低，成本则将会逐步增高；反之亦然。因此，LNG生产厂、LNG运输企业、LNG运营企业和LNG冷能利用企业之间应达成技术共识，设定合理且实用的低温值，以此提升 LNG冷能生产、运输和使用的全生命周期效率。

3.2 供需平衡较难

在我国，由于 LNG主要应用于天然气电厂和城镇燃气用户，致使白天和晚上的用气峰谷值较大，导致 LNG的供应和冷能的释放不可避免地呈现出不稳定的曲线状态或对立状态，因此必须通过多种技术手段优化天然气输配系统，积极缓解供需之间的矛盾。

在天然气输配系统中建设足够规模的储气设施，利用高效的智慧化调度手段预判 LNG负荷的变化，自动调节输配系统的 LNG供应，以此达到LNG冷能平稳输出的目的，保障城市天然气输配系统的稳定运行。

3.3 安全性要求高

LNG本身具有易燃易爆等特性，在工艺利用过程中，需要尽可能避免 LNG与其他设备直接进行热交换。由此，通常选择某些安全性和换热性较好的液体作为中间冷媒进行热传导。这就导致了冷却系统工艺的繁杂，同时也增加了LNG的泄漏风险、运营管理难度和投资运行成本。

3.4 区域位置选址困难

液体中间冷媒是通过管道的形式进行冷能的传送，为保障输送的安全和降低冷耗损失，冷媒管道采用高标准和高质量的管材，所以，冷媒管道的投资成本较高，路由选线较难。为了化解上述问题，我们在冷媒管道的路由选线过程中，应尽可能地考虑缩短冷媒管道的长度，要求 LNG接收站尽量邻近冷冻仓库、低温破碎工厂、液态CO2制造工厂、LNG冷能发电厂和LNG冷能空分厂。然而，LNG接收站和上述利用冷能的工厂均有自身的物流、交通和工艺的不同需求，导致了冷能的供需双方在场站选址方面的诉求存在一定的冲突。

因此，LNG接收站和利用冷能的工厂在规划选址阶段，需要相关专业人员前期介入城市规划的方案编制之中，予以先期的沟通交流，并开展实质性的规划布局，找寻到各自相对合理的区域位置。

4 结语

从技术的角度分析，LNG冷能可以应用于冷冻仓库、汽车冷藏、汽车空调、低温破碎、干冰制造、冷能发电和空气分离等多个领域。虽然存在某些限制性因素和制约条件，但是 LNG冷能利用的低碳性、清洁性、高效性和经济性使其受到诸多行业的关注和青睐。在我国确定碳达峰和碳中和目标的大背景下，我们相信属于低碳范畴的LNG冷能利用，必将借助自身的优势和广泛的市场需求在我国呈现蓬勃发展的态势。