LNG冷能發電技術現狀研究

高 源， 侯珍珍

(中海油石化工程有限責任公司,山東 濟南 250101)

LNG冷能發電技術現狀研究

高 源， 侯珍珍

(中海油石化工程有限責任公司,山東 濟南 250101)

LNG冷能發電技術有助于實現對天然氣及石油行業的節能降耗，符合當前社會節約型能源的建設要求。本文通過研究LNG冷能發電技術文獻資料，對LNG冷能發電原理進行了介紹，并結合實際項目的設計工作，重點對二次媒介法的設計方案進行了分析和描述。同時介紹了目前LNG冷能發電技術在國內的項目實例最新進展。

LNG冷能發電技術；冷能利用

天然氣作為一類優質能源，具有污染少、熱值高、儲量大等特點，是國內外使用最為廣泛的能源之一。為了方便大量儲存和運輸天然氣，提升天然氣的使用效率，供應商通常會在天然氣開采后，進行除雜和液化處理，將天然氣轉變為液化天然氣(即LNG)，通過海運將其運輸至LNG接收站氣化后供用戶使用。在LNG氣化過程中，會釋放出大量的冷能，如將這部分能量回收并用于發電，將會降低LNG接收站的電能消耗量，獲得較好的經濟效益和社會效益。

1 LNG冷能發電原理

LNG是甲烷為主的低碳烷烴低溫液態混合物，與周圍環境存在著溫度差和壓力差。LNG的冷量就是液化天然氣變化到與環境平衡狀態所能獲得的能量通常采用熱力學參數火用來評價，火用是衡量冷能大小的指標。冷能火用反映了能量的反生和傳遞的趨勢，揭示了系統內部能源的大小、成因及損失分布情況，為合理利用能量提供了理論依據[1-2]。LNG冷能發電的原理在LNG氣化時利用其與周圍環境劇烈的能量交換所引起的介質的壓力和體積的變化對外做功來實現發電。

2 傳統的LNG冷能發電技術

2.1 直接膨脹法

直接膨脹法在使用過程中，從儲罐出來的LNG需要經過輸送泵加壓后，再經過LNG完成蒸發汽化工作，進而演變成為一種高壓常溫氣體。需要加大對物理火用的應用，將高壓下的LNG轉換為壓力火用，通過發電機及加熱器實現發電和外輸工作(見圖1)。

圖1 天然氣直接膨脹發電流程示意圖

直接膨脹法的優點是循環循環過程，所需設備少；但該方法效率不高，且發電功率較小，冷能回收效率僅為24%[2]。

2.2 二次媒體法

二次媒介法是一種朗肯循環過程，其基本過程是在冷能發電裝置中，海水的熱量轉移低溫的液態中間介質上(通常采用制冷劑級丙烷)，中間介質受熱氣化膨脹，驅動與發電機組連接的透平發電，做功后的氣態中間介質再被LNG冷凝為液態，重新與海水換熱，如此循環不斷發電(見圖2)[3]。

圖2 二次媒介法的冷能發電裝置工藝流程示意圖

冷能發電裝置的主要設備有IFV(中間介質氣化器)，LPG泵和透平發電機組件。中間介質是制冷劑級丙烷。IFV分為3個熱交換器：E1(LPG蒸發器)，E2(LNG 氣化器)和E3(NG加熱器)。

冷能發電裝置的運行模式分為發電模式和旁路模式。

在發電模式下，E1殼側的液態丙烷由海水加熱氣化，然后蒸發的丙烷被送至透平進口，驅動透平機發電。在透平出口，丙烷蒸汽降壓至大氣壓，然后進入E2殼程由管側的LNG進行冷凝。LNG在E2中被丙烷從大約-150℃加熱至-50℃，變成天然氣。經過E2后，丙烷冷凝液由管線進入LPG泵，之后液態丙烷經LPG泵恢復壓力并再次被送入E1殼側。在E2中被加熱的天然氣被送至E3殼側，被管側的海水加熱至高于1℃，以達到外輸要求。

在旁路模式下，透平和LPG泵被旁路隔離，不再運行。在這種模式下，丙烷僅執行LNG氣化功能。E1殼側的丙烷蒸汽直接進入E2殼側，E2中被冷凝的液態丙烷直接進入E1殼側。在這個操作下驅動丙烷循環的是重力，因此，E2的位置應高于E1。

冷能發電裝置外輸氣量根據用戶需要不同會發生變化，海水溫度也會隨季節不同發生變化。所以外輸NG的溫度和海水出口的溫度將在一定范圍內波動，同時確保在正常操作時外輸氣體溫度高于1℃且海水進出口溫差不超過5℃。裝置入口LNG管道上設有流量調節閥，利用氣化器出口氣體的溫度和天然氣輸出總管的壓力控制此閥門；也可根據用戶需氣量確定氣化器的流量；

冷能發電裝置有兩種不同的緊急關閉模式，用于設施保護：

(1)發電模式時，當出現E2的LNG出口溫度過低、E3的LNG出口溫度過低、丙烷泵入口溫度過低、海水流量過低等情況時，需要觸發裝置跳車(操作完全停止)，以保護下游外輸管網的安全；

