LNG接收站冷能三段式梯级利用路线的研究

上海能源建设工程设计研究有限公司 吴柳凤 章润远

上海液化天然气有限责任公司 钟君儿

传统LNG接收站内，一般用海水作为热媒或用浸没燃烧天然气产生的热量来气化LNG，LNG气化过程中会释放出830～860 kJ/kg 的冷能。传统LNG 气化方式中未对气化所释放的冷能加以利用，导致的不良影响有两种：一是海水换热后温度下降5 K 左右，会对附近海域产生冷污染的负面影响；二是燃烧天然气(以下简称NG)会导致优质燃料的损失和废气排放。

本文为上海市科技创新行动计划项目——“上海LNG 冷能高效综合利用关键技术和工程化方案研究”的成果，项目编号：20dz1205800。

1 LNG 冷能特性

冷能利用的方式有直接和间接两种。冷能直接利用包括空气分离、冷能发电、冷冻仓库、制冰、制干冰或液态二氧化碳、海水淡化、冰雪世界、空调、低温养殖等；冷能间接利用包括低温粉碎、低温干燥、污水处理等。受条件限制，LNG 冷能不可能全部转化利用，通常利用效率约为20%。

LNG 中蕴含的冷能从温度场来考虑，主要分成3 个温度段：超深冷(＜－100 ℃)、深冷(－40～－100 ℃)和常规冷能(＞－40 ℃)，LNG 各温度区间蕴含的冷能见表1。

表1 LNG 蕴含冷能分布

从表1 可以看出，LNG 所蕴含的冷能主要集中在超深冷段，特别是LNG 气化时释放的冷能，在LNG 梯级利用时如何有效化的利用这一段冷能将会对LNG 整体冷能利用起到高效作用。LNG 冷能在不同温度区间有其独特的冷能应用方式，应实现梯级利用。不同的项目配置，冷能利用成效差别很大。仅考虑单一要素，如成本效益或市场需求等，将可能使冷能利用只局限于特定的项目而造成冷能利用效率偏低。另外，如果不结合LNG接收站周边的产业特点及相关政策，将会使选择的利用方案偏离规划而缺乏经济性，不利于冷能综合利用。

目前国内因工艺路线的不匹配或者利用冷区重叠，LNG 冷能往往在一次换热中就消耗了大部分能量，限制了后续冷能利用。针对以上弊端，本文重点研究冷能梯级利用各温区的特点，解决如何提高LNG 冷能利用效率的难题，即将其匹配进各个温度区段，根据每个区段的特点进行重点利用。

2 LNG 冷能三段式梯级利用工艺路线

LNG 冷能三段式梯级利用中最核心的部分是分区段温度利用的匹配性。与传统的气化供冷相比，每一个利用区段都能减少LNG接收站的运行能耗。本文研究的三段式梯级利用工艺路线，参考上海洋山LNG接收站的全年运行参数，针对LNG从储罐到气化时释放的所有冷能，将其分为3 个区段，结合LNG 自身的冷能梯级利用特点和用冷项目的工艺条件，尽可能达到全系统的梯级高效利用。三段式梯级利用工艺路线，如图1所示。

图1 三段式梯级利用工艺路线

图1 中，1 号LNG 储罐内置2 号低压潜液泵，低压潜液泵出口的LNG 管线分两路运行，一路通过5 号阀门控制，另一路通过7 号阀门控制。同时1 号储罐顶部出口BOG 送至3 号BOG 压缩机增压，经过4 号BOG 管线后和经过5 号阀门的LNG 在6号BOG 再凝器内换热。6 号BOG 再凝器出口的LNG 和经过7 号阀门的LNG 汇合后进入8 号高压潜液泵。8 号高压潜液泵出口的LNG 经过14 号中间介质换热器后变成NG 到15 号阀门，接着进入16 号常温NG 加热器，通过18 号阀门后进入外输系统。在LNG 气化段14 号中间介质换热器串联着10 号控制阀，11 号循环泵，12 号冷能发电加热器以及13 号透平发电机组。这些设备组成了冷能发电装置最重要的朗肯循环系统。在NG 加热段，16号加热器的热源由17 号空调系统的水冷装置提供。

3 LNG 三段式冷能利用技术

本研究结合LNG接收站的运行特点和LNG 气化的三个不同阶段(LNG 深冷段、LNG 气化段及NG加热段)研究出一种高效冷能利用路线。LNG 的主要成分为甲烷，LNG 贫富液的物性差异较大，下文中涉及的LNG 物性参数均为纯甲烷的数据。

3.1 LNG 深冷段

LNG 深冷段中，储罐内LNG 经罐内低压潜液泵增压后通过BOG 再凝器释放此部分优质冷能。

LNG 在1 号储罐中处于常压状态，此时LNG的温度为－160 ℃左右。通过LNG 储罐内的2 号LNG 低压潜液泵增压至1.26 MPa 后输出LNG 储罐，该压力下的甲烷饱和温度为－115 ℃，因此增压后的LNG 仍为过冷液(即液体温度低于饱和气化温度)。1 号储罐在日常运行过程中，由于外部环境的热量输入，储罐通常每日有0.05%的LNG 气化率。气化的BOG 通过3 号BOG 压缩机对外输出，BOG 输出压力为0.82 MPa，经过压缩机后BOG 温度一般为－60 ℃～－90 ℃。LNG 过冷液和增压后的BOG 在6 号BOG 再凝器中进行热量交换，BOG将被冷却并液化成LNG，而LNG 则被加热至－135 ℃进入8 号高压潜液泵，此时的LNG 还处于过冷状态。

