LNG冷能价值与工业利用技术

许峰杰，徐 建，王 丹

（中国空分工程有限公司，浙江杭州 310051）

LNG冷能价值与工业利用技术

许峰杰，徐 建，王 丹

（中国空分工程有限公司，浙江杭州 310051）

介绍LNG气化时产生的冷能随环境温度、系统压力以及各组分的变化，分析LNG冷能的价值，并介绍了LNG冷能在发电、空气分离、轻烃分离工业中的应用。

LNG冷能；冷能发电；冷能空分

液化天然气（LNG）主要成分为CH4，在气化使用时放出大量的冷量，该冷量由汽化潜热和复温显热组成，而目前的气化工艺中，主要通过开架式海水气化器或空浴式气化器换热复温，该部分冷能流失，这就造成能源的极大浪费。近年来，随着经济发展，能源和环境问题日益严重，对能源的综合利用越来越受到重视，低温冷能利用技术也得到了进一步开发，目前国内外许多研究人员对如何合理利用LNG冷能展开了研究，范围包括用于发电、空气分离和轻烃分离等，通过合理的工艺组织利用LNG冷能，从而达到节能、减排、提高能源利用效率的目的。

1 LNG冷能特点分析

LNG的冷能（㶲）分为压力p下由热不平衡引起的低温（㶲）ex，th和环境温度下由压力不平衡引起的压力（㶲）ex，p，两部分，即：

其中，

LNG冷能（㶲）的多少随环境温度、系统压力以及各组成成分含量等因素而变化，具体变化如图1、2和3所示。

从图1可看出，LNG冷能（㶲）的大小与环境温度有较大关系，LNG的低温（㶲）、压力（㶲）以及总冷能（㶲）随环境温度T0的增大而随之增大。

图1 LNG冷能（㶲）随环境温度的变化（p=1.013MPa）

从图2中可以知，当假定环境温度不变时，LNG冷能（㶲）随系统压力变化存在着一定的变化规律：当LNG系统压力增大时，LNG压力（㶲）也随之增大。

从图中2可以看出，当p<1.8MPa时，ex，th>ex，p：而当p>1.8MPa时，ex，th

图2 LNG冷能（㶲）随系统压力的变化（T0=288.15K）

通常，气化后得到的天然气通过高压管网输送至城市接收站或用气点，天然气的输送压力较高，一般在5.0～10.5MPa之间，该LNG的压力（㶲）大，低温（㶲）相对较小。而使用燃气发电或者燃气锅炉发电的发电站，输气压力一般在0.8～3.0MPa左右，其压力（㶲）较小，而低温（㶲）较大。

如图3可见，LNG的泡点和露点温度受LNG的组成成分、各组分的比例而影响，当组分或组分比例变化时，LNG的冷能（㶲）也将随之发生变化。

当p=1.0MPa，To=288.15 K时，LNG冷能（㶲）随混合物中CH4含量的变化关系：在系统压力不变的情况下，CH4体积分数增加，则LNG的泡点温度降低，LNG与环境温度热平衡的温度差增大。

图3 LNG冷能（㶲）随CH4体积含量的变化

2 LNG可用冷量分析

以广东大鹏LNG接收站为例，该LNG主要来自澳大利亚西北大陆架，组成成分如表1所示。大鹏供气方式采用高压管道，供气压力为10.5 MPa，故LNG在此压力气化下释放出来可利用的冷量如图4所示。

从图4可知，1kg大鹏LNG在10.5MPa下气化至15℃可以释放出703kJ的冷能，折合195kW·h/t，则大鹏第一期每年进口约600万tLNG，则该部分LNG气化可释放出4.2×109MJ，平均的供冷功率达到133.8 MW。

表1 大鹏LNG组成成分

图4 10.5MPa下LNG冷能与温度的关系

3 LNG冷能利用技术

现今LNG冷能工业利用技术，按照利用方式的不同，LNG冷能利用可分为直接利用和间接利用。下面对目前工业应用中常用的几种利用方式进行简单介绍。

3.1 冷能发电

冷能发电属于对LNG冷能的直接利用，是一种新兴的节能环保的发电方式，该技术流程和产业链短、占地少、投资省、易于实施，不受诸如市场、资源环境、运输等因素的干扰，因此，成为LNG冷能利用中最具有实际可行性、同时也最容易大规模利用的方式。

LNG冷能发电的主要方式为膨胀发电，是利用LNG的低温冷能使工质液化，然后工质经加热气化再在汽轮机中膨胀做功带动发电机发电，膨胀发电可分为两种类型：直接膨胀发电、ORC有机朗肯循环法。

此外，冷能还能通过降低蒸气动力循环的冷凝温度、降低气体动力循环的吸气温度来提高发电效率，降低发电能耗。

3.1.1 直接膨胀发电

LNG经低温液体泵加压至中、高压液体，进入换热器被空气、循环水复热至常温状态，再通过膨胀发电机对外发电做功。该流程简单，所需设备少，发电功率较小，效率不低，LNG的冷能没有充分利用，冷能回收效率仅为24%。每吨LNG的发电量约为20kW·h/t左右，因此，一般考虑与其他LNG冷能利用的方法联合使用。

