浮式儲(chǔ)存再氣化裝置的LNG冷能利用

黃劉松，宋 煒，劉 濤

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

輪機(jī)與輔機(jī)

浮式儲(chǔ)存再氣化裝置的LNG冷能利用

黃劉松，宋 煒，劉 濤

（滬東中華造船（集團(tuán)）有限公司，上海 200129）

液化天然氣（Liquefied Natural Gas， LNG）將成為人類在21世紀(jì)的主要能源之一。對(duì)浮式LNG接收終端從概念、分類、特點(diǎn)、系統(tǒng)組成等方面進(jìn)行了較系統(tǒng)的介紹，總結(jié)了與陸地 LNG接收站的不同特點(diǎn)及其不足之處。同時(shí)闡述了LNG冷能、LNG冷能的評(píng)價(jià)因素及利用方式，并將部分LNG冷能的利用方式與常規(guī)方式的電力消耗進(jìn)行對(duì)比。在此基礎(chǔ)上，從初投資、裝置大小、商業(yè)化程度、市場(chǎng)潛力、環(huán)境保護(hù)等角度對(duì)低溫發(fā)電、空氣分離、輕烴回收、海水淡化、液態(tài)CO2及干冰制備、低溫粉碎、冷凍冷藏、天然氣再液化、丁基橡膠的生產(chǎn)、燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)排氣的冷卻、海上LNG冷能利用產(chǎn)業(yè)園區(qū)在FSRU（Floating Storage and Regasification Unit，浮式儲(chǔ)存再氣化裝置）上應(yīng)用的可行性進(jìn)行了分析，最終得出適用于FSRU的冷能利用方式有冷能發(fā)電、空氣分離、天然氣再液化、燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)排氣的冷卻。

液化天然氣；浮式儲(chǔ)存再氣化裝置；冷能利用；冷能發(fā)電；綜合利用

0 引 言

為了順應(yīng)節(jié)能減排、低碳環(huán)保的需求，全球及我國都在經(jīng)歷從以柴油為主要燃料到以太陽能、風(fēng)能、LNG（Liquefied Natural Gas）等新型、環(huán)保能源為主的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整。因此，尋求建立安全、穩(wěn)定、可靠的能源供應(yīng)體系將顯得尤為重要。

天然氣在超低溫（-162℃）常壓狀態(tài)下被液化，即成為LNG。其體積是氣體形態(tài)的1/600，便于長距離運(yùn)輸和大量?jī)?chǔ)存，近年來得到了長足的發(fā)展。但已投產(chǎn)的LNG接收終端仍無法滿足社會(huì)對(duì)LNG日益擴(kuò)大的需求量。半個(gè)世紀(jì)以來，人們?cè)谙硎苋蚪?jīng)濟(jì)快速增長帶來的成果的同時(shí)，逐步認(rèn)識(shí)到環(huán)境和大氣污染的加重，環(huán)保意識(shí)也漸漸得到提升。受此影響，人們?cè)絹碓讲幌Ｍ谘睾ｊ懹蚪ㄔ霯NG接收終端。在此背景下，海上LNG接收終端的建造提議被逐步提上日程。

世界上第一個(gè)海上LNG接收氣化裝置于2005年開始商業(yè)運(yùn)營，開啟了海上浮式LNG接收終端的建造新篇章［1］。截至2013年底，全球已建成LNG接收終端150多個(gè)，其中已投產(chǎn)的浮式LNG接收終端有11個(gè)［2，3］。

我國首個(gè)浮式LNG接收站——天津浮式LNG接收站項(xiàng)目已于2013年投產(chǎn)運(yùn)營，拉開了中國LNG接收和氣化解決方案的序幕［4］。而2012年8月，工信部發(fā)布的《海洋工程裝備科研項(xiàng)目指南（2012年）》中確定了包括 LNG-FSRU（LNG-Floating Storage and Regasification Unit）總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，以及LNG-FSRU再氣化模塊總體設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)和相關(guān)設(shè)備作為研發(fā)重點(diǎn)［5］。本文將提出適用于LNG-FSRU的冷能利用方式。

1 浮式LNG接收終端

1.1種類

LNG接收終端按所處位置可分為兩類，一類是陸地式，即傳統(tǒng)的LNG接收站；另一類是浮式，即海上LNG接收終端。海上LNG接收終端又可分為如下幾種形式，見表1［5］。主要討論FSRU。

