大型LNG氣化站氣化工藝及冷能利用的探討中海石油福建新能源有限公司福建廈門 361008中圖分類號: P744.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A文章編號:摘要:天然氣是一-種燃燒熱值高、潔凈、污染小的重要能源資源，深受各國的關(guān)注和歡迎。為了解決長距離運(yùn)輸問題，原產(chǎn)地的業(yè)主均要花費(fèi)大量的投資和能耗，把天然氣液化為LNG再進(jìn)行運(yùn)輸，所以我們在引進(jìn)LNG時，不僅引進(jìn)了清潔、高熱值的天然氣，同時也引進(jìn)了潛在于其中來之不易的冷能。通常LNG需要重新氣化成氣態(tài)的天然氣才能獲得利用，國內(nèi)LNG氣化站普遍采用空溫式氣化器對LNG進(jìn)行氣化，其好處是不用耗能可以完成LNG的氣化過程，但因空溫式氣化器占地面積大、投資金額大、生產(chǎn)過程霧氣彌漫等問題而限制LNG氣化站的規(guī)模，同時LNG冷能隨著空溫式氣化器的熱交換而被舍棄在大氣中，造成能源的浪費(fèi)。本文介紹了大型LNG氣化站氣化工藝選擇的優(yōu)劣,闡述各種不同氣化工藝對氣化站建設(shè)以及冷能利用的影響，重點(diǎn)探討冷能在冷凍水、制冰及空氣液化分離等方面的利用的分析對比，得出冷能利用方案的優(yōu)劣性，有利于LNG氣化站項(xiàng)目合理研究選擇氣化工藝并充分進(jìn)行冷能的利用。關(guān)鍵詞: LNG氣化站氣化器冷能利用一、氣化工藝選擇以及對氣化站建設(shè)的影響氣化器熱源有自然熱源(空氣、海水)與人工熱源(熱水、蒸汽、電、冷凍水、冷媒)。利用自然熱源的氣化器體積較大，投資較大，運(yùn)行成本接近為零;利用人工熱源的氣化器體積較小，投資較小，運(yùn)行成本偏高。空溫式氣化器的連續(xù)工作時間一般為6~8小時，如若超過8小時，則出氣溫度會降低，長時間使用，會導(dǎo)致氣化器結(jié)霜嚴(yán)重氣化效率降低，出口溫度達(dá)不到要求，需要另外備用一套切換使用，讓工作后氣化器進(jìn)行自然化霜。在夏季，熱交換充分，運(yùn)行情況良好;在冬季或雨季，由于環(huán)境溫度或濕度的影響，氣化器氣化效果大大降低，影響氣化量和出站氣溫度，同時氣化過程造成霧氣彌漫的情況，影響安全操作。1/7空溫式氣化器由于體積過大或因冬季熱交換管結(jié)冰不能運(yùn)行，只適用于氣化量較小，氣溫比較高的地方。例如氣化能力在50萬方天以上的大型氣化站，若采用空溫式氣化器作為LNG氣化設(shè)備，其氣化站用地將達(dá)到30畝以上。而如果采用人工熱源氣化器，氣化站占地面積可以縮小到15畝以內(nèi)。在氣化站設(shè)計(jì)中，若采用空溫式氣化器為主、水浴式加熱器為輔，互為備用，這樣的設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn): 1、節(jié)省約四分之- -空溫式氣化器投資成本: 2、節(jié)省- - 半空溫式氣化器的占地面積; 3、 在外界溫度條件許可情況下，投用空溫式氣化器，運(yùn)行成本接近為零;在有免費(fèi)熱源的情況下，投用水浴式氣化器，運(yùn)行成本相對較低，而且氣化能力明顯增加,同時可以解決冬季或陰雨天氣情況下空溫式氣化器嚴(yán)重結(jié)霜以及周邊霧氣彌漫而影響安全生產(chǎn)的問題。采用自然熱源的空溫式氣化器或海水水浴式氣化器，LNG冷能隨著氣化器的熱交換而被舍棄在大氣或海水中，造成能源的浪費(fèi)。采用人工熱源的氣化器，在用熱水、蒸汽和電等作為熱交換源時，氣化站運(yùn)行成本較高;而在用冷凍水、冷媒進(jìn)行熱交換時，很大程度能夠?qū)NG潛在的冷能利用起來，而且該部分冷能的利用價值相當(dāng)可觀。因此冷能利用在大型LNG氣化站中的利用，值得進(jìn)一步研究和推廣實(shí)施。二、LNG冷能回收的意義和途徑LNG是由低污染天然氣經(jīng)過脫酸、脫水處理,通過低溫工藝?yán)鋬鲆夯傻牡蜏?一162"C)的液體混和物，其密度大大地增加(約600倍),有利于長距離運(yùn)輸。