关于液化天然气（LNG）冷能的利用与规划的研究

关于液化天然气（LNG）冷能的利用与规划的研究

曾海航

深圳市新城市规划建筑设计股份有限公司518172

摘要：随着液化天然气（LNG）使用规模的不断扩大，LNG的冷能利用市场前景巨大。文章介绍了天然气冷能利用原理及LNG冷能在空气分离、轻烃分离、发电、冷冻冷藏、冷能的梯级利用等方面的利用的相关技术，讨论了如何进行LNG冷能的梯级利用，并做出了发展建议与规划。

关键词：液化天然气；冷能；利用

1LNG冷能的评价

利用LNG冷能主要是依靠LNG与周围环境之间存在的温度和压力差，通过LNG变化到与外界平衡时，回收储存在LNG中的能量。为了估计从LNG中可以回收的能量，首先应从理论上对能回收的冷能进行评价。

对LNG冷能的评价采用本质安全指标法是较方便的，由于把外界环境条件考虑在内，能合理地对进出体系的热量与环境之间的关系作出评价，所以它可以很好地对LNG冷能的质进行定量表示。所谓本质安全指标法，其定义为体系与外界达到平衡时所得到的最大功，冷能的概念如图1。

H—焓（kJ）；S—熵（kJ/K）；T—绝对温度（K）；Q—热量（kJ）；W—功（kJ）

图1冷能的概念

2液化天然气的冷能利用技术

2.1轻烃分离

由于液化天然气中的C2、C3、C4烃含有一定的摩尔分数，通过运用轻烃分离技术，可以有效改善液化天然气热值，这对于液化天然气的标准化利用非常重要。在实际应用中，C2+轻烃的热附加值比较高，可以应用在多个领域。根据相关试验验证，液化天然气冷能利用中使用了大量的深冷分离乙烯和C2+分离的裂解产物。

2.2分离空气

结合液化天然气冷量㶲原理可知，环境温度和低温㶲之间呈现比例关系，低温条件下液化天然气的冷量可以用于低温㶲，并且液化天然气温度往往高于分离空气设备运行温度，在低温条件下液化天然气冷能可以用于氢气、氧气、氮气等气体分离，简化传统复杂的空气分离流程，降低能耗和资源浪费。同时，利用高压氮流体将液化天然气冷量传送到分离控制设备中，液化天然气作为空气分离的制冷剂，氮流体作为载冷剂，在液化天然气传输过程中凝结形成高压氮流体，在节流处理以后，然后经过分离处理以后形成液体氮。

2.3LNG冷能发电

利用LNG冷能发电属于对LNG冷能的直接利用。用LNG冷能发电是以电能的形式回收LNG冷能，主要是利用LNG的低温冷能使工质液化，然后工质经加热气化在气轮机中膨胀做功带动发电机发电。依靠动力循环进行发电是目前LNG冷能回收利用的重要内容，且技术相对较为成熟。利用LNG冷能发电的方式主要有下列3种：

（1）直接膨胀发电

从LNG储罐来的LNG经低温泵加压后，在气化器受热气化为高压天然气后直接驱动透平膨胀机，带动发电机发电，这个过程主要是利用了LNG的压力㶲，冷能回收量取决于气轮机进出口气体的压力比。这种方法循环过程简单，所需设备少，但效率不高，发电功率较小，冷能回收率仅为24％。但该方法适用于回收部分冷能，可考虑与其他LNG冷能利用方法联合使用。

（2）降低蒸汽动力循环的冷凝温度

该方法是利用某中间介质的朗肯循环。将低温的液化天然气作为冷凝剂，通过冷凝器，把冷量转化到某一介质上，利用液化天然气与环境之间的温差，推动介质进行蒸汽动力循环，从而对外做功。要有效利用液化天然气的冷能，工作介质的选择非常重要。工作介质有甲烷、乙烷、丙烷等单组分，或者采用它的混合物。单工质朗肯循环系统一般使用纯甲烷或乙烯，实际装置的冷能回收率约18％。混合工质朗肯循环系统的工质为碳氢化合物的混合物，整个系统的冷能回收率约36％。

（3）降低气体动力循环的吸气温度

燃气轮机循环是气体动力循环的一种形式。研究表明，降低燃气轮机的吸气温度，将会显著提高循环做功和循环效率。实际中，通常利用LNG冷能预冷空气，以提高机组效率，增加发电量。由于LNG的气化温度较低，因此，采用一种易挥发的物质作为中间载冷剂，将冷能传递给空气。但冷却温度须严格控制在0℃以上，以防止水蒸气在冷却装置表面冻结。此方式的发电量可以达到20kWh/t（LNG）左右。

LNG的冷能发电是一项新兴的无污染发电方式，虽然这不失为一种节能的好方法，但它只考率到对LNG冷能的回收利用，并未注意到对LNG冷能品位的利用。这种方法对冷能的回收效率是非常低的。由于生产1tLNG要消耗850kW•h能量。即使LNG拥有的冷能以100%的效率转化为电力，1tLNG的冷能也只相当于240kWh。所以，在发电装置中利用LNG冷能虽然是最可能大规模实现的方式，但却不是利用LNG冷能最科学的方式。

