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第２６卷第２期 ２００８年４月 低温与特气 Ｌｏｗ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ Ｓｐｅｃｉａｈｙ Ｇａｓｅｓ Ｖ０１．２６．Ｎｏ．２ Ａｐｒ．，２００８ ＬＮＧ冷能综合利用研究 江克忠，杨学军，刘 成，崔卫滨 （中国海洋石油公司基地集团石化服务公司空分项目组，广东惠州大亚湾海洋石油大厦２８号信箱５１６０８６） 摘要：简介了ＬＮＧ冷能利用的背景和现状，从ＬＮＧ冷能综合利用的意义出发，对ＬＮＧ冷能的可用性以及用冷特性 进行分析，最后指出了ＬＮＧ冷能综合利用方法策略和集成模型，利用的实施条件和解决措施。 关键词：液化天然气；冷量；综合利用；梯级；用冷特性 中图分类号：，ｒＥ０９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００７－７８０４（２００８）０２—０００１—０５ Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ Ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＬＮＧ Ｃｏｌｄ Ｅｎｅｒｇｙ ＪＩＡＮＧ Ｋｅ—ｚｈｏｎｇ，ＹＡＮＧ Ｘｕｅ—ｊｕｎ，ＬＩＵ Ｃｈｅｎｇ，ＣＵＩ Ｗｅｉ—ｂｉｎ （ＣＮＯＯＣ Ｏｉｌ Ｂａｓｅ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ，ＬＴＤ—Ｐｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｓ＆Ｓｅｒｖｉｃｅｓ，Ｈｕｉｚｈｏｕ ５１６０８６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｏｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｉｓ ｓｕｂｊｅｃｔ ｉｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｎｄ ａｌａｔｅｓｔ ｃｏｎｄｉｉｔｏｎ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＬＮＧ ｃｏｌｄ ｅｎｅｒｇｙ，ａｎｄ ａｌｓｏ ｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｇｎｉｉｆｃａｎｃｅ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＬＮＧ ｃｏｌｄ ｅｎｅｒｙｇ，ａｎａｌｙｓｅｄ ｗｈｅｔｈｅｒ ＬＮＧ ｃｏｌｄ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｕｌｄ ｂｅ ａｖａｉｌａｂｌｅ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｏｌｄ ｅｎｅｒｇｙ，ｓａｖｅ ｓｏｍｅ ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｆｏｒ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｕｔｉｉｌｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＬＮＧ ｃｏｌｄ ｅｎｅｒｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｄ ｏｆ ｐａｒａｇｒａｐｈ，ｈｏｗ ｔｏ ｕｓｅ ｔｈｅ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂ— ｌｅｍｓ． Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｃｏｏｌｉｎｇ；ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ；ｃａｓｃａｄｅ；ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｏｌｄ ｅｎｅｒｇｙ ０ 引 言 从我国现在能源的储存和开采现状可以得出节 能是我国经济和社会发展的一项长远战略方针，而 ＬＮＧ冷能的综合利用则通过对ＬＮＧ冷能的梯级利 用发展循环经济，提高冷能利用率，这是节能和环 保的重要手段。目前，国内ＬＮＧ冷能综合利用作 为一个新兴并崛起的领域，在技术上的相关领域也 在迅速发展。ＬＮＧ冷能的利用以中温位的梯级利 家统计局统计，过去２０年里，中国经济年均增长 速度为９．７％，２００５年我国能源消耗增长９．５％， 能源消费总量为２２．２亿ｔ标准煤；此外，目前 “经济快速增长引发的结构性变化”、“快速城市化 进程”和“消费结构迅速升级”也对我国能源战 略提出了挑战。从我国的国情和能源资源状况来 看，以目前的能源消耗速度发展下去，能源短缺将 成为完成经济发展战略的瓶颈。而可持续发展既能 满足现代人的需求又不损害满足后代人需求的能 力。它与环境保护既有联系，又不等同，环境保护 是可持续发展的重要方面。因此，可持续发展的核 心是发展，但要求在保护环境、资源永续利用的前 提下进行经济和社会的发展。根据我国能源分布和 用是最有效的冷能利用形式。 １ 我国的能源战略以及面临的挑战 节能和环保是我国以及世界各国关注的焦点。 我国的能源资源占世界第３位，能源生产为世界第 ３位，人均能源占有量不足世界平均水平的１／２， 石油仅为１／１０；我国的能源消费占世界消费 总量的１０．９％（不包括、和澳门，处于世 界第２位），美国为２５．１％（居世界第１位）。据国 消费现状，在沿海发达地区率先使用液化天然气将 有效缓解这些地区能源供需矛盾，优化能源消费结 构，解决日趋严重的环境污染问题。目前，中国第 一个ＬＮＧ项目——中海油广东深圳大鹏湾ＬＮＧ项 目（一期工程）已经建成；福建ＬＮＧ项目已经进入 收稿日期－２００８－０３－０１ 维普资讯 http://www.cqvip.com
２ 低温与特气 第２６卷 实质性建设阶段；浙江ＬＮＧ项目和上海ＬＮＧ项目 正在进行国家核准前的准备工作；珠海ＬＮＧ、海 南ＬＮＧ、深圳第二个ＬＮＧ等项目正在开展前期研 究工作。可以预期，我国ＬＮＧ相关工业将迎来一 输出压力则根据用户要求的不同在０．５～１０ ＭＰａ变 化。输出天然气的温度也接近室温，约为２ｏ℃左右。 ＬＮＧ从储罐到输出需要经历两个明确的热力学过程： 气化升温和加压。根据这两个过程前后顺序的不同， 个快速发展的时期。 ２。ＬＮＧ冷能综合利用的意义 ＬＮＧ是天然气经过脱酸、脱水处理，通过低 温工艺冷冻液化而成的低温（一１６２ ｏＣ）液体混合 物。每生产１ ｔ ＬＮＧ的动力及公用设施耗电量约为 ８５０ ｋＷｈ，耗能巨大。