每生產(chǎn)--噸LNG的動力及公用設(shè)施耗電量約為850kW.h，而在LNG氣化站，一般又需將LNG通過氣化器氣化后使用，氣化時放出很大的冷量，其值大約為830kJlkg(包括液態(tài)天然氣的氣化潛熱和氣態(tài)天然氣從儲存溫度復(fù)溫到環(huán)境溫度的顯熱)。這種冷能從能源品位來看，具有較高的利用價值，而其通常在天然氣氣化器中隨空氣或海水被舍棄了，造成了能源的浪費(fèi)。為此,通過特定的工藝技術(shù)利用LNG冷能，可以達(dá)到節(jié)省能源、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。2.1節(jié)省能源、提高經(jīng)濟(jì)效益LNG的液化費(fèi)用約占LNG總成本的30%，這30%的費(fèi)用通過冷源的方式蓄積在LNG中。通常LNG需要重新汽化成氣態(tài)的天然氣才能獲得利用，而當(dāng)LNG在1atm(1atm=0.101 325 MPa)壓力下氣化時，釋放出常溫氣體的冷量約220 kWh/T。在實(shí)際氣化操作中，根據(jù)氣化壓力的不同，LNG冷量有所不同 。2/7下圖為能級系數(shù)e和冷能Q坐標(biāo)上的LNG氣化曲線(曲線與橫軸之間的面積就相當(dāng)于氣化過程中所釋放的冷量) 。1. 620.1 MPa+ 1.0 MPai 1.2-一100MPa愛0.8煎0.40.0050100150200250冷能(kWh/t)據(jù)測算-一個10X 104Nm3/d規(guī)模的LNG氣化站，可利用冷功率近1 MW,每年折合電能約為數(shù)百萬度，可節(jié)省近千萬度的制冷電能。由此可見，LNG冷能從能源品位來看，具有較高的利用價值。目前，這種冷源大部分在天然氣汽化器中隨空氣或海水被舍棄了,造成了能源的浪費(fèi)。能將這些冷能回收并利用于需要冷源的地方，不僅能夠節(jié)約再次氣化所需費(fèi)用，對節(jié)能也會產(chǎn)生良好的影響，達(dá)到節(jié)省能源、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。2.2安全效益本項(xiàng)目用氣量較大，不可避免將造成站區(qū)內(nèi)設(shè)備結(jié)霜嚴(yán)重，生產(chǎn)環(huán)境處于低溫狀態(tài)，出現(xiàn)凍霧彌漫的情況，這將對生產(chǎn)運(yùn)營帶來較大不便，同時也會影響LNG氣化站區(qū)周邊企業(yè)、公共設(shè)施環(huán)境，存在安全隱患，為消除此類狀況，迫切需要對該項(xiàng)目啟用冷能利用方案。2.3社會效益我國采用的能源標(biāo)準(zhǔn)為標(biāo)準(zhǔn)煤，每節(jié)約1度電相應(yīng)的節(jié)約0.4kg標(biāo)準(zhǔn)煤，減少0.997kgCO2排放量。如項(xiàng)目規(guī)模(100X 104 Nm3/d)的LNG氣化站，當(dāng)滿負(fù)荷冷能利用(冷凍水利用)時，每年的節(jié)電效益約為1273.72萬kWh,相當(dāng)于每年節(jié)約5094.88噸標(biāo)準(zhǔn)煤，減少12699噸CO2排放量。另外，冷能利用還可帶動相關(guān)冷鏈產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如發(fā)電裝備、空氣分離、輕烴回收、低溫粉碎、海水淡化、冷凍、干冰等。因此，LNG冷能利用是節(jié)能減排的一大新型亮點(diǎn)工程，符合國家政策需要，也切合公司可持續(xù)發(fā)展理念，是利國利民的綠色工程。3/7LNG直接利用有冷能發(fā)電，液化分離空氣(液氧、液氮)，冷凍倉庫，制造液化CO2、干冰，空調(diào)，BOG再液化，低溫養(yǎng)殖、栽培等;間接利用有冷凍食品，用空分后的液氮、液氧、液氬來低溫破碎，低溫干燥，水和污染物處理，低溫醫(yī)療，食品保存等。冷能的利用不僅要看其能量的回收大小，更為重要的是品位的利用。