張 丹 宋鵬飛 姜夏雪 夏夢(mèng)瑩

（中海石油氣電集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京100028）

根據(jù)殼牌2020 年LNG 前景報(bào)告顯示，過(guò)去10 年由于能源需求的迅速增長(zhǎng)，相應(yīng)的帶來(lái)更多清潔能源方面的需求，而LNG 作為清潔能源的重要代表，2019 年中國(guó)LNG 進(jìn)口增加4000 萬(wàn)噸，仍是全國(guó)前三大LNG 增量市場(chǎng)之一，并且預(yù)計(jì)2040年中國(guó)天然氣需求將翻一番[1]。趕上這趟LNG 需求快速增長(zhǎng)的高速列車，把握好LNG 自身低溫特性，充分利用LNG 冷能，能夠帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和更高的節(jié)能減排價(jià)值，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)貢獻(xiàn)價(jià)值。

中國(guó)進(jìn)口LNG 晚于日本、韓國(guó)、中國(guó)臺(tái)灣等地區(qū)將近30 年[2]，LNG 冷能利用的支持政策從“十二五”提出，發(fā)展時(shí)間較短，通過(guò)借鑒學(xué)習(xí)國(guó)外成熟經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化提升LNG 冷能利用效率，利用好LNG 氣化時(shí)釋放的近830KJ/kg 冷能[3]，能夠大大降低能源消耗和資金投入，意義重大。

通過(guò)分析目前國(guó)內(nèi)外LNG 冷能利用的現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，在已有相對(duì)的成熟的冷能利用的基礎(chǔ)上，提出具有前瞻性的新理念，豐富國(guó)內(nèi)外冷能利用技術(shù)新領(lǐng)域，規(guī)劃冷能利用新格局。

1 國(guó)內(nèi)外LNG 冷能利用現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外LNG 冷能利用現(xiàn)狀

理論上來(lái)說(shuō)，1t LNG 的冷能轉(zhuǎn)化率如果達(dá)到100%相當(dāng)于240kW·h 的電能[4]，冷能回收利用能夠節(jié)約巨大的電能。LNG 冷能利用大致能分成三類[5]：第一類為直接利用，用于空調(diào)、冷凍冷藏倉(cāng)庫(kù)、CO2的液化、空氣分離及冷能發(fā)電等；第二類為間接利用，是冷能產(chǎn)品的進(jìn)一步利用，如利用業(yè)態(tài)氮冷凍食品、海鮮等；第三類為階梯利用，包括直接利用和間接利用，是針對(duì)LNG 由最低溫度至環(huán)境溫度之間的冷能利用。目前世界上冷能利用技術(shù)較為成熟的主要為日本、韓國(guó)、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，日本作為曾今世界上進(jìn)口LNG 最多的國(guó)家，同時(shí)也是LNG 冷能利用最多的國(guó)家，具有重要的分析和參考價(jià)值。日本LNG 冷能利用主要分成兩類：一類供接收站自身使用，如對(duì)蒸發(fā)氣BOG 進(jìn)行再冷凝和冷能發(fā)電；另一類是與外部工廠或冷卻系統(tǒng)集成使用，如空分、生產(chǎn)液體二氧化碳和冷藏等。其中空分利用的是LNG 深冷部分的冷量，可獲得較高的能量利用效率；冷能發(fā)電是各國(guó)LNG 接收站均采用的技術(shù)，LNG 用量大，但無(wú)需開(kāi)發(fā)外部市場(chǎng)，有利于提高冷能利用率。

1.2 國(guó)內(nèi)LNG 冷能利用現(xiàn)狀

在我國(guó)政策的大力推動(dòng)下，十幾年來(lái)我國(guó)LNG 冷能利用迅速發(fā)展。國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)在2005 年首先提出要研究LNG 接收站的冷能綜合利用問(wèn)題，隨后于《天然氣發(fā)展“十二五”規(guī)劃》中提出“將LNG 接收站冷能利用納入LNG 項(xiàng)目核準(zhǔn)評(píng)估內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和提高能效”，在《天然氣發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中更加明確要求“加大LNG 冷能利用力度”。

隨著節(jié)能減排、推進(jìn)清潔能源等求的推進(jìn)，中海油的福建LNG、上海LNG、浙江LNG、珠海LNG，新奧舟山LNG 和中石油唐山LNG 等接收站都配套了冷能利用項(xiàng)目。

2 LNG 冷能梯級(jí)利用路線方案及對(duì)比分析

開(kāi)展LNG 冷能的梯級(jí)利用有利于提高冷能利用效率。有必要梳理不同的路線方案，從技術(shù)上對(duì)方案的優(yōu)劣進(jìn)行分析。