2.4冷藏冷冻

冷藏冷冻主要利用压缩机冷器件来降低温度，如果液化天然气冷能用于冷库的冷源，可以将冷库温度降至较低，并且液化天然气冷能的循环利用可以保持冷库的低温环境，有效简化制冷系统运行，可以明显降低冷库的电耗。冷库的冷藏冷冻可以利用液化天然气冷能实现超低温，通过不同存储装置来冷藏不同食品，实现快速冻结，优化冷媒管路设计，利用液化天然气在不同温度条件下的状态，基于串联运行方式，通过热交换将不同冷媒沿着管路传输到冷库中，可以极大地提高冷能利用率。

3LNG冷能的梯级利用

上述种种利用方法主要是只考虑了冷能的回收，而没有考虑品位的利用，造成大量㶲损耗，从能量有效利用的角度来看是不合理的。而对LNG冷能进行梯级利用是很好的解决办法。

根据以上利用方式的温度范围提出一个梯级利用方案如下：

液化分离空气→制取液化CO2及干冰→冷冻仓库

空气分离须在-150℃～-190℃范围内进行，而LNG的气化温度是-162℃，二者是相匹配的。因此，将LNG冷能用于液化分离空气作为梯级利用的第一级可以充分的利用LNG的低温特性。

LNG在空分设备中换热后的温度约为-100℃，此温度仍与环境温度存在很大的温差，可以利用的冷能仍很可观。CO2的液化温度是-70℃，干冰温度为-78.5℃，此温度与LNG通过空分设备后的温度相匹配，因此，将LNG冷能用于制取液化CO2及干冰作为梯级利用的第二级。

LNG冷能制取液态CO2和干冰之后，温度仍低于环境温度很多，可以考虑将剩余冷能用于冷库。冷库的温度大致在-60℃~10℃，此温度范围正适合作为LNG冷能梯级利用的第三级。

此时LNG气化的天然气温度已接近所需的供气温度。经供气前处理后就可对天然气用户进行供气了。LNG从储罐出来，经过这三级冷能利用设备，温度不断升高，同时各级热交换温度匹配良好，基本上达到了充分利用LNG冷能的目的。

4LNG冷能利用的前景展望以及规划 

4.1将冷能利用纳入LNG项目规划，与LNG接收站搭配运行  

目前已经规划和建设的接收站在选址时，对港口和气化设施的空间布局考虑较多，而较少考虑冷能利用产业链的土地使用、接收站的空间布局、LNG接收站与下游工业产业的占地和布局。很多接收站周围没有足够的用地安排冷能利用产业企业，也远离大型石化工业群，很难发挥集成优化利用能量的优势。在中国的能源形势下，优先结合大空分、煤气化、轻烃分离等大市场，才可以实现对大型LNG接收站的冷能充分利用。 

冷能利用系统与LNG接收站的协同设计和同步建设，把冷能利用产业链视为液化天然气气化产业的一部分，既可以保障LNG气化，又兼顾冷能的合理利用。

4.2尽早着手小型LNG气化站冷能利用的规划 

中国不仅在沿海有许多大型的LNG接收站，还有很多小型槽车罐箱运输的LNG卫星气化站。小型罐箱运输的LNG卫星气化站，可利用的冷能比大站还要多得多因为卫星气化站的管网输送距离短，气化压力低，相应消耗的LNG㶲少，可利用的冷能比大站多得多。LNG卫星气化站冷能温位分布广，用户种类繁多，也更有利于冷量的梯级利用。废橡胶轮胎粉碎、制取干冰、制冰冷库以及低温储粮、冷冻干燥厂房或商用建筑物空调等，都是适合于与卫星站冷能匹配的用户，不仅占地面积小，而且投资成本低，可以与卫星气化站同步规划和建设。

4.3整合冷能利用产业和LNG接收站，建立产业园   

LNG冷能利用是能源循环经济园区的重要组成部分。计划经济思维是构建循环经济园区的最大障碍。当前的LNG发展形势下，应当抓住中国经济高速发展的历史机遇，按照市场机制优化配置资源，逐步推进冷能利用产业构建。   

中国自改革开放三十年以来的持续快速经济发展创造了世界奇迹，只要LNG冷能利用达成共识并建立相应的发展体制，中国的LNG冷能利用产业将会有很大的发展。能源和经济的效益会驱动气化站不断寻找潜在的冷能用户、开拓下游市场、降低气化成本、提高经济效益。在贯彻科学发展观、和经济的高速发展带动下，中国必将能够不断创新，大力发展LNG冷能利用产业。

5结语

随着LNG产销量的迅速增长，以及全球性能源的紧张，LNG冷能利用的前景十分广阔，合理利用这部分冷能显得尤为重要。对于LNG冷能的利用，梯级逐层利用是提高效率的有效途径。LNG冷能的利用应朝着集成化的方向发展，充分的、综合的、有效的利用LNG冷能。

参考文献：

[1]LNG冷能利用技术的研究现状与展望[J].高文学，王启，项友谦.煤气与热力.2007（09）

[2]液化天然气冷能利用发电技术浅析[J].梁应乾.中国新技术新产品.2015（07）

[3]液化天然气冷能利用技术及其产业化进展[J].徐文东，段娇，陈运文，卓凡.天然气化工（C1化学与化工）.2013（05）

[4]液化天然气冷能利用[J].刘新武.硅谷.2013（17）