LNG冷能利用技术进展研究

张锐悦，何光琳，徐宏超，高利波，王 晗

（1. 中国石化胜利油田有限公司河口采油厂，山东 东营 257200； 2. 中石化天然气运输分公司，山东 济南 250101；3. 中国石油大学（北京），北京 102249； 4. 中国石油长庆油田分公司采油三厂，宁夏 银川 750002）

石油化工

LNG冷能利用技术进展研究

张锐悦1，何光琳2，徐宏超3，高利波3，王 晗4

（1. 中国石化胜利油田有限公司河口采油厂，山东 东营 257200； 2. 中石化天然气运输分公司，山东 济南 250101；3. 中国石油大学（北京），北京 102249； 4. 中国石油长庆油田分公司采油三厂，宁夏 银川 750002）

LNG以其所占空间小、运输灵活、热值大、性能高在近几年发展迅速，特别在我国沿海城市多个LNG接收站已经或计划建造。LNG的气液临界温度为-162 ℃，低温特性决定了其具有高品质冷能的利用价值，通过对 LNG冷能利用原理的阐述，并比较在空气分离、低温发电、冷冻仓库、橡胶粉碎等方向的冷能利用方式，指出了我国在LNG冷能利用上所具有的巨大潜力和广阔前景。

LNG；冷能利用；空气分离；低温发电；橡胶粉碎

LNG（液化天然气）作为21世纪主要的能源之一，在其气化过程中会释放出大量的冷能，有效的回收利用这些能量对能源的充分利用和缓解能源紧张局面有突出重要的意义。

1 LNG冷能利用原理

图1 中国2015年LNG冷能利用的市场规模Fig. 1 The market size of China 's LNG cold energy utilization in 2015

LNG冷能的利用主要是依靠高压低温的 LNG在汽化过程中与周围环境之间存在的温度和压力差回收储存在LNG中的能量[1]。而经过调查通常生产每吨LNG的动力及公用设施耗电量达到850 kW•h，在 LNG运送到目的地后又需将其通过汽化器气化后送入天然气管网，由热力学定律每吨LNG气化所释放的总能量约为 830 kW，若以此冷能来进行发电，假设效率达到100%，每吨LNG可利用冷能折合电量约为231 kW∙h，经预测中国2015年的LNG进口量，其可利用能量折合成的电量如图1所示。

LNG的冷能从利用形式来分主要为直接利用和间接利用，而直接利用主要包括空气分离、低温发电、冷冻仓库、二氧化碳的液化及干冰的制造等，间接利用形式主要为污水处理、冷冻干燥、粉碎回收橡胶等，下面具体针对几种主要的利用形式进行介绍。

1.1 空气分离流程

梁广川等[2]通过软件模拟从定量的角度对比了运用LNG气化制冷原理于空气分离与传统空气分离流程的能量比较，其具体改进流程图如图2所示。

模拟的结果表明，此流程生产单位液态产量的能耗为0.3 kW•h/kg，相比传统能耗降低了约7成，具有明显的节能优势。且由此流程可看出将LNG冷能用于空气分离流程利于提高空分流程的液化率，能缩短装置启动时间，简化了空分流程，省去了传统空分流程中的佛里昂制冷机和组合膨胀机，但通过此种方法的安全性尚未得到很好验证，气化后的天然气为易燃易爆物品，对流程的操作规程要求更加严格，气化后的天然气的去路应提前规划好，完善流程的完整性。

图2 利用LNG冷能的空气分离流程Fig. 2 The process of using LNG cold energy to air separation

1.2 发电技术

利用LNG冷能用于发电系统，可充分利用电能应用方便、用途广泛的优势，具有产业链短，受外界因素影响小的优势，是一种较为高效的能源利用方式。陈晖等[3]对LNG冷能发电技术研究进行了详尽的描述，介绍了4种常用的发电方案，即LNG冷能改善现有动力循环、LNG 直接膨胀法、低温朗肯循环、低温布雷顿循环，并分别介绍了各自的使用范围和优缺点，在此基础上提出了改进的发电循环的多级循环，以提高能量的整体转化效率（图3）。王欢[4]对冷能发电基于热力学定律采用差分算法仿真测算出在联合发电系统中的临近温度、压力等边界条件。在LNG冷能用于发电流程中，需要考虑的优化工艺参数较多，要想取得较高的能量转化效率，不仅要对循环参数、循环系统、循环工艺进行优选，还要考虑市场、地理位置、环境因素等影响，因此LNG冷能发电还有很大的发展空间和潜力。