一般情况下LNG 的外输量要远大于储罐内的BOG 量，在DCS 控制系统中通过计算BOG 压缩机出口流量来控制5 号调节阀开度，调节进入6 号BOG 再凝器的LNG 流量，确保在BOG 能液化的前提下LNG 不会过多流入BOG 再凝器而造成漏热损失。

3.2 LNG 气化段

LNG 气化段中，先将－135 ℃的LNG 通过罐外8 号高压潜液泵进行增压，增压后的LNG 进入LNG 气化段工艺(即朗肯循环系统)。与气化器中的气态丙烷进行换热，LNG 气化为NG 后进入下一个工艺阶段，而丙烷在气化器中被液化。

经过深冷段加热的LNG 通过8 号高压潜液泵增压至6.3 MPa，然后进入冷能发电装置。冷能发电装置采用朗肯循环工艺。在冷能发电装置中，LNG 和气态的中间循环介质丙烷进行热交换，LNG释放冷能，自身气化升温为－50 ℃左右的NG。在这个过程中介质将经历三次状态变化，即LNG 升温至－115 ℃的饱和状态、－115 ℃的LNG 释放汽化潜热变成同温度NG 的相态变化、NG 升温至－50 ℃的过热状态。整个过程中，LNG 的流量通过9 号流量控制阀进行控制，并以15 号阀门作为超温等紧急情况下的切断阀门。朗肯循环发电系统通过10 号阀门来匹配LNG 的流量，并控制出口NG 的温度及中间循环系统的液化、机械功输入等循环要求。

3.3 NG 加热段

NG 加热段冷能利用主要为水冷循环系统，通过水循环系统与低温NG 进行换热，将－50 ℃的NG 升温至1 ℃，空调水循环系统则在此处进行5～6 K 的温降至12 ℃。

NG 通过气相升温释放冷能。通常在换热器中气液换热的效率要远高于气气换热，为了将这一部分NG 冷能充分利用起来，采用较为温和的循环水作为换热介质。循环水与NG 换热后温度降低，一方面降温后的循环水经过机房水冷系统给外部供冷，另一方面循环降温过程中起到了给NG 加热的作用。NG 加热段不设流量控制系统，而是通过循环水的温度变化进行系统调节。为防止16 号气化器中的空调循环水冻结，循环水量会适当过量，水温的温降控制在10 K 以内。如果发现温降过大则直接通过NG 出口的18 号紧急切断阀直接切断NG的流量，确保装置的正常运行。NG 加热段会使NG温度升至1 ℃以上。

3.4 三段式LNG 放热量计算

物体在传热过程中放热量Q放的计算公式，如式(1)所示。

式中：C——比热，J/(kg·K)；

m——质量，kg；

△T——温度变化，K。

纯物质的汽化潜热Q潜的计算，如式(2)所示。

式中：r——汽化热，J/kg。

按纯甲烷计算，甲烷的汽化潜热为506 kJ/kg，液相平均比热容为2.7 kJ/(kg·K )，气相平均比热容为2 kJ/(kg·K )。

以上三个工段的冷能计算结果见表2。

表2 三段式冷能利用过程冷能计算

从表2 的计算结果可以看出，LNG 深冷段为LNG接收站常用的BOG 冷凝工艺，技术成熟，该工段可利用的冷能占释放总量的8%；LNG 气化段释放的冷能占比为80%(三段中最高)，这部分冷量利用后的副产物为电能，可供厂区自用或并入电网；NG 加热段中释放的冷能占比为12%，这部分低品位的冷能较少被利用，通常随着海水排入海洋，会导致局部低温，从而影响海洋生态。

综合上述，通过三段式冷能利用，LNG 蕴含的冷能被应用于不同领域，如再冷凝系统、发电系统、空调系统等。这种技术可以有效提高能源利用效率，减少能源浪费，对环境产生相对较小的影响，因此在可持续发展和节能减排方面具有重要的应用潜力。

4 结语

传统LNG接收站中，在第一阶段(LNG 深冷段)就将大部分冷能进行利用，导致后续冷能利用方式受限，冷能利用率通常为40%～50%，而冷能三段式梯级利用路线可将LNG 的冷能综合利用率提高至100%。三段式梯级利用冷能也对LNG接收站有着非常大的环境效益。在三段式利用路线中，增加了绿色电能，减少了CO2的排放，缓解了局部海域的冷污染问题，降低了水冷系统的电能，整体可以降低接收站的运营成本，是一种绿色高效的冷能利用路线。对LNG接收站而言，降低自身运营的能耗有利于项目启动和投产。