液化天然气冷能的阶级回收与利用

李中全

（中国石油化工股份有限公司上海海洋油气分公司石油工程技术研究院，上海 200120）

为了缓减我国能源紧张的状况，改变我国能源结构，改善环境状态，我国将大量进口液化天然气（LNG）。LNG 的主要成分是甲烷，是天然气经过连续脱酸、脱水、脱重烃处理，然后通过低温工艺压缩、膨胀、液化得到的低温（-162 ℃）液体混合物[1]。LNG 运抵接收站后一般需要经过汽化器汽化后才能应用于各种用途，LNG 在汽化过程中将释放出大量的冷量，约为830 kJ·kg-1，目前这部分冷能回收与利用的情况如图1所示。通过图1 可以发现，LNG 蕴藏的冷能可广泛应用于各种用途，如果可以加以有效回收和利用，不但可以减少机械制冷所造成的大量电能消耗，而且具有可观的经济效益、环境效益和社会效益。但是从目前的LNG 冷能的利用方式来看，大都是单一方式的利用，这就存在回收和利用效率低下的情况，LNG 冷能的阶级回收与利用将有助于提高冷能利用率。

图1 LNG 冷能的利用与回收

1 LNG 冷能的热力学分析

通过进一步仔细分析LNG 蕴藏的冷能，然后用多种方法加以利用，对于提高LNG 冷能回收率以及合理利用LNG 冷能，具有十分重要的意义。

㶲分析法是能量系统中非常重要的分析方法，不仅一方面能从数量上准确地反映能量种类的转换，另一方面可以清晰地展示LNG 内部的不可逆性所造成的能量品质的流失情况，以及造成热力学损失的原因和位置，为以后可以更加合理利用冷能提供了基础的理论指导[2]。

LNG 的物理㶲指如果在规定的压力条件下，由温度差所引起的显热冷㶲exc,s，以及在环境温度T0下由压力差所引起的压力㶲exp。假定LNG 从初始状态（Ts,Ps）经过一系列的可逆过程，最终达到平衡态（T0,0P）时，在不考虑系统动能和位能的情况下，可以得到系统稳定流动的能量方程为：

由此可得：

LNG 在温度升高的过程中的最大有用功，即系统工质的物理㶲exph为：

由实际气体状态方程Pv=zRT在恒压条件下对温度求偏导得：

假定LNG 的汽化潜热为r，饱和温度为sT，则LNG 的潜热冷㶲为：

LNG 的冷量㶲为：

LNG 的总物理冷㶲为：

通过以上分析过程可以看出，系统的温度、压力对LNG 冷能是具有一定程度的影响，这就为以后如何充分利用、回收LNG 冷能奠定了理论基础。

目前LNG 冷能的利用存在着利用效率低下的问题，这主要是因为现有的LNG 的利用项目多为单项利用技术，而单个装置大部分无法充分利用LNG的冷能，其中一些利用方式的效率见表1[3]。

表1 LNG 冷能利用的效率

从表1 可以看出，单一方式的利用效率普遍偏低，因此最好的解决方案就是对LNG 冷能进行阶级利用。

2 LNG 冷能的阶级回收与利用

通过之前所述的LNG 冷能热力学分析原理，低温㶲是在越远离环境温度时越大，因此应当在尽可能低的环境温度下利用LNG 冷能，就可以充分利用其低温㶲。LNG 的空气分离工艺一般普遍在-150～-191℃的温度条件下进行，这时的低温与LNG 气化时的温度（-162 ℃）传热温度差比较小，就可以充分利用LNG 的低温冷量，此时可以将LNG冷能运用于空气分离作为阶级利用的第一级[4]。在把LNG 的冷量用于空气分离装置以后，温度控制在-100 ℃左右，此时仍然具有大量的冷能，剩余-100 ℃的LNG 冷能仍可适用于冷能发电和制取干冰，冷能发电部分可以利用到的是-70 ℃部分的冷量，而干冰制取装置所需的温度为-78.5 ℃，两种温度与LNG 通过空分气离装置后的温度（-100 ℃）比较匹配，此时可以将这两种方式作为阶级利用的第二级。把LNG 的冷量用于冷能发电或制取干冰过后，其剩余温度仍大大低于环境温度，这部分冷量可以考虑应用于冷冻冷藏库或相应的制冷设备，不同种类不同用途的冷库其设计温度均不同，即使同一冷库也可以分为不同温度的冷间，其所要求温度也有差异。以一般冷冻冷藏库为例，假如冷却间设计温度为 0 ℃，冷却物的冷藏间温度一般为0～10 ℃，冻结物的冷藏间温度一般为-15～-23 ℃，冻结间的温度一般为-18～-30℃，冰库的温度为-4～-6 ℃，此时将其作为阶级利用的第三级。除此之外还要考虑设置合适规模的气化器，用以保证LNG 的气化效率以及保证天然气高压管网的下游用户的正常使用。在一般实际应用环境中，还要考虑根据工况背景以及市场需求等来确定上述冷能利用的步骤、方式方法等，来确定最佳方案，具体的利用流程如图2所示。

在LNG 的冷能阶级利用中应当充分考虑利用LNG 冷能的低温特性。从图2 中可以看出，液态LNG从储存罐引出后，经过空气分离装置、发电装置或者干冰制取装置、冷冻冷藏库、最后经过气化器装置处理后供给用户，在此过程中，随着LNG 的温度阶梯性的升高，同时各级冷能回收装置所要求的工作温度也逐步升高，并且可以保证热交换工作状态下的温度匹配情况良好，基本能够实现尽可能减少㶲损失的目的。

图2 LNG 冷能阶级利用方案的流程示意图

在上述的处理过程中，LNG 在最后经过气化之前，其温度已从最初LNG 储罐的-162 ℃升至较高的温度，不仅可以基本满足所需供气温度，同时相对LNG 未经过处理直接从储罐进入气化器而言，大大降低了气化器的工作负荷，同时节约了大量能源。从这样整个流程来分析，无论从能量的角度还是㶲的角度来看都是比较合适的方案。上述LNG 冷能阶级回收利用方案只是很多工程优化方案中的一种方案，而在实际的工程实施时，还应综合考虑多方面因素，例如经济性、安全性、环保性、稳定性、耐用性、维护保养便捷性等，并且要考虑与LNG 站周边的实际产业环境相结合，这样才能决定最佳的工程实施方案。随着科技发展的日新月异，新的先进工艺方案以及新的高效设备也会不断涌现，无论何种工艺方案，只要能实现LNG 的冷能阶级回收利用的高效率，尽可能保证能量的不浪费，在上述温度的区间都可以对其中的某个或多个环节的装置进行补充或替换。

3 结束语

LNG 冷能的阶级回收利用方案相比大多数的单一方式的利用方案都要更加节约能源和成本，其冷能的利用效率能达到90%以上，这将带来巨大的经济效益、环保效益和社会效益，适应可持续发展、节约型社会的发展战略。近年来，我国通过大量进口LNG 来缓解我国的能源不足问题，全国各地也陆续建立了LNG 接收站等。但是，目前来看，仍有很多接收站对LNG 的冷能利用仅仅停留在单一利用或者不利用的阶段，对LNG 冷能阶级回收利用等方面仍缺乏足够的认识及有效的解决方法，这对于以后如何应对全世界愈发紧张的能源问题和愈来愈严苛的环保要求都是极大的挑战，我国应该利用后发优势，积极跟上世界先进水平,发展LNG 冷能阶级回收利用技术。