液化天然氣冷能利用途徑初探

樊亞明， 劉 梅， 吳正人， 呂玉坤

（1.華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003；2.華北電力大學 經濟管理系，河北 保定 071003）

天然氣以其儲量豐富、經濟、環保等特性成為繼石油之后各國重點開發的化石燃料。其中液態天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）的發展尤為迅速，在天然氣貿易中的比重也從2002年的25.8%上升到了2010年的30.52%。埃克森美孚公司于2010年初預計，今后20a內世界LNG需求量年增長約4%，到2030年，預計LNG將占世界天然氣需量的15%。

中國海關總署數據顯示，2010年我國共計進口 LNG 達到935.6×104t，同比大幅增長69.13%，其中20%依賴于國外進口，2010年LNG的進口量可利用冷能折合為電能約為每年33×108kW·h，如果將這些冷能加以利用，相當于減少CO2排放34×104t，對促進我國節能減排、發展循環經濟、提高資源利用率作用巨大［1－2］。

1 LNG冷能及能源價值

LNG燃料以甲烷為主要成分，在一個大氣壓下，從－160℃極低溫度升高到25℃，LNG吸收920kJ／kg的熱焓，如果這些冷能能以100%效率轉換成電力，則1t的LNG相當于250kW·h，所以LNG具有相當大的能量。LNG汽化產生的大量冷能通過海水排入大海，不僅浪費大量的冷量，又對海洋生態環境產生不利影響。因此液化天然氣冷能的梯級利用，不僅可以有效降低能源供給，而且相對于傳統能源，液化天然氣冷能在開發使用過程中，幾乎沒有任何污染物排放，是一種綠色環保能源，具有可觀的經濟效益、環境效益和社會效益。

隨著LNG產銷量的迅速增長和全球性能源的日益緊張，LNG冷能利用的前景十分廣闊。目前LNG冷量利用方式大都是單一利用技術，但從能源的發展角度分析，應該開發LNG冷能梯級利用技術［3－5］

2 LNG冷能的主要利用技術

目前，國際上LNG冷能利用技術主要應用于空氣分離、發電、低溫粉碎、冷凍冷藏、海水淡化、干冰制造等［6－8］。

2.1 液化分離空氣

傳統空氣分離（以下簡稱“空分”）流程中需要的冷能是利用氟利昂制冷機和組合的膨脹機產生的。在常溫空分裝置中的冷卻器等換熱裝置中引入LNG冷能，每生產1m3的液化氧氣需要的電力消耗從1.2kW·h減少到0.5kW·h，同時減少了空氣壓縮中間冷卻的用水環節，節能節水效果顯著。由于空分裝置所需要達到的溫度比LNG溫度還低，因此LNG冷量中的有效冷能也會得到最大程度的利用，從熱力學角度看是最為合理的利用方式。目前空分裝置利用LNG冷量的流程，主要有LNG冷卻循環氮氣、LNG冷卻循環空氣及空分裝置聯合運行的LNG發電系統。由于氮氣膨脹劑制冷空分流程的廣泛應用，LNG冷卻循環氮氣的利用方式也是較為主流的方式［9］。

2.2 冷凍倉庫、低溫粉碎

液化天然氣適合用船運輸，LNG接收站一般都設在港口附近。大型的冷庫基本也都設在港口附近，以方便遠洋捕獲的魚類的冷凍加工。因此，回收LNG冷能供給冷庫是很方便的冷能利用方式。將LNG接收站的冷能作為冷庫的冷源，在回收LNG冷能的同時又可簡化制冷工藝（不用制冷機），大幅削減冷庫的建設和運行費用，可以節省1／3以上的電力［10］。低溫粉碎是LNG冷能間接利用的主要方式之一。輪胎、塑料及其他成分組成的合成物在常溫條件下不易粉碎，但都具有低溫脆性，因此利用LNG冷能低溫粉碎是一種高效技術。將廢舊橡膠低溫粉碎可生產出高附加值的精細膠粉，既回收資源，又減少了環境污染。目前，主要有廢棄輪胎及食品的低溫粉碎等。