(2)旁路運行模式時，當出現丙烷泵出口壓力過低、丙烷泵泵筒液位過低、丙烷泵跳車和透平發電機成套包跳車時，需要裝置跳車。

在LNG入口管道和NG出口管道上分別安裝1臺切斷閥，在緊急工況或維修期間可對設備進行關斷隔離。當冷能發電裝置不工作時，為滿足隨時快速啟動的要求，一般需要維持低流量的LNG和海水運轉，以便保持系統處于冷備。

二次媒介法的冷能利用效率雖高于直接膨脹法，但由于高于中間介質的冷凝溫度的天然氣的冷能沒有被加以利用，因此該方法的冷能回收效率必然受到限制。提高二次媒介法效率的關鍵是選擇合適的中間介質，由于液化天然氣是多組分的混合物，沸程寬，要提高效率，使液化天然氣的汽化曲線與中間介質的凝結曲線盡可能保持一致是十分重要的。工作介質可以是甲烷、乙烷、丙烷等單組份，或者是他們的混合物。相對于單一介質形式，混合介質提供了更大范圍的冷能，擁有更高的冷能利用效率。但在實際的使用過程中，因混合介質配比受天然氣組成影響較大，工作狀態不穩定性，嚴重影響實際的使用效果[4]。同時受限于接收站危化品安全管理的要求，一般建設單位會更加傾向于使用單一介質。

2.3 聯合法

聯合法主要是指朗肯循環法和直接膨脹法的結合，其原理是通過利用二次媒介法冷凝丙烷過后的“高溫”LNG與海水直接換熱膨脹，帶動發電機進行發電來實現對LNG“剩余”冷能的再次循環利用。

3 最新研發的LNG冷能發電技術

3.1 溫差發電聯合動力裝置

溫差發電聯合動力裝置實際上是對LNG冷能的梯級利用，與上文介紹的聯合法類似，多次利用了二次媒介法產生的"高溫"LNG，直至其達到天然氣使用的最終溫度和壓力[5-6]。但這種方法雖然可以提高LNG冷能利用率，但是隨著利用次數的增加，其相應的設備投入費用也相應提高，目前看來并不具有實際的應用意義。

3.2 低溫半導體溫差發電

該方法是根據Seebeck效應[7-8]，運用低溫半導體表面的溫差引起的電壓進行發電，其主要的發電過程為：在LNG換熱管的內外兩面粘貼半導體溫差發電片，并對半導體中的發熱片進行密封處理。工作時，LNG和水分別通過換熱管內部和外部，形成內外溫差，進而產生直流電。目前該方法還主要停留在研究試驗階段，并沒有實現工程化。

4 目前國內的項目進展

上海液化天然氣有限責任公司于2005年成立，是上海地區的天然氣項目的建設、投資及運行的主體單位，其目前正在建設的上海LNG項目儲罐擴建工程規劃建設一套LNG冷能發電裝置，并計劃與2020年與擴建工程同步投產，該裝置的原理既是采用的本文介紹的二次媒介法。屆時該項目的成功運行將為國內LNG接收站的冷能利用開創新的發展方向。

5 結論

本文主要是對LNG冷能發電技術現狀進行介紹，從LNG冷能發電原理、傳統的LNG冷能發電技術、最新研究的LNG冷能發電技術進行分析，并結合我國上海LNG項目所利用的二次媒介法實例進行研究分析，明確了LNG項目的具體實施情況，冷能的回收利用對提升系統的能量利用效率具有重要作用，不受地理位置、市場及環境因素影響，符合當前社會節能、減排的發展要求。

[1] 陳利瓊,許培林,孫 磊,等. LNG冷能發電技術現狀分析[J].天然氣與石油, , 2013 , 31 (6) :39-44.

[2] 郭揆常. 液化天然氣(LNG)工藝與工程.北京:中國石化出版社[M]. 2014:312.

[3] 陳 暉,鄧 青,賈士棟. LNG冷能發電技術研究進展[J].應用能源技術,2013(05):22-24.

[4] 李小玲,王衛強,楊 帆. LNG冷能利用技術應用現狀與展望[J].現代化工, 2014 , 34 (9) :4-7.

[5] 賀 雷,張 磊,高 為,等.發電與制冷相結合的LNG冷能梯級利用技術研究[J]. 低溫與超導, 2015 , 43 (5) :22-27.

[6] 賀 雷,高 為,張 磊,等. 發電與海水淡化相結合的LNG冷能梯級利用技術研究[J]. 化學工業,2015(07):11-15.

[7] 李博洋,張運秋,張曉榮,等. LNG運輸船冷能發電技術[J].中國航海,2016(01):91-94，98.

[8] 賈 磊. LNG冷能利用與低溫半導體溫差發電研究[D].合肥：中國科學技術大學, 2006：17-18.

(本文文獻格式：高 源， 侯珍珍.LNG冷能發電技術現狀研究[J].山東化工，2017，46(14)：88-89.)

2017-06-07

高 源,管道工程師,主要從事管道設計。

TE64;TE09 ；TM619

A

1008-021X(2017)14-0088-02