表1　海上LNG接收終端類型

FSRU按接卸作業(yè)地點(diǎn)可分為近岸式和全海式兩種；FSRU按是否配置推進(jìn)動(dòng)力，又可分為無動(dòng)力、低速和高速3種。詳見表2。

1.2特點(diǎn)

LNG運(yùn)輸船一般采用并靠或旁靠的方式實(shí)現(xiàn)向FSRU卸貨。FSRU相對(duì)陸上終端和GBS（Gravity Based Structure）而言，具有較大的成本優(yōu)勢(shì)。LNG產(chǎn)業(yè)需要投入大量的資金，而FSRU和SRV（Shuttle and Regas Vessel with Regasification）卻能明顯縮短投產(chǎn)周期和降低初投資。

表2　FSRU的分類及特點(diǎn)

FSRU適合急需盡早供氣的市場(chǎng)；也適合于過渡性供氣的市場(chǎng)或調(diào)峰型氣站。海洋船舶、儲(chǔ)罐、氣化、裝卸船等技術(shù)被廣泛應(yīng)用于浮式LNG接收終端。

LNG-FSRU較常規(guī)陸上LNG接收終端具有許多特點(diǎn)，但是，仍存在一些不足。見表3。

表3　LNG-FSRU的特點(diǎn)及不足

1.3組成

FSRU主要由動(dòng)力推進(jìn)系統(tǒng)（有無均可）、液貨維護(hù)系統(tǒng)、LNG氣化系統(tǒng)、BOG（蒸發(fā)氣）處理系統(tǒng)、靠泊系統(tǒng)、計(jì)量及卸貨系統(tǒng)、消防安保系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)組成。

2 液化天然氣冷能利用技術(shù)

LNG在進(jìn)入輸氣管網(wǎng)輸送給各類用戶前需要?dú)饣ㄒ话悴捎煤Ｋ訜幔跉饣^程中將釋放大量冷能。合理利用LNG的冷能，不僅能減少電能等能源消耗、降低投資，而且可降低生產(chǎn)經(jīng)營成本，帶來良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，積極尋求和高效利用LNG的冷能具有重要意義。

2.1LNG冷能評(píng)價(jià)因素

LNG冷能利用主要是依靠LNG與周圍環(huán)境之間存在的溫度和壓力差，回收LNG相變至外界環(huán)境溫度時(shí)，儲(chǔ)存于LNG中的物理能量。對(duì)LNG冷能進(jìn)行評(píng)價(jià)便于今后計(jì)算LNG中可回收利用的能量。

天然氣由氣態(tài)到液態(tài)的轉(zhuǎn)變是耗能較高的過程，且LNG冷能具有極高的利用價(jià)值，因此有必要對(duì)LNG進(jìn)行分析。

式中：

LNG在定壓下由低溫升高到 T0的過程中發(fā)生沸騰相變。設(shè)LNG為在溫度 Ts下處于平衡狀態(tài)的兩相物質(zhì)，汽化潛熱為r，定壓比熱容為 cp，相應(yīng)潛熱為（T0/Ts-1）r，加上從Ts到T0氣體吸熱的顯熱，則其低溫ex，th為

2.2LNG冷能利用方式

LNG冷能利用可分為兩種：直接利用和間接利用。詳見表4、5［7，8］。

表4　LNG冷能利用方式

部分LNG冷能利用方式的效果見表5。

表5　LNG冷能利用方式效果比較

3 LNG-FSRU冷能利用方式

對(duì)現(xiàn)有的冷能利用方式在FSRU上的應(yīng)用，從初投資、裝置大小、商業(yè)化程度、市場(chǎng)潛力、環(huán)境保護(hù)等方面進(jìn)行分析［9］。

3.1低溫發(fā)電

LNG冷能常見的發(fā)電工藝有直接膨脹法、低溫朗肯循環(huán)法、低溫布雷頓法、多級(jí)復(fù)合循環(huán)法、燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)法。

直接膨脹法工藝簡(jiǎn)單，但利用率低，且必須是低壓用戶，常與其他利用方式結(jié)合使用。

低溫朗肯循環(huán)法是朗肯循環(huán)法和直接膨脹法的組合。其工藝簡(jiǎn)單、初投資較少，可選用合適的工質(zhì)對(duì)冷能進(jìn)行分段利用以提高冷能利用率。

