液化天然气冷能构成与有效利用方式分析

王 昊，马贵阳，王锡钰，李 程

（辽宁石油化工大学 石油天然气学院，辽宁 抚顺 113001）

液化天然气冷能构成与有效利用方式分析

王 昊，马贵阳，王锡钰，李 程

（辽宁石油化工大学 石油天然气学院，辽宁 抚顺 113001）

随着时代的不断进步与人们对液化天然气的需求量与日俱增的大环境下，我们近些年来对于这一方面进行详细而深入的研究，通过以往大量的实践结果表明，液化天然气（简称LNG）在汽化期间会释放巨大的冷能，倘若我们能够根据实际需要想方设法有效利用和回收这部分冷能，将会在很大程度上提高节能效果与对系统的效率，对于人们的生活质量和环保方面产生的作用将会是十分巨大的。对LNG冷能的构成以及相关应用进行了分析，通过这种方式说明在当前这种大环境下各种LNG冷能回收利用形式的能量利用的实际情况以及在应用过程中的一些注意事项。然后结合自身多年的实践经验针对冷能回收系统的不同提出相关的指导性建议，希望能够在今后的有效应用液化天然气方面提供一些借鉴和参考。

液化天然气；冷量利用；回收；LNG冷能

从以往的大量实践中我们可以看出，为了最大限度的方便天然气的储藏运输，我们最为常用的做法就是将天然气经过相关的干燥脱酸处理后，11K这种低温状态下液化成液态。但是有一点值得大家注意的是，在液化天然气气化成常温气体之后供给用户的期间必然会将释放出大量的冷能，而以往的很多时候，我们会对这一问题不管不顾，任由其浪费掉，这是十分可惜的。

1 LNG的冷能具体构成

众所周知，随着全球人口总数越来越多，能源供应问题也日益凸显出来，人们随着时间的推移逐渐认识到能源“质”比“量”更关键。从一个角度上来看，我们在当前这种大的形势下已经不能再像过去那样单纯的看量而忽略了质，而应该以一种综合的角度了分析和看待这个问题。下面将从“冷量”和“冷量用”这两个方面分别阐述冷能的主要构成。

1.1 LNG的冷量

通常而言，我们常说的冷量所指的是系统处于比环境温度要低（具体低多少要根据实际情况而定）通过边界所散发出来的能量总和。通过以往大量的实践结果，蒸发器内制冷工质汽化冷却冷媒水（通常是以液态形式出现）；液氮喷淋在冷藏车内汽化制冷等，这些都是利用工质的冷量来完成的，这就好像在过去的冬天生火取暖、烹煮食物比较类似，都利用了热量，但是它们之间也存在着本质上的区别，那就是前者所利用的是比环境温度要低的热量。但是这种数量描述仍然无法在真正意义上体现能量在“质”上的差异。因为对于低温工质而言，冷量一般而言只是非常简单的描述了它吸收热量的能力到底有多大而以。通过过去的大量的研究，当LNG由饱和温度（我们可以用T饱和=111 K）复温到300 K，100卡帕的环境状态下释放出的冷量为919.89 kJ/kg[1]。

1.2 LNG的冷量用

从前面的描述中我们可以得知，不管是系统当时是处于哪一种状态如果在逆变化到给定环境状态的过程中，能转换为“可完全转换能量”的称之为冷量用。当工质温度比环境温度要低的时候，系统会从外界环境吸热的期间达到有用功的最大化，还有一种情况就是为了尽可能的维持低温，自系统抽取冷量过程中需要消耗的有用功最小值称为冷量用。如果从这种层面来看的话，冷量用和热量用本质上其实属于“死态”的两种形式罢了，他们都可以某种方式转化为有用功。从图1中可以看出，低温工质所具有的冷量通常要少于比它所能转化的最大有用功，而且要少得多。

图1 热量/冷量用与温度的关系Fig.1 Heat/cold quantity relations with temperature

从图1中可以清楚的得出一个结论，与环境的温差会随着温度的降低而加大。众所周知，与环境的温差完全一致的条件下，低温下的能质系数要高出高温状态下能力系数（而且一般会高出许多）。此时我们可以从节能的角度充分的利用低温下系统的这种能力会比以前那样单纯的利用低温工质放出的冷量在价值方面必然会高得多[2]。

2 LNG冷能的回收与有效利用

通过以往的经验总结，LNG冷能的回收与有效利用主要表现在以下几个方面。

2.1 LNG冷能回收在发电中的有效应用

一般地说，回收LNG冷能，就目前而言还是需要依靠动力循环进行发电是回收以及有效利用LNG冷能的主要方式，而且经过这么多年技术的沉淀和经验的积累，在技术方面相对较而言会更加成熟一些。总的来说，当前通过电能的形式回收冷量用的方式主要包括以下三种情况：首先是利用温度用的中间介质朗肯循环方式，换言之，就是每吨LNG的发电量保持在20 kW·h的状态；然后是利用压力用的膨胀法（直接而非间接）；最后就是综合上述两者的联合法，也就是保持每吨LNG的发电量在45 kW·h上下徘徊[3]。