2.3 干冰生產、海水淡化等

傳統的液化工藝是將二氧化碳壓縮至2.5～3.0MPa，再利用制冷設備冷卻和液化，利用LNG冷能則很容易獲得液化二氧化碳所需要的低溫。與傳統液化工藝相比，工藝流程簡單，制冷設備負荷減少，電耗也降低為原來的30%～40%。LNG冷能用于海水淡化是屬于冷凍法海水淡化的一種，基于很多LNG接收站建設在沿海地區，因地制宜地發展海水淡化，不但可解決LNG接收站及附近淡水用戶用水問題，而且簡化了傳統冷凍法海水淡化中整個裝置，節省了供給淡水的建設費用［11－12］。

2.4 冷能發電

燃氣輪機電廠利用LNG冷能，主要方式有燃氣輪機入口空氣冷卻和蒸汽輪機排氣冷卻。我國一次能源消費中有很大一部分以中低溫余熱的形式排放掉了，由于溫度不高（約450℃以下），中低溫余熱難以做功，但若與冷能結合就能大大擴展其工作溫度區間，實現高效動力回收利用。而以L N G作為冷源，中低溫工業余熱作為熱源的閉式Brayton循環，則可實現低溫余熱的充分利用。進氣冷卻的方案是利用中間傳熱工質，通過2級換熱器將LNG冷能傳遞給燃氣輪機入口空氣；同時，利用氣化LNG后的海水作為凝汽器的循環水可降低汽輪機背壓，不僅有利于提高聯合循環蒸汽輪機部分的出力，而且減小海水的溫降，有利于該海域的環境保護和生態平衡。該技術也可針對火力發電廠的汽輪機凝汽器冷卻。

依靠動力循環進行發電是目前LNG冷能回收利用的重要內容，且技術相對較成熟。主要是利用LNG的低溫冷能使工質液化，然后工質經加熱汽化在汽輪機中膨脹做功，帶動發電機發電。目前采用最廣泛的是將直接膨脹法和低溫朗肯循環法聯合使用，這樣可以使冷能的回用效率大大提高，冷能回收效率可提高至36%，每t的LNG發電量達到45kW·h［13－14］。

3 LNG冷能利用現狀及有效途徑

3.1 冷能利用現狀

我國LNG冷能利用起步較晚，專家學者們在LNG冷能品質分析、LNG冷能發電、LNG低溫粉碎、空氣分離、冷凍冷藏等方面均做了很多有益的探索，但許多LNG冷能利用技術還尚不成熟，建成的工程實例也很少。中國海洋石油總公司在福建省莆田市建設了我國首套利用LNG冷能進行空氣分離生產線，該裝置具有較大的環境和能效效益，使用冷能大大減少了工業氣體生產過程中的電耗。廣東省佛山市順德杏壇LNG站冷能用于冷庫技術項目，是國內首次將冷能的量化和計量用于實際工程，并商業化運營的冷能利用項目，也是國內首個運營的LNG冷能利用工程實例，在該領域起到示范作用。福建省德化縣建立LNG冷能利用服務公司，把LNG冷能分梯級用于低溫發電、低溫冷庫、室內人造冰雪和冷水空調等。大連LNG接收站是我國目前技術最先進、功能最齊全、國產化率最高的接受站，也是我國自主設計和建設的LNG接受站。經過多年實踐，我國LNG冷能利用技術已漸趨成熟，也積累了一定經驗，旨在提高冷能回收利用率的新理念、方案，如LNG冷能的梯級利用、大型LNG接收站冷能的綜合利用等也正在不斷提出。

3.2 冷能利用的有效途徑

LNG冷能用于發電系統，產業鏈很短，基本不受其他外界因素干擾，可回收LNG大部分溫度段的冷能，冷能發電系統啟動和停止也較容易，特別在LNG負荷變動較大的情況下，可以有效地回收冷能，從而受到廣泛關注。