低溫布雷頓法是布雷頓法和直接膨脹法的組合。與朗肯循環(huán)法相比，其工作介質(zhì)N2無相變過程，且LNG的蒸發(fā)壓力處于超臨界，與N2有較好的匹配，提高了換熱效率。

多級(jí)復(fù)合循環(huán)法共有5個(gè)循環(huán)，針對(duì)每個(gè)循環(huán)采用不同的工質(zhì)，可覆蓋更大溫度范圍內(nèi)的冷能，以梯級(jí)利用LNG冷能。故其冷能利用率高，但系統(tǒng)過于復(fù)雜，實(shí)際應(yīng)用中存在許多問題。

燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)法利用LNG汽化時(shí)釋放的冷能冷卻壓縮機(jī)進(jìn)口空氣溫度，以提高冷能利用率。其適用于電力需求超過20000kW的場(chǎng)所。

由此可知：低溫朗肯循環(huán)法和低溫布雷頓法是較適合的低溫發(fā)電方式。目前世界上已有多套投入使用的LNG冷能發(fā)電裝置，技術(shù)成熟；LNG冷能發(fā)電是一種新型的節(jié)能環(huán)保的發(fā)電方式；但其初投資較高，需綜合考慮發(fā)電成本和當(dāng)?shù)仉妰r(jià)等因素。

3.2空氣分離

將LNG冷能用于空氣分離已在多個(gè)國家和地區(qū)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營，我國也有幾個(gè)空分項(xiàng)目已經(jīng)啟動(dòng)。其是環(huán)境友好的冷能利用方式，冷能利用率較高，初投資較低，其產(chǎn)品應(yīng)用范圍較廣，適合大規(guī)模地推廣；考慮到運(yùn)輸成本，最好是就近利用。

3.3輕烴回收

其對(duì)進(jìn)料和設(shè)備的要求較高，在一定程度上能降低現(xiàn)有工藝的損耗，市場(chǎng)需求較大，初投資較大，適合小規(guī)模范圍內(nèi)試運(yùn)行。

3.4海水淡化

海水淡化技術(shù)已在世界上大部分國家和地區(qū)得到應(yīng)用。低溫法海水淡化技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，是一種可靠的淡化技術(shù)。可較大程度地降低制造成本，解決目前我國沿海地區(qū)淡水資源缺乏的境況。

3.5液態(tài)CO2及干冰制備

可減少二氧化碳的排放，進(jìn)而達(dá)到保護(hù)環(huán)境的目的；但在液化二氧化碳溫度和原料供應(yīng)方面受限較多，不適合大規(guī)模推廣。

3.6低溫粉碎

利用空分產(chǎn)品低溫粉碎輪胎和塑料，技術(shù)較成熟，可減少環(huán)境污染，是較好的LNG冷能間接利用方式；可應(yīng)用于諸多行業(yè)，且國家對(duì)其有政策扶持。

3.7冷凍冷藏

在多個(gè)國家和地區(qū)已有應(yīng)用，技術(shù)較成熟；能耗較常規(guī)方法低，初投資適中，日常維護(hù)便利；周邊最好有低溫食品加工需求，且結(jié)合其他利用方式。

3.8天然氣再液化

已在多個(gè)國家和地區(qū)均有應(yīng)用，技術(shù)成熟；減少天然氣因蒸發(fā)產(chǎn)生的損失，降低生產(chǎn)的危險(xiǎn)性；初投資較小，維護(hù)簡(jiǎn)單；但需有天然氣蒸發(fā)源；市場(chǎng)需求較小。

3.9丁基橡膠生產(chǎn)

國外已有多套此裝置投產(chǎn)，技術(shù)成熟；我國一般采用進(jìn)口，市場(chǎng)缺口較大；初投資較高。

3.10燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)排氣冷卻

在多個(gè)國家的地區(qū)均有應(yīng)用，技術(shù)較成熟，可提高冷能利用率和燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒效率；初投資較大，裝置尺寸較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)保養(yǎng)不便，市場(chǎng)需求較小。適于小范圍內(nèi)（電力需求超過20000kW的工作場(chǎng)所）試營。

3.11以FSRU為中心的海上LNG冷能利用產(chǎn)業(yè)園區(qū)