而在ＬＮＧ接收站，一般又需 将ＬＮＧ通过气化器气化后使用，气化时放出很大 的冷量，其值大约为８３０ ｋＪ／ｋｇ（包括液态天然气的 气化潜热和气态天然气从储存温度复热到环境温度 的显热）。这一部分冷能通常在天然气气化器中随 一皇＼吾 需惟 嵇斟海水或空气被舍弃了。以深圳大鹏湾接受终端为 ∞ ∞ ∞ 扣 加 例，如不采用ＬＮＧ的冷能综合利用技术，每年排 人附近海域的冷量将达到２．５×１０ ＭＪ。因此，研 究ＬＮＧ冷能的综合利用技术不仅有利于节约能源， 发展循环经济，而且能最大程度减少ＬＮＧ终端站 对附近海域的影响，保证大鹏湾地区甚至深圳的可 持续发展。 ＬＮＧ冷能不仅具有冷能密度高的特点，还具 有温度分布范围宽的特点。一般而言，ＬＮＧ以 一１６２℃左右的温度储藏在ＬＮＧ储罐中。用气时， ＬＮＧ经气化成为２０℃的天然气。因此，ＬＮＧ可用 冷能分布在一１６２～２０℃宽温度范围中。同时，需 要注意的是：获得不同温度下相同量的冷能花费的 代价显著不同（图１）。有研究表明：当蒸发温度低 于某一数值时，蒸发温度每降低１℃，制冷系统能 耗将需要增加１０％。因此，在ＬＮＧ冷能利用中要 充分重视冷能的“质”。 实现ＬＮＧ冷能的匹配使用将能充分利用冷能 的“质”和“量”，提高用冷系统的效率，减少 ＬＮＧ释放对环境的影响，不但具有重要的经济价 值，而且具有明显的不容忽视的社会效益。 ３ ＬＮＧ冷能可用性及用户特性分析 ３．１ ＬＮＧ冷能可用性分析 ＬＮＧ一般以０．１～０．２ ＭＰａ的压力和一１６２ ｏＣ左右 的温度储存在ＬＮＧ储罐中。而一般的ＬＮＧ气化后的 ＬＮＧ的气化升温过程可以分为高压气化升温（简称：高 压气化）和低压气化升温（简称：低压气化）。如果先将 ＬＮＧ用低温泵增压到—定的压力后再气化，则称作高 压气化，而如果先利用ＬＮＧ冷能使其气化并升温， 然后压缩低压天然气至供气压力后送出，这一气化过 程称为低压气化。 ０．５ ０．３ ， 需睚 林 ０．１ 一２５０—２００—１５０—１１３０ —５０ ０ 温度／℃ 图１ 低温和产生低温所需要动力的关系 不同的气化升温过程对于增压设备的动力要求 （增压设备功耗）和气化过程的释放冷能均有较大 程度影响，因此，气化升温方法的选择需要综合考 虑这两个方面因素的影响。 我国一般的ＬＮＧ气化后的输出压力为８．０～ ９．５ ＭＰａ。深圳大鹏、福建莆田等都是如此。图２ 为在９．５ ＭＰａ时，ＬＮＧ冷能分布与温度的关系。 ８０ ７０ ６０ ５０ 姜４０ 妻３０ ２０ ｌ０ ０ —１５０ —１３０ —１１０ —９０ —７０ －５０ —３０ —１０ １０ 图２ ＬＮＧ可用冷能分布（Ｐ＝９．５ ＭＰａ，超流体） ３．２ ＬＮＧ冷能用户用冷特性分析 目前ＬＮＧ冷能的单项利用技术主要包括空气 分离、干冰制备、低温粉碎、冷库、冷能发电、海 水淡化和人造冰雪项目等。这些项目所需冷能的温 位各不相同；分散单项利用，导致过程炯损过大， 浪费宝贵的冷能资源。它又可分为直接和间接利 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 江克忠，等：ＬＮＧ冷能综合利用研究 ３ 用。ＬＮＧ直接利用有冷能发电、液化分离空气、 冷冻仓库、干冰、空调等；间接利用有低温粉碎、 低温医疗、食品保存等，详见图３。 幽３ ＬＮＧ冷能利用示意图 ＣＯ 发生相变，吸收 却到一９０℃，冷能约需要４２５ ｋＪ／ｋｇ，在一９０ ｏＣ时 大约３５０ ＭＪ／ｔ的冷量。干冰冷量随温度变化关系 ，在深冷粉碎橡胶时首先需要将橡胶从２７℃冷ｔ，当温度在一７８℃左右时橡胶粉碎需要的冷量为２５０ ｋＪ／ｋｇ。