2.1 冷能品位與梯級(jí)利用分析

LNG 冷能回收主要是回收LNG 中的冷能火用。而冷能火用隨著LNG 中甲烷含量的增加而增加，隨著環(huán)境溫度溫度（與系統(tǒng)的溫差）的增大而增大，數(shù)值上等于LNG 氣化過(guò)程中所吸收熱量的大小[6-7]。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力的理想狀態(tài)下，LNG 升溫至溫度T釋放的冷能約為該溫度下LNG 的焓值與-162℃下LNG 的焓值的差值。即：

△E=HT-H-162℃

△E- 冷能量

HT、H-162℃——標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，溫度T 和溫度-162℃的LNG的焓值。

圖1 LNG 冷能量隨壓力和溫度的變化

LNG 冷能量隨著系統(tǒng)壓力的升高而降低，隨LNG 溫度的升高，LNG 冷能量越少，釋放速度越低，也就是壓力越高、溫度越高，冷能的品位將越低。不同品位的冷能對(duì)應(yīng)不同的最佳利用方式，因此開(kāi)展梯級(jí)利用有利于更多的釋放冷能。

2.2 LNG 冷能梯級(jí)利用路線方案

可以把LNG 氣化的-162～0℃溫度區(qū)間分為三個(gè)利用區(qū)，對(duì)應(yīng)不同品位的冷能。第一級(jí)分別采用空氣分離、冷能發(fā)電和輕烴分離，對(duì)第二級(jí)和第三級(jí)利用技術(shù)進(jìn)行排列組合，可能的LNG 冷能梯級(jí)利用路線方案如表1。把單獨(dú)的冷能空分和冷能發(fā)電分別作為方案13 和14，以便進(jìn)行利用效率對(duì)比。

2.3 不同LNG 冷能梯級(jí)利用路線方案的效率分析

對(duì)以上14 個(gè)冷能利用方案分別進(jìn)行估算的結(jié)果如[8-13]圖2。

14 個(gè)梯級(jí)利用方案之間的冷能利用量差異不大。“方案10：輕烴回收+低溫粉碎+海水淡化”的最大冷能利用量最高，比最大冷能利用量最低的“方案5：冷能發(fā)電+低溫粉碎+冷庫(kù)/冰雪世界”高出約6%。方案5 中第一級(jí)冷能發(fā)電利用的冷能利用量占該方案利用冷能總量約51%，二級(jí)利用低溫粉碎占14%，第三級(jí)冷庫(kù)/冰雪世界占35%。

開(kāi)展冷能利用應(yīng)充分結(jié)合LNG 接收站實(shí)際運(yùn)行情況及周邊配套和市場(chǎng)需求情況，每項(xiàng)冷能利用項(xiàng)目都有對(duì)上游LNG 供應(yīng)和下游市場(chǎng)的個(gè)性化要求，因此不能簡(jiǎn)單的根據(jù)最大冷能利用量就評(píng)定以上14 個(gè)梯級(jí)利用方案的優(yōu)劣。但很明顯的是，梯級(jí)利用方案的最大冷能利用量均大幅高于單個(gè)空分或發(fā)電的冷能利用項(xiàng)目。

3 LNG 冷能利用的建議和展望

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外LNG 冷能利用技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，為了能夠最大程度的提高LNG 冷能利用率，建議采用以下措施：

3.1 冷能利用方案規(guī)劃入LNG 接收站項(xiàng)目設(shè)計(jì)中，協(xié)同設(shè)計(jì)。將冷能利用作為L(zhǎng)NG 接收站設(shè)計(jì)的一部分，建立冷能利用作為常規(guī)工藝流程的概念，通過(guò)針對(duì)不同地理位置條件的LNG接收站，有針對(duì)性的布置冷能利用產(chǎn)業(yè)鏈，考慮下游工業(yè)群的位置距離，最大程度的利用LNG 接收站的冷能。

3.2 規(guī)劃小型LNG 氣化站的冷能利用方案。由于小型LNG氣化站存在管網(wǎng)輸送距離短、氣化壓力低等特點(diǎn)，能夠利用的冷能更加巨大，通過(guò)采用階梯形式結(jié)合小型氣化站利用冷能，將其階梯利用于站內(nèi)冷庫(kù)與空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)小型LNG 氣化站冷能進(jìn)行規(guī)劃并高效利用，滿足站內(nèi)生產(chǎn)與日常生活需求。

