LNG冷能梯级利用的技术研究

IFV 冷能利用气化器，气化后与LNG 冷能利用系统返回的天然气混合，经海水加热，调压计量后进入外输管网。

通过对LNG 冷能利用冷库与制冰、空气分离、发电、海水淡化、低温粉碎、空调系统、干冰和液态二氧化碳、轻烃回收、冰雪世界等技术的研究、结合接收站现有设施条件，分析研究接收站冷能利用方案的比选并提出冷能梯级利用的方案，通过已有项目经验及软件模拟等方式，进行冷能与项目的深度匹配，从而达到LNG 在气化过程中的冷能梯级利用回收，最大限度的实现能量再利用。

4 冷能分析
4.1 广汇LNG接收站工况分析和冷能分析
本站一期外输量可达到450万t/a ，其中槽车外输为150万t/a ，管道气化外输为300万t/a ，即400t/h ，外输量较为稳定，气化外输压力为8～9MPa ，气化外输温度≥1℃。

未来二期气化外输量可达600万t/a ，气化外输量将进一步加大。

LNG 船以15万m 3船舶为主；场站目前2个5万m 3 LNG 储罐和2个16万m 3 LNG 储罐BOG 产生量为9t/h ；场站配备BOG 再冷凝器、BOG 压缩机等。

取一期气化外输量(200t/h)进行LNG 冷能利用设计，同时对二期冷能利用进行部分规划。

假定贫、富液加压后气化为9MPa 、1℃以上的天然气，当气化外输量为200t/h 时，贫液LNG 所蕴含的冷能为39976.19kW ，富液LNG 所蕴含的冷能为37741.56kW 。

4.2 用户冷能价值及用冷特性分析
由于制得不同温度的冷能所消耗的电量不同，导致冷能价值不同。

采用制冷循环的性能系数COP 来表示冷能的经济性，即冷能数值与电力消耗之比。

研究显示，COP 随着温度的升高大幅度增加，60K 的COP 为0.03448，而243K 的COP 为2.9，二者相差近百倍。

即冷能的品质随温度的增加大幅度降低。

因此冷能利用更应该坚持 “温度对口、梯级利用” 的原则。

5 各项目方案不同组合下的分析
5.1 冷能发电联合冷库方案
冷能发电是LNG 接收站常用的冷能利用方式之一，发出的电量全部由接收站内自行消化，从而减少外电供应量，减少外电费用的支出。

冷能发电尽管不需要考虑外部市场需求，但发电上网结算优惠方式需要与电力供应部门协商。

目前国内的可再生能源发电等得到政府的大力扶持，自
1 研究的问题及背景
1.1 天然气产业发展趋势
在低碳经济的发展趋势下，天然气正逐渐成为未来世界一
次能源的顶梁柱。

我国正全力建设LNG 接收站，提高天然气进口能力。

1.2 项目背景
江苏启东广汇能源综合物流发展有限责任公司LNG 接收站一期气化外输规模为300万t/a ，气化器的气化能力为400t/h ，最小气化量50t/h 。

二期工程基于沿海管道气市场发展与需求，计划再建1套300万t/a 的气化外输项目，届时，转运站的气化能力将达到600万t/a ，最终实现通过天然气管道向涵盖目标市场全范围的各燃气用户供气。

1.3 冷能利用问题研究的必要性
LNG 在气化过程中，会释放出大量的冷能，约830～860kJ/kg 。

传统的LNG 接收站的气化，采用海水作为热媒或在水下燃烧天然气产生的热量来气化LNG ，前者会对附近海域产生冷污染，后者则需消耗宝贵的天然气，产生一定的废气排放。

特别是前者的影响较大，且损失了LNG 气化释放的冷能而未加以利用。

随着我国能源安全和环境形势的日益严峻，LNG 的气化冷能的高效利用问题越来越受到高度的重视。

摆脱一直来主要采用海水加热天然气气化的传统模式，充分利用好进口LNG 所携带的冷能，已成为LNG 产业节能降耗的战略任务之一。

2 目的和意义
降低LNG 生产成本和提高冷能利用效率是LNG 产业节能减排的关键环节，关系着LNG 产业在我国的发展前景和发展战略。

在LNG 接收站，需将LNG 通过气化器气化后使用，据测算，每吨LNG 气化过程相当于释放830～860MJ 的冷能，将这大量的冷能进行回收，可以产生巨大的经济效益，同时大大的减少由于LNG 汽化而造成的环境污染。

