樊亞明， 劉 梅， 吳正人， 呂玉坤

（1.華北電力大學(xué) 能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理系，河北 保定 071003）

天然氣以其儲量豐富、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等特性成為繼石油之后各國重點(diǎn)開發(fā)的化石燃料。其中液態(tài)天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）的發(fā)展尤為迅速，在天然氣貿(mào)易中的比重也從2002年的25.8%上升到了2010年的30.52%。?？松梨诠居?010年初預(yù)計(jì)，今后20a內(nèi)世界LNG需求量年增長約4%，到2030年，預(yù)計(jì)LNG將占世界天然氣需量的15%。

中國海關(guān)總署數(shù)據(jù)顯示，2010年我國共計(jì)進(jìn)口 LNG 達(dá)到935.6×104t，同比大幅增長69.13%，其中20%依賴于國外進(jìn)口，2010年LNG的進(jìn)口量可利用冷能折合為電能約為每年33×108kW·h，如果將這些冷能加以利用，相當(dāng)于減少CO2排放34×104t，對促進(jìn)我國節(jié)能減排、發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、提高資源利用率作用巨大［1－2］。

1 LNG冷能及能源價(jià)值

LNG燃料以甲烷為主要成分，在一個(gè)大氣壓下，從－160℃極低溫度升高到25℃，LNG吸收920kJ／kg的熱焓，如果這些冷能能以100%效率轉(zhuǎn)換成電力，則1t的LNG相當(dāng)于250kW·h，所以LNG具有相當(dāng)大的能量。LNG汽化產(chǎn)生的大量冷能通過海水排入大海，不僅浪費(fèi)大量的冷量，又對海洋生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生不利影響。因此液化天然氣冷能的梯級利用，不僅可以有效降低能源供給，而且相對于傳統(tǒng)能源，液化天然氣冷能在開發(fā)使用過程中，幾乎沒有任何污染物排放，是一種綠色環(huán)保能源，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會效益。

隨著LNG產(chǎn)銷量的迅速增長和全球性能源的日益緊張，LNG冷能利用的前景十分廣闊。目前LNG冷量利用方式大都是單一利用技術(shù)，但從能源的發(fā)展角度分析，應(yīng)該開發(fā)LNG冷能梯級利用技術(shù)［3－5］

2 LNG冷能的主要利用技術(shù)

目前，國際上LNG冷能利用技術(shù)主要應(yīng)用于空氣分離、發(fā)電、低溫粉碎、冷凍冷藏、海水淡化、干冰制造等［6－8］。

2.1 液化分離空氣

傳統(tǒng)空氣分離（以下簡稱“空分”）流程中需要的冷能是利用氟利昂制冷機(jī)和組合的膨脹機(jī)產(chǎn)生的。在常溫空分裝置中的冷卻器等換熱裝置中引入LNG冷能，每生產(chǎn)1m3的液化氧氣需要的電力消耗從1.2kW·h減少到0.5kW·h，同時(shí)減少了空氣壓縮中間冷卻的用水環(huán)節(jié)，節(jié)能節(jié)水效果顯著。由于空分裝置所需要達(dá)到的溫度比LNG溫度還低，因此LNG冷量中的有效冷能也會得到最大程度的利用，從熱力學(xué)角度看是最為合理的利用方式。目前空分裝置利用LNG冷量的流程，主要有LNG冷卻循環(huán)氮?dú)?、LNG冷卻循環(huán)空氣及空分裝置聯(lián)合運(yùn)行的LNG發(fā)電系統(tǒng)。由于氮?dú)馀蛎泟┲评淇辗至鞒痰膹V泛應(yīng)用，LNG冷卻循環(huán)氮?dú)獾睦梅绞揭彩禽^為主流的方式［9］。

