大型LNG氣化站氣化工藝及冷能利用的探討

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(mén) 361008中圖分類(lèi)號: P744.4文獻標識碼: 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(cháng)距離運輸問(wèn)題，原產(chǎn)地的業(yè)主均要花費大量的投資和能耗，把天然氣液化為L(cháng)NG再進(jìn)行運輸，所以我們在引進(jìn)LNG時(shí)，不僅引進(jìn)了清潔、高熱值的天然氣，同時(shí)也引進(jìn)了潛在于其中來(lái)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(guò)程，但因空溫式氣化器占地面積大、投資金額大、生產(chǎn)過(guò)程霧氣彌漫等問(wèn)題而限制LNG氣化站的規模，同時(shí)LNG冷能隨著(zhù)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。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，運行成本偏高?？諟厥綒饣鞯倪B續工作時(shí)間一般為6~8小時(shí)，如若超過(guò)8小時(shí)，則出氣溫度會(huì )降低，長(cháng)時(shí)間使用，會(huì )導致氣化器結霜嚴重氣化效率降低，出口溫度達不到要求，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(shí)氣化過(guò)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(guò)大或因冬季熱交換管結冰不能運行，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(wàn)方天以上的大型氣化站，若采用空溫式氣化器作為L(cháng)NG氣化設備，其氣化站用地將達到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?xún)?。在氣化站設計中，若采用空溫式氣化器為主、水浴式加熱器為輔，互為備用，這樣的設計有以下優(yōu)點(diǎn): 1、節省約四分之- -空溫式氣化器投資成本: 2、節省- - 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，運行成本接近為零;在有免費熱源的情況下，投用水浴式氣化器，運行成本相對較低，而且氣化能力明顯增加,同時(shí)可以解決冬季或陰雨天氣情況下空溫式氣化器嚴重結霜以及周邊霧氣彌漫而影響安全生產(chǎn)的問(wèn)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(zhù)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。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(shí)，氣化站運行成本較高;而在用冷凍水、冷媒進(jìn)行熱交換時(shí)，很大程度能夠將LNG潛在的冷能利用起來(lái)，而且該部分冷能的利用價(jià)值相當可觀(guān)。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(guò)脫酸、脫水處理,通過(guò)低溫工藝冷凍液化而成的低溫(一162"C)的液體混和物，其密度大大地增加(約600倍),有利于長(cháng)距離運輸。每生產(chǎn)--噸LNG的動(dòng)力及公用設施耗電量約為850kW.h，而在LNG氣化站，一般又需將LNG通過(guò)氣化器氣化后使用，氣化時(shí)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溫到環(huán)境溫度的顯熱)。這種冷能從能源品位來(lái)看，具有較高的利用價(jià)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。為此,通過(guò)特定的工藝技術(shù)利用LNG冷能，可以達到節省能源、提高經(jīng)濟效益的目的。2.1節省能源、提高經(jīng)濟效益LNG的液化費用約占LNG總成本的30%，這30%的費用通過(guò)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LNG在1atm(1atm=0.101 325 MPa)壓力下氣化時(shí)，釋放出常溫氣體的冷量約220 kWh/T。