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        LNG冷能利用領(lǐng)域和相關(guān)限制性條件

        2022-01-04 10:03:38深圳市規(guī)劃國土發(fā)展研究中心
        上海煤氣 2021年5期
        關(guān)鍵詞:冷媒接收站液態(tài)

        深圳市規(guī)劃國土發(fā)展研究中心 張 濤

        液化天然氣(LNG)的氣化過程伴隨大量冷能的釋放,按理論計算每噸 LNG經(jīng)換熱氣化產(chǎn)生的可利用冷量約為250 kW·h。如果不能有效利用,不僅造成大量能源浪費,而且還會造成環(huán)境污染。

        眾所周知,中國 LNG凈進(jìn)口量已位居世界第一,我們在引進(jìn)LNG的同時,也應(yīng)將LNG冷能利用技術(shù)順帶引進(jìn)。面對如此巨大的清潔能量,必須在“雙碳”目標(biāo)的指引下,好好地研究如何高效利用LNG冷能。

        1 LNG冷能利用領(lǐng)域

        1.1 冷凍倉庫

        在我國,LNG接收站一般建設(shè)在海邊港口附近,一是為了方便船運,二是為了利用海水的淺層地?zé)徇M(jìn)行熱交換,將液態(tài)的天然氣轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的天然氣。與此同時,大型冷庫為了方便魚類的儲藏、冷凍加工和運輸,通常也建設(shè)在港口周邊。因此,回收 LNG冷能供應(yīng)給冷庫,是一種便捷和互利互贏的冷能利用方式,不僅可以省掉冷庫制冷機(jī)的安裝費用,而且可以獲得 LNG氣化所需要的能量,大大節(jié)省初始投資和運行費用。

        為高效和梯級利用 LNG冷能,由低到高將不同溫度的 LNG作為相應(yīng)熱交換的冷媒,依次送入低溫凍結(jié)庫(-60℃)、低溫冷凍庫(-35℃)、冷藏庫(0℃以下)和果蔬預(yù)冷庫(0~10℃)等。

        LNG冷能回收進(jìn)行冷凍、冷藏的流程示意如圖1所示。

        圖1 LNG冷能回收進(jìn)行冷凍、冷藏流程示意

        1.2 汽車空調(diào)和冷藏柜

        隨著 LNG汽車的不斷發(fā)展和市場規(guī)模逐步擴(kuò)大,LNG不僅可以用作汽車的清潔燃料,也可以將其冷能應(yīng)用于車輛上的空調(diào)和冷藏柜中,以此替代LNG汽車單獨配置的機(jī)械式制冷機(jī)組系統(tǒng)。此舉在節(jié)省成本的同時也消除了機(jī)械制冷帶來的環(huán)境污染,具有節(jié)能和環(huán)保的雙重價值。

        1.3 制取液態(tài)CO2

        液態(tài)CO2在焊接、鑄造和飲料行業(yè)的應(yīng)用非常廣泛。利用LNG冷能制造液態(tài)CO2或干冰,不但電耗小,而且生產(chǎn)的產(chǎn)品純度更高,質(zhì)量更好。與傳統(tǒng)的液態(tài) CO2制造方法相比,利用回收的 LNG冷能制造液態(tài)CO2或干冰,可節(jié)約50%以上的電能消耗和約10%的建設(shè)費用。

        1.4 LNG冷能發(fā)電

        目前國際上應(yīng)用較為廣泛的 LNG冷能發(fā)電是利用氮氣閉式循環(huán)氣體透平發(fā)電。該工藝遵循布雷敦循環(huán)理論,技術(shù)相對成熟,具有較好的市場前景。

        如圖2所示,利用氮氣閉式循環(huán)氣體透平發(fā)電系統(tǒng)由發(fā)電機(jī)、壓縮機(jī)、氮氣透平、加熱器、換熱器和蒸發(fā)器等設(shè)備組成。LNG冷能發(fā)電工藝主要使用LNG冷能冷卻壓縮機(jī)進(jìn)口的氣體,降低其溫度,以此達(dá)到壓縮機(jī)在相同增壓比的情況下功耗更低的目的,提升發(fā)電系統(tǒng)的整體效率。

        圖2 氮氣閉式循環(huán)氣體透平發(fā)電系統(tǒng)示意

        1.5 LNG冷能用于空分工藝

        LNG冷能運用于兩級壓縮式制冷機(jī)冷卻空氣生產(chǎn)液氮、液氧,可以實現(xiàn)空分系統(tǒng)的小型化、集成化和模塊化,降低電能消耗約50%,降低水量消耗約70%,在大幅度降低液氮、液氧生產(chǎn)成本的同時,提升經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益。

        低成本制造的液氮可以將 LNG冷能的使用領(lǐng)域延伸至更低的溫度(-196℃左右),如用于真空冷阱、生產(chǎn)半導(dǎo)體器件、食品速凍、低溫破碎、金屬熱處理以及生產(chǎn)高純度臭氧運用于污水處理等方面。尤其在低溫破碎領(lǐng)域,通過 LNG冷能進(jìn)一步的精細(xì)利用,可以使用不同的低溫有針對性地破碎不同成分的復(fù)雜混合物,進(jìn)而達(dá)到更加理想的破碎效果。因此,LNG冷能在資源回收、物質(zhì)分離、精細(xì)破碎等方面有著極好的應(yīng)用前景和廣泛市場。