从图2看出，左半部分是靠LNG与海水驱动的冷媒动力循环（二次）。右半部分是利用压力用的直接膨胀动力系统完成的。其中需要特别强调的是，在这个运行的过程中选取系统中二次冷媒是至关重要的，我们务必要保证其物性合乎相关标准才行，也就是要切实保证在LNG范围内不会凝固，与此同时流动和换热性能也必须要良好，临界温度不得低于环境温度，使用安全，比热大等相关要求。除此之外，为了最大限度的提高LNG冷能的回收效率，我们在就目前而言已经得到实践证明过最为有效的方式就是在二次冷媒动力循环系统中采用再热（或回热）循环，数据表明，如果不出现意外情况的话，这种回收方式的冷能回收率通常可以达到50%左右。

图2 LNG冷能回收联合法流程Fig.2 Joint method of LNG cold energy recovery process

2.2 冷能回收在空分中的有效应用

一般地说，低温环境往往是由电力驱动的机械制冷所造成的，我们从制冷原理可知，消耗的电能会随着温度的降低呈现出急剧增加的状态。通过以往大量的实践结果表明，低温蒸发在一定的范围内，能耗势必会随着蒸发温度降低而出现一定程度的增加。相关数据表明，蒸发温度每降低1 K，能耗会随之增加大约10%上下徘徊。回收LNG冷能如果是主要用于两级压缩制冷冷却空气制取液氮，那么液氧的空分装置流程图如图3所示[4]。

事实证明，采取这种方式所需要的制冷机的类型是通常是比较小的那种，电能消耗也可逐渐得到减少，在过去的很长一段时间里生产1 m3需要电耗0.5 kW·h，自从采用冷量回收的方法可使电耗减小30%；而且随着水耗的减少必然会在很大程度上降低液氮（或者是液氧）的生产成本，这样一来可以使LNG在温度更低的领域得到更为广泛的应用，比方说在生产半导体器件、真空冷阱、食品速冻等领域。此外，预冷剂作为空气分离装置，它在生产液氩的空分装置中会最大限度的利用其冷能冷却以及液化的循环氮，事实证明，通过这种方式可以很好的省去氟里昂制冷机以及氮透平膨胀机组，从而进一步降低产品能耗，事实证明，这样做可以在一定程度上减少企业的成本投入，大大提高经济效益[5]。

图3 LNG冷能回收用于空分流程Fig.3 LNG cold energy recovery used in air separation process

2.3 LNG冷能回收在制造干冰过程中的应用

以化工厂的副产品二氧化碳为原料，这也是LNG冷能回收的主要利用形式，相关数据表明，这样做能够有效节约50%以上的电能。

除此之外，液态二氧化碳在焊接、铸造行业应用的同样比较广泛，而干冰的应用领域就更多了。事实证明，利用LNG冷能制造液态二氧化碳（或干冰），不但比过去消耗的电耗更小（1 m3电耗0.2 kW·h），而且生产的产品的纯度高最高可以达到99.9%[6]。

3 结束语

综上所述，随着科技的发展与人们对天然气质量的要求越来越高，因为这是与我们的日常生活密切相关的，我们必须要对此问题引起足够的重视才行。通过多年的实践经验得出，冷量LNG会随着温度的降低而不断提高自身的价值越高，LNG具有的作功能力比吸热的能力更宝贵。从这一点上来看，我们应充分利用其在低温下的高品质能量，想方设法最大限度的利用LNG的作功能力为我们提供优质服务。想要做到这一点，相关工作人员应该根据实际需要对流程进行合理安排，最好的办法就是采取减小传热温差等措施来有效减少那些不可逆损失。从而保障的天然气更好的为我们所用。

［1］熊永强.液化天然气冷量利用的集成优化[J].华南理工大学学报（自然科学版），2011（03）:102-103.

［2］谭洪波.液化天然气冷能用于striling热机初探[J].化工学报，2014（06）:49-53.

［3］白飞飞.低温回收废热与液化天然气冷能利用的集成研究[J].中国化学工程学报，2010（05）:20-23.

［4］张国军，刘伯权.高强混凝土框架柱的恢复力模型研究[D]. 北京:北京大学,2011.

［5］熊永强，华贵.利用液化天然气冷能搜集二氧化碳的动力系统的集成[J].化工学报,2010（12）:78-80.

［6］金涛，胡建军.利用液化天然气冷能的新型空分流程极其性能[J].浙江大学学报（工学版），2010（05）:65-67.

Analysis on Composition and Effective Utilization of LNG Cold Energy

WANG Hao, MA Gui-yang, WANG Xi-yu, LI Cheng
（College of Petroleum and Natural Gas Engineering, Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001, China）

As the progress of the Times and people's increasing demand for liquefied natural gas (LNG), we have made an exhaustive study on it in recent years. The results show that, liquefied natural gas (LNG) can release huge cold energy during evaporation. If we can effectively use and recycle this part of the cold energy according to the actual need, the efficiency of the energy saving will be largely improved, which will have very great effect on the quality of people's live and environmental protection. In this article, composition and related application of LNG cold energy were analyzed. Now actual situation of recycling and utilization LNG cold energy was discussed as well as some matters needing attention in the application process.Then combined with practical experiences, some suggestions were put forward.

Liquefied natural gas (LNG); Cold energy utilization; Recycling; LNG cold energy.

TE 62

： A

： 1671-0460（2015）10-2357-03

2015-04-10

王昊（1991-），男，辽宁抚顺人，硕士，辽宁石油化工大学油气储运硕士在读，研究方向：液化天然气冷能利用技术。E-mail：471794046@qq.com。