在實(shí)際氣化操作中，根據氣化壓力的不同，LNG冷量有所不同 。2/7下圖為能級系數e和冷能Q坐標上的LNG氣化曲線(xiàn)(曲線(xiàn)與橫軸之間的面積就相當于氣化過(guò)程中所釋放的冷量) 。1. 620.1 MPa+ 1.0 MPai 1.2-一100MPa愛(ài)0.8煎0.40.0050100150200250冷能(kWh/t)據測算-一個(gè)10X 104Nm3/d規模的LNG氣化站，可利用冷功率近1 MW,每年折合電能約為數百萬(wàn)度，可節省近千萬(wàn)度的制冷電能。由此可見(jiàn)，LNG冷能從能源品位來(lái)看，具有較高的利用價(jià)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。能將這些冷能回收并利用于需要冷源的地方，不僅能夠節約再次氣化所需費用，對節能也會(huì )產(chǎn)生良好的影響，達到節省能源、提高經(jīng)濟效益的目的。2.2安全效益本項目用氣量較大，不可避免將造成站區內設備結霜嚴重，生產(chǎn)環(huán)境處于低溫狀態(tài)，出現凍霧彌漫的情況，這將對生產(chǎn)運營(yíng)帶來(lái)較大不便，同時(shí)也會(huì )影響LNG氣化站區周邊企業(yè)、公共設施環(huán)境，存在安全隱患，為消除此類(lèi)狀況，迫切需要對該項目啟用冷能利用方案。2.3社會(huì )效益我國采用的能源標準為標準煤，每節約1度電相應的節約0.4kg標準煤，減少0.997kgCO2排放量。如項目規模(100X 104 Nm3/d)的LNG氣化站，當滿(mǎn)負荷冷能利用(冷凍水利用)時(shí)，每年的節電效益約為1273.72萬(wàn)kWh,相當于每年節約5094.88噸標準煤，減少12699噸CO2排放量。另外，冷能利用還可帶動(dòng)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，BOG再液化，低溫養殖、栽培等;間接利用有冷凍食品，用空分后的液氮、液氧、液氬來(lái)低溫破碎，低溫干燥，水和污染物處理，低溫醫療，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原則。三、冷能利用的方案的選擇假設氣化站LNG氣化量為100X 104Nm3/d,即793.1T/d。據測算，每噸LNG氣化過(guò)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)。根據目前國內實(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(gè)方案的市場(chǎng)需求、項目用地及投資估算、經(jīng)濟效益等進(jìn)行對比。3.1市場(chǎng)需求1)冷凍水市場(chǎng)分析冷凍水需求范圍受限于周邊必須有空調或冷卻系統。大型LNG氣化站--般都有規模較大的工業(yè)企業(yè)用戶(hù)，該類(lèi)企業(yè)廠(chǎng)區有冷凍水循環(huán)系統。冷凍水循環(huán)系統由冷凍機、冷凍水供水環(huán)網(wǎng)等組成，主要用于機柜間、配電間、辦公樓的空調系統及生產(chǎn)裝置工藝用。一般情況該類(lèi)企業(yè)自備冷凍機組，冷凍機出口供水溫度大致在7"C左右，冷凍機回水溫度增溫5"C，即為12"C。因此LNG氣化站可以通過(guò)熱交換設備，為周邊企業(yè)提供冷凍水，節省冷凍機組運行費用，從而達到冷能利用的目的。2)制冰市 場(chǎng)分析制冰市場(chǎng)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大。對于漁業(yè),漁船出海捕魚(yú)時(shí)每船需攜帶數十噸冰出海捕魚(yú)，魚(yú)產(chǎn)品運輸銷(xiāo)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(chǎng)，通過(guò)冷媒與LNG.熱交換，一方面為L(cháng)NG氣化帶來(lái)熱源，另-方面也為制冰廠(chǎng)帶來(lái)冷能用于制冰，從而達到冷能利用的目的。3)空氣液化分 離市場(chǎng)分析.4/7由于空分裝置中所需達到的溫度比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冷能利用系統中被認為是最有效的利用方式。