        2 LNG冷能經(jīng)濟(jì)分析

        如果按照1個大氣壓、常溫的氣態(tài)工況下1 t LNG釋放約900 MJ的能量計算,在經(jīng)過低溫?fù)Q熱重新氣化后,1 t LNG可利用的冷能折合電量約為250 kW·h。

        根據(jù)初步推算,1座300萬t/a的LNG接收站,每年可利用的冷能約為 7.5億 kW·h,相當(dāng)于 15萬kW裝機(jī)的年發(fā)電量。2020年我國進(jìn)口LNG達(dá)到了 6 250萬 t,1年可以利用的冷能約為 156億kW·h,相當(dāng)于312萬kW裝機(jī)的年發(fā)電量。

        以上分析是理論計算,在實際的 LNG冷能利用過程中,不可避免地會產(chǎn)生工藝上的損耗和運輸?shù)哪芰繐p失。即使考慮這部分自耗能量,可有效利用的LNG冷能總量還是非??捎^的。

        3 LNG冷能利用限制性條件

        3.1 低溫設(shè)定值的確定較為復(fù)雜

        LNG的低溫值和產(chǎn)生LNG低溫所需要的付出成本之間存在一定的曲線邏輯關(guān)系,而非正比例關(guān)系。LNG的溫度值越低,LNG生產(chǎn)廠就必須耗用更多的電能制造LNG,整體的效率將會逐漸降低,成本則將會逐步增高;反之亦然。因此,LNG生產(chǎn)廠、LNG運輸企業(yè)、LNG運營企業(yè)和LNG冷能利用企業(yè)之間應(yīng)達(dá)成技術(shù)共識,設(shè)定合理且實用的低溫值,以此提升 LNG冷能生產(chǎn)、運輸和使用的全生命周期效率。

        3.2 供需平衡較難

        在我國,由于 LNG主要應(yīng)用于天然氣電廠和城鎮(zhèn)燃?xì)庥脩?,致使白天和晚上的用氣峰谷值較大,導(dǎo)致 LNG的供應(yīng)和冷能的釋放不可避免地呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的曲線狀態(tài)或?qū)α顟B(tài),因此必須通過多種技術(shù)手段優(yōu)化天然氣輸配系統(tǒng),積極緩解供需之間的矛盾。

        在天然氣輸配系統(tǒng)中建設(shè)足夠規(guī)模的儲氣設(shè)施,利用高效的智慧化調(diào)度手段預(yù)判 LNG負(fù)荷的變化,自動調(diào)節(jié)輸配系統(tǒng)的 LNG供應(yīng),以此達(dá)到LNG冷能平穩(wěn)輸出的目的,保障城市天然氣輸配系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

        3.3 安全性要求高

        LNG本身具有易燃易爆等特性,在工藝?yán)眠^程中,需要盡可能避免 LNG與其他設(shè)備直接進(jìn)行熱交換。由此,通常選擇某些安全性和換熱性較好的液體作為中間冷媒進(jìn)行熱傳導(dǎo)。這就導(dǎo)致了冷卻系統(tǒng)工藝的繁雜,同時也增加了LNG的泄漏風(fēng)險、運營管理難度和投資運行成本。

        3.4 區(qū)域位置選址困難

        液體中間冷媒是通過管道的形式進(jìn)行冷能的傳送,為保障輸送的安全和降低冷耗損失,冷媒管道采用高標(biāo)準(zhǔn)和高質(zhì)量的管材,所以,冷媒管道的投資成本較高,路由選線較難。為了化解上述問題,我們在冷媒管道的路由選線過程中,應(yīng)盡可能地考慮縮短冷媒管道的長度,要求 LNG接收站盡量鄰近冷凍倉庫、低溫破碎工廠、液態(tài)CO2制造工廠、LNG冷能發(fā)電廠和LNG冷能空分廠。然而,LNG接收站和上述利用冷能的工廠均有自身的物流、交通和工藝的不同需求,導(dǎo)致了冷能的供需雙方在場站選址方面的訴求存在一定的沖突。

        因此,LNG接收站和利用冷能的工廠在規(guī)劃選址階段,需要相關(guān)專業(yè)人員前期介入城市規(guī)劃的方案編制之中,予以先期的溝通交流,并開展實質(zhì)性的規(guī)劃布局,找尋到各自相對合理的區(qū)域位置。

        4 結(jié)語

        從技術(shù)的角度分析,LNG冷能可以應(yīng)用于冷凍倉庫、汽車?yán)洳?、汽車空調(diào)、低溫破碎、干冰制造、冷能發(fā)電和空氣分離等多個領(lǐng)域。雖然存在某些限制性因素和制約條件,但是 LNG冷能利用的低碳性、清潔性、高效性和經(jīng)濟(jì)性使其受到諸多行業(yè)的關(guān)注和青睞。在我國確定碳達(dá)峰和碳中和目標(biāo)的大背景下,我們相信屬于低碳范疇的LNG冷能利用,必將借助自身的優(yōu)勢和廣泛的市場需求在我國呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的態(tài)勢。

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