LNG接收站冷能利用研究進展

高曉勸，梁勇(中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000)

1 LNG冷能利用現狀

國外對LNG冷能利用研究起步較早，其中日本是LNG冷能利用開發、使用較早的國家，目前全球LNG接收站冷能利用方面，日本占有50%左右的份額。日本冷能發電裝置占冷能利用總量約60%，是冷能利用的最主要方式。韓國LNG冷能利用技術主要是在空氣分離和食品冷藏方面。另外法國、西班牙、比利時等國家均有接收站建設冷能利用裝置。

我國LNG發展較晚，一直延伸至2006年廣東大鵬投產相關接收站，我國逐步引入進口LNG，并憑借自身特征優勢，快速席卷整個市場，獲取良好的推廣應用成效。目前，我國已投運LNG接收站21座。其中7座接收站設置冷能利用裝置。

2 LNG冷能利用方法

2.1 LNG冷能發電

現階段，全球各國均紛紛投產LNG冷能發電裝置接收站，其中眾多國家中以日本為首級，如：大阪瓦斯泉北NO.2、東邦瓦斯知多LNG基地，均應用循環發電方式；新瀉日本海LNG等采用直接膨脹法發電。上海洋山港LNG接收站發電采用低溫朗肯循環，循環介質為丙烷，設計循環量為175 t/h；舟山LNG接收站發電采用低溫朗肯循環，循環介質為丙烷和乙烯，設計循環量為200 t/h。國內已建LNG冷能發電裝置均采用自給自足的供電模式，核心目的在于為有效避免意外事故對接收站造成干擾，主要體現在內部供氣暫時停止，致使經濟受損，同時也是接收站供電可靠性及時效性有力保障。冷能發電裝置受LNG接收站外輸量影響較大，建議冷能發電裝置設計規模與LNG接收站的基荷外輸量一致以保證裝置的正常穩定運行。除了LNG接收站的外輸量，冷能發電裝置的外輸功率還受如LNG組分、海水入口溫度、LNG壓力等因素制約。LNG組份越接近貧液，蘊含的冷能越多，冷能發電裝置的外輸功率越高，以東南部某LNG接收站實際接收貧、富液典型組分(甲烷含量體積分數分別為99.86%，87.74%)為例，單位質量LNG貧液發電量較富液高33%；海水入口溫度對冷能發電裝置的影響明顯，相同外部條件下，貧液組分在海水入口極高溫度(28 ℃)與平均溫度(19 ℃)工況相比，裝置發電功率提高了16%，因此我國南方地區尤其適合設置低溫有機郎肯循環冷能發電系統。因此，利用LNG冷能發電具有流程和產業鏈短、占地少、易于實施等優點，在其他冷能利用產業鏈尚難決策或這些產業鏈仍不能完全利用LNG冷能的情況下，可優先考慮冷能發電。

2.2 空氣分離

LNG冷能空氣有效分離，主要原理為將高質量低溫冷能放置于空氣分離裝置中，聯合其氣化和空氣分離系統，依托LNG高品質低溫冷能，進一步減少空氣分離系統中實際冷能耗損量，優化改造流程，節省大量建設成本支出，提高空氣分離設備啟動時間，提高設備生產效率。空氣野花分離溫度與LNG溫度相較，低于其實際溫度，充分應用LNG冷量，可以在較低的能耗指標下得到大量的液態產品，是現階段技術上最理想的利用方式。在日本、韓國、法國以及我國接收站均有應用案例，全球建設LNG冷能液體空分裝置約為35座。中海油與美國空氣化工產品公司在福建莆田建設的國內首個LNG冷能空分項目，液氧、液氮生產規模達600 t/d；中石油江蘇如東LNG項目吸收國外先進技術，建設一座總產能20.0×104t/a冷能利用空分工廠；浙江寧波LNG項目采用自主知識產權建造了620 t/d的冷能空分，年減排CO2可達6.5萬噸，節能降耗效果顯著；唐山LNG以及珠海LNG冷能空分裝置規模為723 t/d和620 t/d，都分別于2015年6月及2018年2月投產運行，產品產量調節靈活，系統穩定性強。典型LNG冷能空分技術如圖1所示。

圖1 典型LNG冷能空分技術

利用LNG冷能進行空分，技術成熟，經濟效益較好。受限因素主要為周邊市場情況，合理的往返運距一般為100～300 km，另外空分設備多，占地較大。LNG冷能空分的建設建議與接收站同步進行，以利于工藝參數、設備操作參數的確定[1]。

2.3 輕烴分離

LNG冷能輕烴分離的原理為，由于其內部輕烴組分自身性質存在較大差異性，相變溫度不盡相同，分離技術實施主要是基于各組分相變溫度不同下，達成輕烴分離目標。從上述組分中分離最終產物較多，即CH4、C2H6和LPG。其中一般將最終分離獲取的CH4對其進行持續性加壓，最終輸送至天然氣管道，分離得到的C2H6是重要的工業原料。輕烴回收成功之后，原有包含乙烷和丙烷回收率較高，同時溫度可至約-100 ℃左右的液相，具有成本低、能耗低、投資小的優勢，產生很客觀的經濟效益。目前國外的意大利和西班牙的接收站設置有LNG輕烴回收裝置。我國第一套LNG輕烴分離裝置在青島LNG項目中投用，采用LNG兩級升壓一級閃蒸無壓縮流程。該技術可從200萬噸/年富液LNG中分離出C2+/C3+組分約40萬噸/年。利用LNG冷能進行輕烴分離具有較好的經濟效益，受制因素為進口LNG來源地各不相同，導致接收站儲罐內LNG組份含量不同，復雜的氣源組份使輕烴分離的產品產量難以保證。