這是因為它的節能率高，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、液體氧被廣泛應用于工業(yè)中，因此也具有很好的需求市場(chǎng)。3.2項目用地及投資1)冷凍水冷凍水換熱設備可采用冷媒換熱的橇裝化設備或冷水式水浴式氣化器。以冷水式水浴式氣化器為例，該設備及工藝管道占地面積約400m2;投資約200萬(wàn)元。2)制冰換熱等設備集成為整體橇裝化設備。本項目規模下，占地需劃分為兩部分，換熱設備在站內氣化區，占地約500m2;制冰系統須建設在站外，占地約2500m2;投資約1200萬(wàn)元。3)空氣液化分離空氣液化分離裝置由四個(gè)主工藝系統和三個(gè)輔助系統組成。主工藝系統可分為:空氣過(guò)濾和壓縮系統、空氣冷卻和純化系統、精餾系統和LNG冷能利用系統;輔助系統可分為:儀控系統、電控系統和液體貯存運輸系統。在同樣規模下，空氣液化分離裝置及工藝管道占地約1萬(wàn)平方米，因此LNG氣化站附近可利用土地面積及交通情況，是制約空分項目開(kāi)展的重要因素;投資約20000萬(wàn)元，比冷凍水、制冰高。3.3經(jīng)濟效益1)冷凍水 .若根據制冷效率COP估算，對于冷凍水設備,其制冷的COP為5左右，若按電價(jià)0.595元/度計算，每噸LNG可節電26.18元。則按項目規模滿(mǎn)負荷冷能利用時(shí)，每年的節電效益約為1256.3萬(wàn)kWh,經(jīng)濟效益約為757.86萬(wàn)元。若根據制冷效率COP估算，對于制冰設備，其制冷的COP為2左右，若按電價(jià)0.595元/度計算，每噸LNG可節電65.45元。則按項目規模滿(mǎn)負荷冷能利用時(shí)，每年的節電效益約為3184.3萬(wàn)kWh，經(jīng)濟效益約為1894.66萬(wàn)元。3) 空氣液化分離5/7根據LNG用于空氣液化分離經(jīng)驗估計，按項目規模滿(mǎn)負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)濟效益約為6000萬(wàn)元。3.4方案比選表3.1項目冷能利用方案對比表序號內容冷凍水制冰空氣液化分離市場(chǎng)需求企業(yè)需求作支持有潛在市場(chǎng)市場(chǎng)應用廣泛2項目用地小大3投資低一般高好，但投資高，項目回4經(jīng)濟效益較差收期長(cháng)項目建設周期知一較長(cháng)6運營(yíng)穩定性高(長(cháng)期需求)低(市場(chǎng)決定)7設備適應性8空溫氣化器備冷凍水達到規模后， F需要備用用不考慮備用投資低、用地省、相比需要確定銷(xiāo)售市場(chǎng)、必「需 要確定銷(xiāo)售市場(chǎng)、必9方案可行性.傳統的氣化增加了LNG|須滿(mǎn) 足場(chǎng)地及制冰的物須滿(mǎn)足場(chǎng)地及氣體的物二次價(jià)值，容易實(shí)現流儲運要求10結論方案各有利弊，根據具體情況選擇。四、結論根據LNG氣化站供氣對象的不同，其冷能供應量也會(huì )有所變化。當用于城市燃氣和發(fā)電廠(chǎng)時(shí)，其晝夜的燃氣系統和發(fā)電系統的負荷變化很大，導致LNG的使用量也隨之變化,所以為了充分利用LNG冷能,必須使用容易調節的系統,能根據燃氣系統和發(fā)電系統負荷的變化相應調節LNG供應負荷的變化。當用于石化行業(yè)或玻璃生產(chǎn)企業(yè)時(shí)，由于行業(yè)的特性，其對燃料的需求大，且使用量相對穩定，因此對冷能利用有較好的適應性。在氣化量大于50萬(wàn)方/天的大型LNG氣化站，需要選擇合適的冷能利用方案，以節約用地成本，消除運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研究發(fā)展的方向。同時(shí)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,并將其與LN G氣化站一體化建設，達到LNG綜合利用的最優(yōu)效果。附:參考文獻[1]熊永強，李亞軍，華貴.液化天然氣冷量利用與輕烴分離集成優(yōu)化.現代化工，2006， 26(3)6/7[2]李靜等. LNG冷能利用現狀及發(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(jiǎn)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(zhuān)業(yè)，現供職單位中海石油福建新能源有限公司中級職稱(chēng)、工學(xué)學(xué)士學(xué)位、研究方向:石油天然氣7/7