在經(jīng)濟(jì)合理安全可靠的情況下，要符合溫度對口、梯級利用的總能系統(tǒng)原則。三、冷能利用的方案的選擇假設(shè)氣化站LNG氣化量為100X 104Nm3/d,即793.1T/d。據(jù)測算，每噸LNG氣化過程釋放出的冷量約220kWh/T,則可不考慮冷能利用率，可利用的冷量約為6.3X105MJ/d(折合電能約為17 .45X 104Kwh/d)。根據(jù)目前國內(nèi)實(shí)際情況，冷能利用多用于冷凍水、制冰及空氣液化分離，下面對三個方案的市場需求、項(xiàng)目用地及投資估算、經(jīng)濟(jì)效益等進(jìn)行對比。3.1市場需求1)冷凍水市場分析冷凍水需求范圍受限于周邊必須有空調(diào)或冷卻系統(tǒng)。大型LNG氣化站--般都有規(guī)模較大的工業(yè)企業(yè)用戶，該類企業(yè)廠區(qū)有冷凍水循環(huán)系統(tǒng)。冷凍水循環(huán)系統(tǒng)由冷凍機(jī)、冷凍水供水環(huán)網(wǎng)等組成，主要用于機(jī)柜間、配電間、辦公樓的空調(diào)系統(tǒng)及生產(chǎn)裝置工藝用。一般情況該類企業(yè)自備冷凍機(jī)組，冷凍機(jī)出口供水溫度大致在7"C左右，冷凍機(jī)回水溫度增溫5"C，即為12"C。因此LNG氣化站可以通過熱交換設(shè)備，為周邊企業(yè)提供冷凍水，節(jié)省冷凍機(jī)組運(yùn)行費(fèi)用，從而達(dá)到冷能利用的目的。2)制冰市 場分析制冰市場多用于南方，尤其海產(chǎn)豐富的沿海地帶對冰塊的需求量相當(dāng)大。對于漁業(yè),漁船出海捕魚時每船需攜帶數(shù)十噸冰出海捕魚，魚產(chǎn)品運(yùn)輸銷售途中也需要冰;對于肉食加工行業(yè)，同樣對冰有很大的需求。因此可在LNG氣化站旁邊建立制冰廠，通過冷媒與LNG.熱交換，一方面為LNG氣化帶來熱源，另-方面也為制冰廠帶來冷能用于制冰，從而達(dá)到冷能利用的目的。3)空氣液化分 離市場分析.4/7由于空分裝置中所需達(dá)到的溫度比LNG溫度還低，因此，LNG的冷量中的有效能可以得到最大程度的利用，是從熱力學(xué)角度最為合理的利用方式，LNG冷能用于液化空氣制液氧、液氮、液氬等，在LNG冷能利用系統(tǒng)中被認(rèn)為是最有效的利用方式。這是因?yàn)樗墓?jié)能率高，也很少受到地點(diǎn)條件的限制，且LNG巨大的冷能產(chǎn)出的液體氮量和液體氧量都很大。而液體氮、液體氧被廣泛應(yīng)用于工業(yè)中，因此也具有很好的需求市場。3.2項(xiàng)目用地及投資1)冷凍水冷凍水換熱設(shè)備可采用冷媒換熱的橇裝化設(shè)備或冷水式水浴式氣化器。以冷水式水浴式氣化器為例，該設(shè)備及工藝管道占地面積約400m2;投資約200萬元。2)制冰換熱等設(shè)備集成為整體橇裝化設(shè)備。本項(xiàng)目規(guī)模下，占地需劃分為兩部分，換熱設(shè)備在站內(nèi)氣化區(qū)，占地約500m2;制冰系統(tǒng)須建設(shè)在站外，占地約2500m2;投資約1200萬元。3)空氣液化分離空氣液化分離裝置由四個主工藝系統(tǒng)和三個輔助系統(tǒng)組成。主工藝系統(tǒng)可分為:空氣過濾和壓縮系統(tǒng)、空氣冷卻和純化系統(tǒng)、精餾系統(tǒng)和LNG冷能利用系統(tǒng);輔助系統(tǒng)可分為:儀控系統(tǒng)、電控系統(tǒng)和液體貯存運(yùn)輸系統(tǒng)。在同樣規(guī)模下，空氣液化分離裝置及工藝管道占地約1萬平方米，因此LNG氣化站附近可利用土地面積及交通情況，是制約空分項(xiàng)目開展的重要因素;投資約20000萬元，比冷凍水、制冰高。3.3經(jīng)濟(jì)效益1)冷凍水 .若根據(jù)制冷效率COP估算，對于冷凍水設(shè)備,其制冷的COP為5左右，若按電價0.595元/度計(jì)算，每噸LNG可節(jié)電26.18元。