广汇接收站LNG 冷能的利用，不但节约能源、保护环境，而且能够产生可观的经济效益和良好的社会效益。

3 研究内容
对于LNG 冷能利用系统，LNG 在进入分体式IFV 冷能利
用气化器前，可根据冷能利用方案，分流出多股LNG 进入高品位的冷能利用系统，也可从分体式IFV 中分流出多股液相丙烷进入低品位的冷能利用系统，返回的丙烷与分体式IFV 中的气相丙烷混合，进入丙烷冷凝器。

剩余未引出LNG 则进入分体式
LNG冷能梯级利用的技术研究
穆月风(广汇能源综合物流发展有限责任公司，江苏 启东 226200)
摘要：随着我国能源安全和环境形势的日益严峻，LNG 的气化冷能的高效利用问题越来越受到高度的重视。

LNG 在气化过程中，会释放出大量的冷能，约830～860kJ/kg 。

文章分析了关于LNG 冷能利用的必要性及如何更加高效的进行梯级利用，从而最大程度的将冷能进行回收，达到节能减排的目的，希望给业界同行提供参考。

关键词：LNG ；冷能；梯级利用
整体冷能利用率为39.8%。

5.3 冷能发电联合数据中心方案
9.0MPa 、-150℃的LNG ，质量流量为115t/h ，与乙烷丙烷混合冷媒换热后气化，变为压力9.0MPa 、温度-41℃的气态天然气，然后与丙烷换热升温至-26℃，后经海水复热升温至0℃后送至外输管网；混合冷媒吸收LNG 冷量后，先后与丙烷和海水进行换热，并进入膨胀机用于发电；丙烷先后与低温天然气和混合冷媒换热，又与CaCl 2水溶液换热，溶液用于数据中心的制冷空调。

研究结果显示本工艺LNG 冷能发电量为1656kW ，全年发电量为1451万kW ·h 。

数据中心供冷负荷为5455kW ，满足1600个机柜的用冷需求。

整流程冷能利用率为31.88%。

5.4 制取液态CO 2及干冰方案
9.0MPa 、温度-150℃的LNG ，质量流量为65t/h ，与压缩冷却后的CO 2换热后气化，变为压力9.0MPa ，温度-15℃的气态天然气，后经海水复热升温至0℃后送至外输管网；从储罐出来的常压、15℃的CO 2，流量为98t/h ，经压缩机压缩升温、海水冷却后与加压后的低温天然气换热，温度降至-46℃，形成98t/h 的液态CO 2。

可将其中16.6t/h 的液态CO 2用于进一步制备，得到7.45t/h 的干冰。

研究结果显示本工艺实际运行损耗3%的CO 2，整个流程的冷能利用率高达90.96%。

5.5 冷能发电联合制冰方案
9.0MPa 、-150℃的LNG ，质量流量为160t/h ，与乙烷丙烷混
合冷媒换热后气化，变为压力9.0MPa 、温度-41℃的气态天然气，然后与丙烷换热升温至-26℃，后经海水复热升温至0℃后送至外输管网；混合冷媒吸收LNG 冷量后，先后与丙烷和海水进行换热，并进入膨胀机用于发电；丙烷先后与低温天然气和混合冷媒换热，又与CaCl 2水溶液换热，溶液用于制冰。

研究显示本工艺选择乙烷丙烷混合冷媒流量为176t/h 时具有最优效益，LNG 冷能发电量为2296kW ，全年发电量为2012万kW ·h 。

制冰机的冷负荷为7612kW ，取COP=2推算出年节电量为3332万kW ·h 。

制冰总产量1000t/d ，整个流程冷能利用率为31.24%。

6 经济效益分析
(1)我国正大力发展节能减排，对LNG 冷　能进行回收利用，既降低LNG 生产成本，又符合我国节能减排、保护生态环境的政策。

按照LNG 气化量为200t/h 计算，本项目LNG 冷能发电3087kW ，一年可发电2655.9万kW ·h ，相当节省3364t 标煤的燃烧，减少8472.29t 二氧化碳的排放，社会效益显著。