3.1.2 ORC有机朗肯循环法

LNG通过冷凝器把冷能传递到某一冷媒（有机工质上），利用LNG与环境之间的压力、温度差，推动冷媒进行蒸汽动力循环，从而对外发电。ORC有机朗肯循环系统有单工质、混合工质之分。

单工质ORC系统使用纯的CH4、C2H6、C3H8或C2H4做工作媒体，这种系统的LNG冷能回收效率在18%左右。混合工质ORC系统使用碳氢化合物的混合物作为工质，冷能回收效率较高，能达到36%左右（因LNG温度变化，混合工质可覆盖更大温度范围），但是，混合工质本身的不稳定可能引起系统性能的不稳定。

3.2 冷能空分

LNG气化时的冷能对空气进行分离（筒称为冷能空分），生产液态气体产品，其工艺流程是在传统空分的基础上改进的，冷能用在气体液化和预冷上，主要节省液化功，仍需常规电能来提供分离功，因此，冷能空分80%以上的工艺与设备仍与传统空分是一致的。冷能空分具有明显的成本优势：由于采用LNG液化和预冷气体，可节省液化功，即50%-90%电耗；又由于采用乙二醇循环代替传统空分的冷却水循环冷却压缩系统，可节省水耗70%~100%。

空分需要-180℃的深冷温度，与LNG-162℃低温正好匹配，冷能品位对接顺畅，对LNG冷能的整体利用率高，节能效果显著。在国际上此类研究己有逾30a的历史，并且有多个项目建成运营。如果说LNG冷能发电是最可能大规模实现的话，那么LNG冷能空分是最合理、最能充分利用LNG低温位冷能的方法，福建莆田LNG接收站冷能利用的主体工程就是空分项目，该项目为国内首例冷能空分项目。

3.3 轻烃分离

冷能利用轻烃分离即利用LNG原料的冷量使甲烷气体在较高的压力下再次液化，再通过LNG泵将其压力提高至管输标准，常规流程如图5。

图5 LNG轻烃分离优化流程图

理论上，LNG冷能用于分离和裂解制乙烯装置中的裂解产物是冷能利用收益率最高的利用方法。冷能用于轻烃分离的主要产品主要为C2H6、C3H8和少量C4H10，既可以进一步分离，作为液态C3H8，又可将其作为制取C2H4的工业原料，大大降低其生产成本，市场前景都非常乐观。在美国，从中分离出轻烃己成为调节天然气热值使之符合美国国家燃气标准的重要手段。

4 LNG冷能利用的意义

中国经济快速发展和模式转型决定了大规模利用LNG冷能的绝对必要性，LNG冷能的利用有着重大的意义。

1）环境效益 大型LNG接收终端如广东大鹏，在LNG气化时若不采取冷能回收措施，则通过开架式海水气化器进行换热，低温海水排向海中会影响到局部海域的生态平衡，造成冷污染；

2）节能降耗、低碳 以冷能空分为例，传统空分每吨液态气体成本在500元左右，而本项目的冷能空分在300元以下，每吨液态产品节省的电耗可达200多kW·h，按照每度电相当于排放0.785kg二氧化碳的转换关系，20 000液体冷能空分项目的运行相当于减排二氧化碳10万t/a；

3）促成天然气产业和其他行业联姻 以冷能空分为例，氧气生产成本降低，将促进氧气进入更广泛的应用领域，如：劣质煤、煤矸石、高炉煤气、垃圾、秸秆等低热值燃料发电，普及水体增氧技术用于水产养殖、污水处理等；

LNG冷能开发、利用不是一个简单、孤立的节能项目，它可以通过冷能直接利用和间接利用串起起来，联合开发，形成一个低温经济圈。

5 结束语

LNG蕴藏着大量的低温能量，随着国家对能源综合利用要求的提高，LNG冷能利用的市场将进一步打开。冷能发电工艺相对简单，操作简便，属于利用较早的技术，经运行证明，冷能发电利用降能效率较低，一般仅为15%~25%，想要提高发电效率要采用多级发电系统，但设备庞多，占地面积过大投资回报期过长。

冷能空分作为与LNG冷能品位匹配高，冷能利用率高，推广最具代表性。冷能空分技术相对较为成熟，国际上已有10套以上系统在运行，国内第一个冷能利用项目（莆田）也采用冷能空分方案，运行经验较丰富。

因此，利用LNG冷能进行空气分离项目是目前能量利用最充分，同时符合循环经济、环境友好节能的原则，满足社会、经济和环境三重效益。

LNG Cold Energy Value and Industrial Utilization Technology

Xu Feng-jie，Xu Jian，Wang Dan

This paper introduces the cold energy produced by LNG gasification with the ambient temperature，the system pressure and the change of each component，analyzes the value of LNG cold energy，and introduces the LNG cold energy in the power generation，air separation，light hydrocarbon separation in the industry Use technology.

LNG cold energy；cold energy generation；cold energy separation

TE89

B

1003–6490（2017）03–0171–02

2017–03–12

许峰杰（1984—），男，浙江海宁人，工程师，主要从事空分工艺流程和压力管道设计工作。