3.3 以冷能空分和冷能發(fā)電為主，開(kāi)展冷能的梯級(jí)綜合利用。LNG 冷能利用的最佳方案是按照梯級(jí)利用的原則，形成上下游協(xié)同發(fā)展的產(chǎn)業(yè)集群。LNG 冷能用戶應(yīng)有多個(gè)冷能利用項(xiàng)目組成產(chǎn)業(yè)群，且冷能的梯級(jí)利用應(yīng)能形成一條產(chǎn)業(yè)鏈，與接收站及周邊工業(yè)用戶、氣體用戶協(xié)調(diào)、集聚式發(fā)展，才能提高冷能利用率和利用效率，提升冷能利用項(xiàng)目的盈利能力。

表1 LNG 冷能梯級(jí)利用路線方案

方案序號(hào)images/BZ_170_489_426_507_461.png 第一級(jí)images/BZ_170_958_426_976_461.png 第二級(jí)images/BZ_170_1489_426_1507_461.png 第三級(jí)images/BZ_170_2054_426_2072_461.png1images/BZ_170_428_493_446_528.png 冷庫(kù)/冰雪世界images/BZ_170_2115_493_2133_528.png2images/BZ_170_428_557_446_592.png空氣分離images/BZ_170_978_493_996_528.pngimages/BZ_170_907_535_925_570.png低溫粉碎images/BZ_170_1505_493_1523_528.pngimages/BZ_170_1437_535_1455_570.png海水淡化images/BZ_170_2070_557_2088_592.png3images/BZ_170_428_619_446_654.png 冷庫(kù)/冰雪世界images/BZ_170_2115_619_2133_654.png4images/BZ_170_428_683_446_718.png制取液態(tài)CO?和干冰images/BZ_170_1582_619_1600_654.pngimages/BZ_170_1437_664_1455_699.png海水淡化images/BZ_170_2070_683_2088_718.png5images/BZ_170_428_747_446_782.png 冷庫(kù)/冰雪世界images/BZ_170_2115_747_2133_782.png6images/BZ_170_428_808_446_843.png冷能發(fā)電images/BZ_170_978_747_996_782.png低溫粉碎images/BZ_170_1505_747_1523_782.png海水淡化images/BZ_170_2070_808_2088_843.png7images/BZ_170_428_873_446_908.png 冷庫(kù)/冰雪世界images/BZ_170_2115_873_2133_908.png8images/BZ_170_428_937_446_972.png制取液態(tài)CO?和干冰images/BZ_170_1582_873_1600_908.png海水淡化images/BZ_170_2070_937_2088_972.png9images/BZ_170_428_1001_446_1036.png 冷庫(kù)/冰雪世界images/BZ_170_2115_1001_2133_1036.png10images/BZ_170_438_1066_456_1101.png輕烴回收images/BZ_170_978_1001_996_1036.pngimages/BZ_170_907_1043_925_1078.png低溫粉碎images/BZ_170_1505_1001_1523_1036.png海水淡化images/BZ_170_2070_1066_2088_1101.png11images/BZ_170_438_1127_456_1162.png 冷庫(kù)/冰雪世界images/BZ_170_2115_1127_2133_1162.png12images/BZ_170_438_1191_456_1226.png制取液態(tài)CO?和干冰images/BZ_170_1582_1127_1600_1162.png海水淡化images/BZ_170_2070_1191_2088_1226.png13images/BZ_170_438_1252_456_1287.png 空氣分離images/BZ_170_978_1252_996_1287.png 無(wú)images/BZ_170_1453_1252_1471_1287.png 無(wú)images/BZ_170_2022_1252_2040_1287.png14images/BZ_170_438_1316_456_1351.png 冷能發(fā)電images/BZ_170_978_1316_996_1351.png 無(wú)images/BZ_170_1453_1316_1471_1351.png 無(wú)images/BZ_170_2022_1316_2040_1351.png

圖2 不同冷能利用路線方案的最大冷能火用利用量（kJ/kg）

[7] Rocca V L. Cold recovery during regasification of LNG part one: Cold utilization far from the regasification facility [J].Energy, 2010, 35(5):2049-2058.

[8]孫磊.提高LNG 接收站冷能綜合利用效率分析[D].成都：西南石油大學(xué),2014.

[9]羅惠芳.液化天然氣冷能利用的研究[D].武漢：華中科技大學(xué),2011.

[10]邊海軍.液化天然氣冷能利用技術(shù)研究及其過(guò)程分析[D].廣州：華南理工大學(xué),2011.

[11]李少中.利用LNG 冷能的冷庫(kù)工藝模擬及分析[J].廣東化工,2010,37(7):250-251.

[12]羅璇.LNG 冷能回收梯級(jí)利用研究[D].青島：中國(guó)石油大學(xué)(華東),2016.

[13]孫磊.提高LNG 接收站冷能綜合利用效率分析[D].成都：西南石油大學(xué),2014.