(2)冷能利用的开展将辐射下游高电耗产业、冷产业、精细橡胶粉产业以及燃气相关产业等。

若发电功率达到一定规模后，以此为依托可建立8万t 级冷物流产业园区，结合冷链物流可辐射周边500km 区域，并将直接或间接为城市提供大量的就业岗位，进而形成上亿规模的冷产业链。

作者简介：穆月风(1983-)，男，江苏启东人，生产运行部部长，研究方向：工艺生产管理。

2005年起，国家相继出台了《可再生能源法》《可再生能源发电有关管理规定》《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》《可再生能源电价附加收入调配暂行办法》《可再生能源中长期规划》《节能发电调度办法(试行)》，如：风力发电、太阳能发电等上网电价都得到中央、地方政府的财政补贴。

本方案为9.0MPa 、-150℃的LNG ，质量流量为40t/h ，与乙烷丙烷混合冷媒换热后气化，变为压力9.0MPa 、温度-41℃的气态天然气，然后与丙烷换热升温至-26℃，后经海水复热升温至0℃后送至外输管网；混合冷媒吸收LNG 冷量后，先后与丙烷和海水进行换热，并进入膨胀机用于发电；丙烷先后与低温天然气
和混合冷媒换热，又与CaCl 2水溶液换热，溶液用于冷库的制冷。

研究显示本工艺选择乙烷丙烷混合冷媒流量为44t/h 时具有
最优效益，LNG 冷能发电量为574kW ，全年发电量为503万kW ·h 。

冷库负荷为1805kW ，推算出该LNG 冷能冷库库容约可达2.6万t 。

采用黑箱数学模型计算出本工艺流程的冷能利用率为30.56%。

5.2 冷能空分联合冷库方案
工业气体是现代大工业生产的基础原料，是石油化工、煤化工、冶金、电子、医疗等行业不可或缺的生产要素。

目前按市场规模及供气方式，工业气体应用市场主要分为大宗集中用气市场和新兴分散用气市场。

全球工业气体市场掌握在少数国际气体巨头手里，林德、法液空、空气化工几家企业占全球市场份额超过80%。

国内空气产能分布主要有三大部分组成，(1)外资巨头，即上述林德、法液空、普莱克斯和空气化工，约占国内产能20%；(2)国内专业公司，占18%；(3)国内其他，占62%，此部分比例最大，包括用气企业自建的空分装置，例如大型钢铁与大型石化企业，多数属于非市场化供气。

另外，我国自制空分气体产能占比极大，甚至高达60%，大量企业仍通过自建空分来满足用气要求，这些自建空分实际产量与企业自身需求存在极大差异，导致企业装置的设备综合利用率很低。

这些企业的气体产能预计也会逐步转向专业气体公司奔向市场，包括空分气体的零售市场。

本方案以目前最常见成熟的空分装置规模为基准，即生产液氮300t/d 、液氧300t/d 、液氩10t/d 的规模来设计。

原料空气依次经过滤、三级压缩、冷却，然后进入空气纯化系统进行除杂。

净化后的干洁空气进入主换热器与氮气、液氮、LNG 等先后进行换热，在主换热器中部抽一部分空气进入高压塔参与精馏。

LNG 温度-159℃，压力9.0MPa ，流量为75000Nm 3/h 。

塔顶得到高纯氮气，一部分高纯氮气在冷凝蒸发器内形成液氮，分为两股，一是直接作为高压塔回流液，二是供至低压塔顶部作为回流液参与精馏；另一部分高纯氮气返回主换热器、增压机、液化器后液化得到液氮产品。

在低压塔底部得到液氧产品，用液氧输送泵把产品送入液氧储槽。

在低压塔中部抽出的氩馏分进入粗氩塔进行氧氩分离得到粗氩，粗氩再进入精氩塔进行精馏，在精氩塔底部得到高纯液氩产品，送入液氩储罐。

LNG 冷能空分工艺的冷却水系统采用乙二醇水溶液作为冷却媒介。

研究结果显示本工艺LNG 冷能空分装置单位产品能耗为
0.318kW ·h/m 3。

同时该冷库负荷为2016kW ，库容约可达3.0万t ，。