2.2 冷凍倉庫、低溫粉碎

液化天然氣適合用船運(yùn)輸，LNG接收站一般都設(shè)在港口附近。大型的冷庫基本也都設(shè)在港口附近，以方便遠(yuǎn)洋捕獲的魚類的冷凍加工。因此，回收LNG冷能供給冷庫是很方便的冷能利用方式。將LNG接收站的冷能作為冷庫的冷源，在回收LNG冷能的同時(shí)又可簡化制冷工藝（不用制冷機(jī)），大幅削減冷庫的建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用，可以節(jié)省1／3以上的電力［10］。低溫粉碎是LNG冷能間接利用的主要方式之一。輪胎、塑料及其他成分組成的合成物在常溫條件下不易粉碎，但都具有低溫脆性，因此利用LNG冷能低溫粉碎是一種高效技術(shù)。將廢舊橡膠低溫粉碎可生產(chǎn)出高附加值的精細(xì)膠粉，既回收資源，又減少了環(huán)境污染。目前，主要有廢棄輪胎及食品的低溫粉碎等。

2.3 干冰生產(chǎn)、海水淡化等

傳統(tǒng)的液化工藝是將二氧化碳壓縮至2.5～3.0MPa，再利用制冷設(shè)備冷卻和液化，利用LNG冷能則很容易獲得液化二氧化碳所需要的低溫。與傳統(tǒng)液化工藝相比，工藝流程簡單，制冷設(shè)備負(fù)荷減少，電耗也降低為原來的30%～40%。LNG冷能用于海水淡化是屬于冷凍法海水淡化的一種，基于很多LNG接收站建設(shè)在沿海地區(qū)，因地制宜地發(fā)展海水淡化，不但可解決LNG接收站及附近淡水用戶用水問題，而且簡化了傳統(tǒng)冷凍法海水淡化中整個(gè)裝置，節(jié)省了供給淡水的建設(shè)費(fèi)用［11－12］。

2.4 冷能發(fā)電

燃?xì)廨啓C(jī)電廠利用LNG冷能，主要方式有燃?xì)廨啓C(jī)入口空氣冷卻和蒸汽輪機(jī)排氣冷卻。我國一次能源消費(fèi)中有很大一部分以中低溫余熱的形式排放掉了，由于溫度不高（約450℃以下），中低溫余熱難以做功，但若與冷能結(jié)合就能大大擴(kuò)展其工作溫度區(qū)間，實(shí)現(xiàn)高效動力回收利用。而以L N G作為冷源，中低溫工業(yè)余熱作為熱源的閉式Brayton循環(huán)，則可實(shí)現(xiàn)低溫余熱的充分利用。進(jìn)氣冷卻的方案是利用中間傳熱工質(zhì)，通過2級換熱器將LNG冷能傳遞給燃?xì)廨啓C(jī)入口空氣；同時(shí)，利用氣化LNG后的海水作為凝汽器的循環(huán)水可降低汽輪機(jī)背壓，不僅有利于提高聯(lián)合循環(huán)蒸汽輪機(jī)部分的出力，而且減小海水的溫降，有利于該海域的環(huán)境保護(hù)和生態(tài)平衡。該技術(shù)也可針對火力發(fā)電廠的汽輪機(jī)凝汽器冷卻。

依靠動力循環(huán)進(jìn)行發(fā)電是目前LNG冷能回收利用的重要內(nèi)容，且技術(shù)相對較成熟。主要是利用LNG的低溫冷能使工質(zhì)液化，然后工質(zhì)經(jīng)加熱汽化在汽輪機(jī)中膨脹做功，帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。目前采用最廣泛的是將直接膨脹法和低溫朗肯循環(huán)法聯(lián)合使用，這樣可以使冷能的回用效率大大提高，冷能回收效率可提高至36%，每t的LNG發(fā)電量達(dá)到45kW·h［13－14］。