深冷粉碎橡胶 见图６。 冷量随温度变化关系见图４。 根据冷冻物品不同，冷库的温度可控制为一 海水淡化海水中取出水，是分离海水中的盐和水的过程，从 或除去海水中的盐，都可以达到淡 ４２、一２８、一ｌ５ ｏＣ，一４２ ｏＣ的冷库大约需要０．６７ 化目的。考虑到ＬＮＧ与载冷剂和载冷剂与海水换 ，ｋＷ／ｔ的冷量，一２８ ｏＣ的冷库大约需要０．１ ｋＷ／ｔ的 热的温差和冷量的迁移冷量，一ｌ５ ｏＣ的冷库大约需要０．１７ ｋＷ／ｔ的冷量。 冷库冷量随温度变化关系见图５。 ４５０ 若海水淡化的容量为 １６００ ｔ／ｄ规划，海水淡化项目需要的ＬＮＧ冷能分布 ，如图７所示。 ｝ ｉ ．／ ３５ｏ ３００ ／ ／ 一 一 一 ｆ ． ＾／ ２５Ｏ ２∞ １５０ 乙 ‘ 蔓 ＼ｆ ｛ ｅ 蔓 、 ｝ ｌ∞ ／ 司 ｜ ｝ ， ５０ ０ ．／ ． ‘１２０ 一１００ —８０ －６０ —４０ —２０ ０ ２０ ＿ —８０ 一 －６０ —４０ —２０ ０ ２０ ／ 温度／℃ １００ 图４橡胶的温度与焓变关系曲线 ‘温度／￣Ｃ 图６干冰冷量随温度变化关系 ０‘ ｜ 。 ０‘ ／ ≥０． ／ ｏ． ／ 暑。． ／ ０・ ｛０・ ／ ０． － ０・ ● 王 柜 — 佥 ／ 巡 芒 Ｊ１ ＇ ｍ ％■Ｒ∞ ※ 目※ 目目■ ■■ Ｈ■日■ 《■■ｍ《 目■ 一 温度／￣Ｃ 图５冷库冷量随温度变化曲线 逮 在干冰制备流程中，在一７８℃以上，ＣＯ 没 图７海水淡化冷能需求分布 有发生相变化，冷却过程所需冷能大约为１Ｏ０ ＭＪ／ 在空气冷却过程中，温度在一１８０℃以上，所 维普资讯 http://www.cqvip.com
４ 堂． 妊 筠榷 佥褪 低温与特气 州 第２６卷 需冷量大约为２３０ ＭＪ／ｔ，而在空气有组分发生相变 ∞ 柏 ∞ ∞ ∞ ∞ 柏 ∞ ０ 表１ 深圳“冰雪世界”项目用冷需求 时所需冷量大约为２００ ＭＪ／ｔ。若空分项目容量按照 １０００ ｔ／ｄ规划，空气分离项目的需求冷能分布如图 ８所示。 若ＬＮＧ拥有的冷能以１００％的效率转化为电 能，那么１ ｔ ＬＮＧ的冷能相当于２４０ ｋＷ・ｈ的电能， 有效回收ＬＮＧ冷能可节约大量的能量。此冷能发 电项目是把一１２０ ｃＩ＝的冷媒冷能与电厂的排空蒸汽 联合起来实现的，相当于５０ ｔ／ｈ的ＬＮＧ，可产生 ２０００ ｋＷ左右的电力，既能利用剩余ＬＮＧ冷能， 又能有效利用电厂的废气，经济效益相当可观。 圭 Ｉ Ｊ＿Ｊ ＿ ．■ ・－●０ 芏 梧 翘 佥 图８空气分离需求冷能分布 榷 呔 若人造冰雪用冷面积大约为２Ｏ万ｍ ，而人造 董 孵 冰雪能耗情况为１００—３００ ｗ／ｍ ，考虑用冷的安全 兹 系数，单位面积用冷量取为３００ Ｗ／ｍ ，则该冰雪 ７０ ．５０ ．３０ 一ｌ０ ｌ０ 世界需求冷源总量如表１所示，表２和图９为人造 冰雪对冷能需求的分布。 温度／＇ｃ 图９人造冰雷需求冷能分布 表２冰雪世界需求冷能分布 ４ ＬＮＧ冷能综合利用 装置；浅冷部分主要用于海水淡化、发电等。最后 建立ＬＮＧ冷能综合利用集成模型。 ４．１ ＬＮＧ冷能综合利用方法和策略 ４。２ ＬＮＧ冷能综合利用集成模型 根据温度对口、梯级利用、投资一炯损总费 根据ＬＮＧ冷能利用原则、冷能可用性分析、 用最小化的ＬＮＧ冷能综合利用的原则，按照上述 冷能用户用冷特性分析及ＬＮＧ冷能综合利用方法 冷能可用性及用户特性分析，确定在不同温位下的 和策略，在充分认识ＬＮＧ的质／量特征，实现ＬＮＧ 技术经济最优的传热温差，在保证必要的传热温差 可用冷能质／量与用冷质／量的较好匹配，避免不必 情况下，建立各冷能用户的ＬＮＧ冷能综合利用的 要的低温高用，实现系统的最大火用效率，建立 理论最优换热网络，评价指标是过程炯损最小化。 