目前日本有26臺獨立（與電廠無直接關系）的冷能利用設備，其中15臺低溫朗肯循環獨立發電裝置，出力大致各為幾千千瓦［15］，由此可見，冷能用于發電是日本LNG冷能利用的主要途徑。回收LNG冷能用于發電不僅有效回收利用了能源，而且減少了機械制冷造成的大量電能消耗，具有可觀的經濟效益。同時，開展冷能發電技術還有利于優化我國以煤電為主的電源結構調整，緩解煤電帶來的環境保護壓力，社會效益顯著。日本的工程實例將為我國冷能發電積累經驗。

4 結束語

冷能利用不僅要以利用過程中能量回收量的多少為依據，還要看能量利用的品位，應當把握溫度對口、梯級利用的總能系統原則。

基于種種條件的限制，LNG冷能不可能全部轉化利用，目前世界LNG冷能平均利用率約20%，LNG冷能利用項目也大都是單一用戶，很少有多用戶集成的項目。規劃建設新的LNG接受站的同時，應當充分考慮LNG冷能利用產業鏈項目，包括冷能利用產業鏈、天然氣冷熱電聯供的工業能源循環經濟鏈等。此外，LNG作為一種低溫液體，其主要危害體現在溫度極低，氣液膨脹比大，易于與空氣形成爆炸性混合物。因此，LNG接收站也存在潛在的危險，需要從設計方面進行相應的技術改進。

液化天然氣氣化過程中產生的冷量能源的利用在中國是一個新興的產業，冷能的合理利用以及減少冷能污染，目前已經得到國家有關部門的高度關注和積極支持。如果能充分利用LNG冷能，不僅能夠獲得需要的產品，還能對環境保護產生重要作用。目前我國LNG冷能已基本具備了綜合集成條件，在充分汲取各國成熟技術基礎上，通過自主集成創新，我國LNG冷能利用一定能實現技術、管理機制和市場運作等各方面的突破，大規模利用LNG冷能發電工程也必將會得到穩步發展。

［1］邢 云，劉淼兒.中國液化天然氣產業現狀及前景分析［J］.天然氣工業，2009，29（1）：122－123.

［2］華 賁，熊永強.中國LNG冷能利用的進展和展望［J］.天然氣工業，2009，29（5）：107－111.

［3］尤海英，馬國光，黃 孟，等.LNG冷能梯級利用方案［J］.天然氣技術，2007，1（4）：65－68.

［4］徐文東，高麗榮，華 賁，等.液化天然氣冷能梯級集成利用技術研究［J］.現代化工，2007，27（4）：11－13.

［5］熊永強，華 賁，賈德民.以冷媒為介質的液化天然氣冷能利用系統［J］.現代化工，2009，29（3）：72－76.

［6］賀紅明，林文勝.基于LNG冷能的發電技術［J］.低溫技術，2006，34（6）：432－435.

［7］張 娜，蔡睿賢，王 威，等.利用LNG冷（火用）的準零CO2排放循環探析［J］.工熱物理學報，2003，24（6）：901－905.

［8］蒲 亮，燕 娜，孫善秀，等.液化循環中LNG冷量利用的熱力學研究［J］.天然氣工業，2007，27（6）：26－29.

［9］錢伯章.中國第一套LNG冷能空分裝置投用［J］.油氣田開發，2011，29（1）：41.

［10］李錫杰，劉建海.液化天然氣冷能的冷凍庫利用［J］.煤氣與熱力，2011，31（10）：10－12.

［11］謝春剛，孫 靖.基于LNG冷能的海水冷凍淡化機理研究［J］.低溫技術，2012，40（2）：11－15.

［12］黃美斌.利用液化天然氣冷能的海水淡化技術研究［D］.上海：上海交通大學，2010.

［13］白慧峰，梁法光，危師讓.LNG冷能在IGCC電站中的梯級利用探討［J］.熱力發電，2010，39（9）：5－7.

［14］薛 進，張明智，張曉美，等.LNG冷能在燃氣輪機進氣冷卻系統中的應用［J］.應用能源技術，2010（10）：32－35.

［15］黃建民，廖文俊，曾樂才.液化天然氣冷能的綜合利用研究［J］.上海電機學院學報，2008，11（2）：87－91.