3 LNG冷能利用現(xiàn)狀及有效途徑

3.1 冷能利用現(xiàn)狀

我國LNG冷能利用起步較晚，專家學(xué)者們在LNG冷能品質(zhì)分析、LNG冷能發(fā)電、LNG低溫粉碎、空氣分離、冷凍冷藏等方面均做了很多有益的探索，但許多LNG冷能利用技術(shù)還尚不成熟，建成的工程實(shí)例也很少。中國海洋石油總公司在福建省莆田市建設(shè)了我國首套利用LNG冷能進(jìn)行空氣分離生產(chǎn)線，該裝置具有較大的環(huán)境和能效效益，使用冷能大大減少了工業(yè)氣體生產(chǎn)過程中的電耗。廣東省佛山市順德杏壇LNG站冷能用于冷庫技術(shù)項(xiàng)目，是國內(nèi)首次將冷能的量化和計(jì)量用于實(shí)際工程，并商業(yè)化運(yùn)營的冷能利用項(xiàng)目，也是國內(nèi)首個(gè)運(yùn)營的LNG冷能利用工程實(shí)例，在該領(lǐng)域起到示范作用。福建省德化縣建立LNG冷能利用服務(wù)公司，把LNG冷能分梯級用于低溫發(fā)電、低溫冷庫、室內(nèi)人造冰雪和冷水空調(diào)等。大連LNG接收站是我國目前技術(shù)最先進(jìn)、功能最齊全、國產(chǎn)化率最高的接受站，也是我國自主設(shè)計(jì)和建設(shè)的LNG接受站。經(jīng)過多年實(shí)踐，我國LNG冷能利用技術(shù)已漸趨成熟，也積累了一定經(jīng)驗(yàn)，旨在提高冷能回收利用率的新理念、方案，如LNG冷能的梯級利用、大型LNG接收站冷能的綜合利用等也正在不斷提出。

3.2 冷能利用的有效途徑

LNG冷能用于發(fā)電系統(tǒng)，產(chǎn)業(yè)鏈很短，基本不受其他外界因素干擾，可回收LNG大部分溫度段的冷能，冷能發(fā)電系統(tǒng)啟動和停止也較容易，特別在LNG負(fù)荷變動較大的情況下，可以有效地回收冷能，從而受到廣泛關(guān)注。

目前日本有26臺獨(dú)立（與電廠無直接關(guān)系）的冷能利用設(shè)備，其中15臺低溫朗肯循環(huán)獨(dú)立發(fā)電裝置，出力大致各為幾千千瓦［15］，由此可見，冷能用于發(fā)電是日本LNG冷能利用的主要途徑?；厥誏NG冷能用于發(fā)電不僅有效回收利用了能源，而且減少了機(jī)械制冷造成的大量電能消耗，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，開展冷能發(fā)電技術(shù)還有利于優(yōu)化我國以煤電為主的電源結(jié)構(gòu)調(diào)整，緩解煤電帶來的環(huán)境保護(hù)壓力，社會效益顯著。日本的工程實(shí)例將為我國冷能發(fā)電積累經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)束語

冷能利用不僅要以利用過程中能量回收量的多少為依據(jù)，還要看能量利用的品位，應(yīng)當(dāng)把握溫度對口、梯級利用的總能系統(tǒng)原則。

基于種種條件的限制，LNG冷能不可能全部轉(zhuǎn)化利用，目前世界LNG冷能平均利用率約20%，LNG冷能利用項(xiàng)目也大都是單一用戶，很少有多用戶集成的項(xiàng)目。規(guī)劃建設(shè)新的LNG接受站的同時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分考慮LNG冷能利用產(chǎn)業(yè)鏈項(xiàng)目，包括冷能利用產(chǎn)業(yè)鏈、天然氣冷熱電聯(lián)供的工業(yè)能源循環(huán)經(jīng)濟(jì)鏈等。此外，LNG作為一種低溫液體，其主要危害體現(xiàn)在溫度極低，氣液膨脹比大，易于與空氣形成爆炸性混合物。因此，LNG接收站也存在潛在的危險(xiǎn)，需要從設(shè)計(jì)方面進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)。

液化天然氣氣化過程中產(chǎn)生的冷量能源的利用在中國是一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè)，冷能的合理利用以及減少冷能污染，目前已經(jīng)得到國家有關(guān)部門的高度關(guān)注和積極支持。如果能充分利用LNG冷能，不僅能夠獲得需要的產(chǎn)品，還能對環(huán)境保護(hù)產(chǎn)生重要作用。目前我國LNG冷能已基本具備了綜合集成條件，在充分汲取各國成熟技術(shù)基礎(chǔ)上，通過自主集成創(chuàng)新，我國LNG冷能利用一定能實(shí)現(xiàn)技術(shù)、管理機(jī)制和市場運(yùn)作等各方面的突破，大規(guī)模利用LNG冷能發(fā)電工程也必將會得到穩(wěn)步發(fā)展。

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