2.4 冷庫

LNG和冷庫之間的換熱，使用中間冷媒循環來完成，無需使用制冷機，此種方式應用可有效突破原有換熱方式瓶頸，不僅占據實際面積較小，節省投資費用，而且溫度差異性凸顯，后續維護較為便捷。LNG接收站通常設在港口附近，港口貨物吞吐量大，為充分應用LNG冷能，通常可將不同溫度下冷凍庫、凍結庫及冷藏庫，依照一定溫度梯度以串聯方式連接，進而實現系統化應用。用于冷庫比較多的國家是日本，日本神奈川縣根岸基地的金槍魚超低溫冷庫(-60～-70 ℃)，自1976年至今運營效果良好。

2.5 制取液態二氧化碳和干冰

干冰實際制備過程中，其基本原理為充分應用降低二氧化碳的壓力，一部分液體二氧化碳蒸發將大量熱量吸收，促使剩余部分二氧化碳冷卻呈現為固體，將其稱為干冰。處于常溫常壓條件下，干冰可直接生化為低溫二氧化碳氣體，具有五毒無害的特征，此類特征優勢，促使干冰在食品、工業、醫療等領域中占有一席之地。干冰廣泛應用促使二氧化碳成為可利用物質，克服原有領域中技術難題，增強其自身原有附加價值。同時，與碳捕獲技術聯合應用，構成完成的產業鏈，以此有效緩解溫室效應，獲取一定的經濟效益，相較于傳統工藝，可節省超過一半的耗能[2]。LNG冷能用于干冰制備的技術取得一定的研究進展，但是目前該技術的投產仍存在一定的難點，如LNG冷能利用率低。同時國內沒有投產項目，缺少可參考的數據。

2.6 廢舊橡膠深冷粉碎

橡膠、塑料、金屬都具有低溫脆性。相較于常溫破碎，其可將將物質破碎轉變為微粒，具有良好的可分離性，破碎過程中不會造成污染及爆炸現象，通過不同低溫有針對性選取破碎混合物，此種方式在資源回收、物質分離等領域中擁有良好發展空間。廢舊橡膠深冷粉碎產品市場前景廣闊，對產品進行深層次加工具有較高的附加值，且該項目投資投入小、成效較快，環保性優良，只要具有產品投入市場內，便可獲取良好的經濟成效。

2.7 海水淡化

通過應用LNG冷能實現海水淡化，核心原理是利用冷凍法，冷凍法海水淡化主要是海水實際冷凍過程中，會出現“鹽水分離”的現象，溫度較低冰體中實際含鹽量較低，可有效實現鹽水與冰分離，最終形成產物為淡水。立足實際能耗層面分析，冰在一個大氣壓條件下融化與水氣化比值為3∶10，且冷凍法處于低溫下操作，材料設備腐蝕程度小，無需進行除鈣。現階段，受多方面因素限制，LNG冷能海水淡化仍處于理論及研究層面，在工業化應用仍有較長的路。

3 LNG冷能利用面臨的主要問題

3.1 LNG冷能利用方式單一，效率較低

LNG接收站通常遠離城市，且周邊配套工業需求、交通等條件差異較大，受周邊配套系統影響，多數接收站的LNG冷能利用方式較為單一，利用效率低。在對冷能技術利用的過程中，應當充分結合政府的扶持政策，考慮站址周邊交通情況及未來發展規劃，聯合與周圍匹配度較高、集成度較高的LNG冷能，進而對其技術實現優化改良，制定可行性較高的技術工藝方案[3]。

現階段，為進一步應用LNG冷能，研究者加大冷能階梯技術，但其可用性及工業化應用需耗損一定時間。

3.2 LNG冷能需求與LNG接收站的運行峰谷匹配性差，降低了冷能利用率

天然氣供需實際量，與氣候及溫度變化息息相關，下游燃氣需求和冷能用戶對冷能負荷需求變化規律存在一定的偏差，促使其無法實現協同實施。

3.3 冷能利用與接收站建設不同步，遠期預留用地不足

我國大量LNG接受站，處于初期設計及規劃過程中，對冷能實際用戶未進行綜合性考量，進而形成時間層面無法實現同步化。同時，實際規劃及設計過程中，對使用項目考量缺位，實際占地面積有限，難以實現大面積覆蓋目標。

4 結論與展望

經濟高速發展背景下，我國能源產業高速發展，LNG實際需求量呈上升態勢，可攜帶的冷能也是良好的應用資源，提高其實際利用率，作為LNG產業節能環保重要舉措。

針對LNG接收站冷能利用的前景提出以下兩點展望：(1)在LNG接收站規劃前期充分考慮LNG冷能利用，遵循因地制宜的原則，確定其實際應用方式，為積極促進周邊產業發展，提高其實際應用率，形成產業與LNG冷能聯動效應。(2)最大限度提高LNG冷能利用率，選用冷能階梯方式，逐層次充分應用冷能，并有效提高其應用可行性。或加大研發新工藝力度，不僅對冷能利用方案進行優化升級，而且需積極研發新冷能利用方案。