ＬＮＧ冷能综合利用集成模型，如图１Ｏ所示。 即按照深冷、中冷、次中冷和浅冷四个冷量利用温 ４．３ ＬＮＧ冷能综合利用实施条件和解决措施 度带，考虑各级用户冷量需求不同特点，建立ＬＮＧ 具体冷能利用项目的选择和实施，需明确ＬＮＧ 冷量按温位梯级综合利用的理论最优方案。深冷利 气化站和冷能用户之间的制约和条件，以及冷 用部分包括空分装置等；中冷利用部分包括低温冻 能用户的可操作性和经济性问题。工程技术关键是 结库或低温冻结装置、人造冰雪、干冰制备装置及 ＬＮＧ气化进入下游管网操作与各个冷能利用过程在 深冷粉碎橡胶装置；次中冷利用部分主要是冷冻库 空间和时间上的不同步。ＬＮＧ的气化要根据下游用 维普资讯 http://www.cqvip.com 第２期 江克忠，等：ＬＮＧ冷能综合利用研究 ５ 户用气峰、谷负荷来调整不同时段汽化量；即气化 多；决不可能都建在ＬＮＧ接收站里；但又不能离 释放出的冷能是随汽化负荷波动的。而空分、干冰 得太远，因为低温冷量的经济输送距离只能在ｌ～ 制造、废轮胎的低温粉碎等各冷能用户所需要的冷 ３ ｋｍ。目前借助选用适当的冷媒循环存储和换热系 能负荷的时间特性，显然与此不同。在空间上，汽 统的专利技术，时间、空间不同步的矛盾已经可以 化设施和操作必须在接收站之内以便于控制，而上 解决。述冷能利用产业群的占地面积加起来比接受站大得 Ｌ ．情 …一厂 ————＿］擐碍粉碎ＨＩ一１５０℃ 碍库Ｈ 水果碍藏｝＿——————’ ］ １ＬＮ广ｊ用户 ２５一一ｉ５℃’ ｛一 ＬＮ广ｊ鲁｝端站内 ｊ空分抉热器［ 一一３０℃ Ｉ峥能发电ｒ］Ｌ海 人造冰雪换热器ｃ ］海水竣化换热罨［ １ Ｉ 制干木 ｌ 空气分离模块 海水渍化模块 Ｎ广ｊ簿端站附近 一ｉ４０℃ １Ｓ℃ 人造诛雪附近 ｊ人造冰雪换热罨 图１Ｏ冷能综合利用集成模型图 ５ 结语 合优化利用技术并在ＬＮＧ接收站合理安排ＬＮＧ冷 能回收配套设施。有效利用ＬＮＧ冷能，实现合理 ＬＮＧ是一种清洁高效的能源。由于进口ＬＮＧ 有助于能源消费国实现能源供应多元化、保障能源 安全，而出口ＬＮＧ有助于天然气生产国有效开发 的梯级利用，建立ＬＮＧ资源方、冷能服务公司和 冷能用户三方共赢机制，可以收到很好的经济效益 和社会效益，有利于降低ＬＮＧ使用成本，开拓天 然气下游用户，促进ＬＮＧ产业的健康发展，符合 天然气资源、增加外汇收入、促进国民经济发展， 我国向节能型社会发展的国策，因而具有重大的现 因而ＬＮＧ贸易正成为全球能源市场的新热点。 实经济和技术意义和极其深远的社会和战略意义。 ＬＮＧ接收站冷能回收利用有利于节能减排。当前我 国这方面技术尚不成熟，要加强与国内外有关单位 合作，尽早实施利用。 未来几年，我国将在沿海地区相继建成十几个 ＬＮＧ接收站，几千万ｔ／ａ ＬＮＧ携带数万ＴＪ／ａ的巨 参考文献： ［１］ａｄｍｉｎ．石油与装备杂志．《石油与装备》编辑部，２００７． ［２］大鹏ＬＮＧ项目建议书［Ｒ］． 额冷量。在高能源价格下，冷量回收项目的经济性 作者简介： 也大大提高。面对如此机遇，我们可以利用后发优 江克忠，男，高级工程师。现任中海石油ＬＮＧ冷能综 势，在充分吸取国外经验和教训的基础上，进一步 合利用项目总经理。 自主创新，开发具有自主知识产权的ＬＮＧ冷量综