图3 多级复合循环发电流程Fig. 3 The process of multi-level combined cycle power generation

1.3 冷库制冷

通过 LNG冷能气化使吸收热量使周围介质冷却的原理来进行冷库和冷水的制冷是 LNG冷能利用的重要部分，其利用方式多样、应用广泛，有较好的推广价值。杨春等[5]提出了一种LNG冷能用于冷库和冷水的撬装化装置，此装置包括LNG气化系统、冷媒循环系统和冷水生产系统三个系统，通过LNG气化将冷能传给冷媒，再通过冷媒传递给冷库或冷水来达到制冷效果。此装置较为合理的利用了能量的守恒原则，通过理论计算和模拟得出能量利用比例，以操作简单等优势优化了冷库冷能利用形式，但其可用能的利用率偏低，有较大发展空间。

1. 4 粉碎废旧橡胶

中国作为世界上最大的橡胶消费国和最大废旧橡胶生产国之一，每年报废的废旧橡胶数量巨大，从而粉碎废旧橡胶工作量也非常庞大。采用LNG冷能对废旧橡胶进行粉碎对比传统的常温直接切割粉碎和低温深冷粉碎有较大优势，不仅节能降耗[6]，还能有效的简化流程，具有较为广阔的市场前景（图4）。通过LNG气化站和卫星站分布广泛的特点，利用冷能建设废旧橡胶低温深冷粉碎装置，就地粉碎当地废旧轮胎，节约轮胎的运输成本，降低精细胶粉的生产成本，对建设节约型社会也会做出突出贡献。

图4 利用LNG冷能粉碎废旧橡胶工艺流程Fig.4 The process of LNG cold energy utilization of waste rubber grinding

2 LNG冷能利用前景

目前，全球大型LNG接收站不断兴起，LNG进入高速发展阶段，这为LNG冷能利用提供了契机。日本作为全球LNG接收最大国家，其冷能利用也是广泛而有效的，主要方式有低温发电、空气分离、液态二氧化碳及干冰的制造和低温冷库等，其中最主要的是低温发电，高达70%作用。我国LNG进口量也在迅猛增长，但国内的LNG冷能利用技术尚不成熟[7]，在广东深圳大鹏湾LNG冷能用于空气分离、建设人造滑雪场和海水淡化/制冰等的项目还在筹划中，已经进行的莆田 LNG 冷能利用项目集成了空气分离、深冷粉碎、轻烃分离、制取干冰、低温冷库、淡化海水和低温发电等七个项目，上海和浙江的相关项目还在筹划，总体利用程度不高，在未来几十年中发展LNG冷能利用技术对我国能源高程度利用有较大意义。

3 结束语

上述内容对LNG冷能利用方式的阐述，介绍了LNG冷能在空分、制冷、发电及粉碎等工业行业的应用技术，并针对目前国内数家大型LNG处理厂的各自特点对其冷能利用方式进行了简单概述，得出LNG冷能利用在我国的广大发展空间。我国开展LNG冷能利用技术起于上个世纪九十年代，目前各高校、研究所正在进行深入研究与工程实践结合阶段，加速冷能利用技术的研究将有力的推动我国LNG冷能利用的广泛应用。

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［5］杨春,徐文东,张辉等.LNG冷能用于冷库和冷水的技术开发[J].煤气与热力,2012, 32(12):4-7.

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Research Progress in LNG Cold Energy Utilization Technology

ZHANG Rui-yue1，HE Guang-lin2，XU Hong-chao3，GAO Li-bo3，WANG Han4
(1. Sinopec Shengli Oilfield Co.Ltd. Hekou Oil Production Plant, Shandong Dongying 257200, China; 2. Sinopec Nature Gas Transport Branch, Shandong Jinan 250101,China; 3. China University of Petroleum, Beijing 102249，China; 4. Changqing Oilfield Oil Company No.3 Oil Production Plant, Ningxia Yinchuan 750002，China）

LNG has obtained rapid development in recent years because of its small occupied space, flexible transportation, high calorific value and high performance. Especially multiple LNG terminals have been built or planned in China's coastal cities. LNG gas-liquid critical temperature is -162 ℃. Low-temperature characteristics determine its use value of high-quality cold energy. In this paper, LNG cold energy utilization principle was explained, and utilization patterns of the cold energy were compared, such as air separation, cryogenic power generation, refrigeration warehouses, rubber grinding and so on. At last, enormous potential of LNG cold energy utilization in our country was pointed out.

LNG; cold energy utilization; air separation; cryogenic power generation; rubber grinding

TE 624

A

1671-0460（2014）11-2262-03

2014-4-07

张锐悦（1994-），女，2014年毕业于辽宁石油化工大学油气储运工程学士学位，现主要从事油田生产技术工作，275895314@qq.com。