則按項(xiàng)目規(guī)模滿負(fù)荷冷能利用時，每年的節(jié)電效益約為1256.3萬kWh,經(jīng)濟(jì)效益約為757.86萬元。若根據(jù)制冷效率COP估算，對于制冰設(shè)備，其制冷的COP為2左右，若按電價0.595元/度計(jì)算，每噸LNG可節(jié)電65.45元。則按項(xiàng)目規(guī)模滿負(fù)荷冷能利用時，每年的節(jié)電效益約為3184.3萬kWh，經(jīng)濟(jì)效益約為1894.66萬元。3) 空氣液化分離5/7根據(jù)LNG用于空氣液化分離經(jīng)驗(yàn)估計(jì)，按項(xiàng)目規(guī)模滿負(fù)荷冷能利用的情況下，每天可生產(chǎn)約200噸液體空分產(chǎn)品，年產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益約為6000萬元。3.4方案比選表3.1項(xiàng)目冷能利用方案對比表序號內(nèi)容冷凍水制冰空氣液化分離市場需求企業(yè)需求作支持有潛在市場市場應(yīng)用廣泛2項(xiàng)目用地小大3投資低一般高好，但投資高，項(xiàng)目回4經(jīng)濟(jì)效益較差收期長項(xiàng)目建設(shè)周期知一較長6運(yùn)營穩(wěn)定性高(長期需求)低(市場決定)7設(shè)備適應(yīng)性8空溫氣化器備冷凍水達(dá)到規(guī)模后， F需要備用用不考慮備用投資低、用地省、相比需要確定銷售市場、必「需 要確定銷售市場、必9方案可行性.傳統(tǒng)的氣化增加了LNG|須滿 足場地及制冰的物須滿足場地及氣體的物二次價值，容易實(shí)現(xiàn)流儲運(yùn)要求10結(jié)論方案各有利弊，根據(jù)具體情況選擇。四、結(jié)論根據(jù)LNG氣化站供氣對象的不同，其冷能供應(yīng)量也會有所變化。當(dāng)用于城市燃?xì)夂桶l(fā)電廠時，其晝夜的燃?xì)庀到y(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)荷變化很大，導(dǎo)致LNG的使用量也隨之變化,所以為了充分利用LNG冷能,必須使用容易調(diào)節(jié)的系統(tǒng),能根據(jù)燃?xì)庀到y(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)負(fù)荷的變化相應(yīng)調(diào)節(jié)LNG供應(yīng)負(fù)荷的變化。當(dāng)用于石化行業(yè)或玻璃生產(chǎn)企業(yè)時，由于行業(yè)的特性，其對燃料的需求大，且使用量相對穩(wěn)定，因此對冷能利用有較好的適應(yīng)性。在氣化量大于50萬方/天的大型LNG氣化站，需要選擇合適的冷能利用方案，以節(jié)約用地成本，消除運(yùn)行煙霧繚繞的安全風(fēng)險，充分進(jìn)行冷能回收利用。因此,將上述各種因素相互交叉集成考慮以達(dá)到因地制宜、加大氣化量、充分利用LN G冷能的目的是大型氣化站建設(shè)研究發(fā)展的方向。同時也可以考慮將這些利用LNG冷能的裝置建成聯(lián)合企業(yè)的冷能利用系統(tǒng),并將其與LN G氣化站一體化建設(shè)，達(dá)到LNG綜合利用的最優(yōu)效果。附:參考文獻(xiàn)[1]熊永強(qiáng)，李亞軍，華貴.液化天然氣冷量利用與輕烴分離集成優(yōu)化.現(xiàn)代化工，2006， 26(3)6/7[2]李靜等. LNG冷能利用現(xiàn)狀及發(fā)展前景.天然氣工業(yè)，2005 ; 25 (5) :103 ~105[3]周延鶴LNG冷能利用技術(shù)探討，上海煤氣， 2009 (1) :37~39作者簡介:王錦松(1978. 11)男、 民族:漢族，籍貫:廣東省汕頭市、2002年畢業(yè)于華南理工大學(xué)海岸與海洋工程專業(yè)，現(xiàn)供職單位中海石油福建新能源有限公司中級職稱、工學(xué)學(xué)士學(xué)位、研究方向:石油天然氣7/7