上述的幾種方式，一般都是單一利用，回收率低。而將LNG冷能按-160～-100℃、-100～-50℃、-50℃～常溫3個(gè)溫區(qū)進(jìn)行分類［10］，按照溫位匹配原則，合理搭配低溫溫區(qū)與中高溫區(qū)內(nèi)的LNG冷能利用方式，形成梯級(jí)、綜合利用LNG冷能。充分利用海上面積廣闊、LNG冷能來源穩(wěn)定、價(jià)格低廉的優(yōu)勢(shì)，建立以FSRU為中心的海上LNG冷能利用產(chǎn)業(yè)園區(qū)。

可最大限度回收利用 LNG全溫度區(qū)間的冷能，減少對(duì)環(huán)境的污染；極大地減少陸地面積的占用；盡量將產(chǎn)品用于園區(qū)內(nèi)，減少運(yùn)輸成本；許多單一的LNG冷能利用技術(shù)成熟，但缺乏將多種技術(shù)集成、綜合利用的經(jīng)驗(yàn)；初投資很大，設(shè)備多且有些結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)保養(yǎng)不便。

4 結(jié) 語

對(duì)現(xiàn)有的一些LNG冷能利用方式，從多角度進(jìn)行對(duì)比分析，其中較適用于FSRU的有冷能發(fā)電、空氣分離、天然氣再液化、燃?xì)廨啓C(jī)進(jìn)排氣冷卻。目前國際上少有在FSRU上LNG冷能的實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目，因此有必要進(jìn)行這方面的研究，為今后我國FSRU上LNG冷能利用項(xiàng)目提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

但就實(shí)際情況而言，F(xiàn)SRU上LNG冷能利用方式還有許多值得進(jìn)一步探討的問題，主要有以下幾方面：

2） 陸用LNG冷能利用的裝備，如利用朗肯循環(huán)的透平膨脹發(fā)電機(jī)組已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，相應(yīng)的海上LNG冷能利用裝置尚屬空白。需加大對(duì)海上LNG冷能利用裝置的研究。

回顧液化天然氣的發(fā)展史可以相信，浮式LNG接收終端，尤其是LNG-FSRU，將取代陸地LNG接收終端，成為未來海上液化天然氣的主要儲(chǔ)存裝置。而相應(yīng)的，LNG冷能利用項(xiàng)目也將逐步實(shí)現(xiàn)這一轉(zhuǎn)變過程。

［1］ 侯建國，黃 群，諸 良. 浮式LNG接收終端技術(shù)與應(yīng)用［J］. 中山大學(xué)學(xué)報(bào)論叢，2007， 27 （2）： 47-54.

［2］ 盧向前. 全球LNG接收站統(tǒng)計(jì)［J］. 國際石油經(jīng)濟(jì)，2009， 17 （6）： 69-72.

［3］ 石玉美，汪榮順，顧安忠. 液化天然氣接收終端［J］. 石油與天然氣化工，2003， 32 （1）： 14-17.

［4］ 江 濤. 浮式LNG接收終端（FSRU）靠泊方案及碼頭設(shè)計(jì)研究［D］. 大連：大連海事大學(xué)，2012.

［5］ 錢成文. 國外LNG接收終端簡(jiǎn)介及發(fā)展趨勢(shì)［J］. 石油工業(yè)技術(shù)監(jiān)督，2005， 21 （5）： 65-70.

［6］ 曹文勝，林文勝，吳集迎. 液化天然氣（LNG）的冷量利用［J］. 制冷，2005， 24 （4）： 16-19.

［7］ 賀紅明，林文勝. 基于LNG冷能的發(fā)電技術(shù)［J］. 低溫技術(shù)，2006， 34 （6）： 432-436.

［8］ 楊紅昌，鹿院衛(wèi)，馬重芳，等. LNG冷梯級(jí)利用系統(tǒng)優(yōu)化研究［J］. 可再生資源，2011， 29 （1）： 72-75.

［9］ 余黎明. 高效利用LNG冷能的途徑探析［J］. 化學(xué)工業(yè)，2014， 32 （5）： 1-12.

［10］ 羅富明. 基于LNG接收站的冷能綜合利用的產(chǎn)業(yè)園技術(shù)方案及經(jīng)濟(jì)性研究［J］. 中國化工貿(mào)易，2014， 6 （14）： 263-264.

LNG Cold Energy Utilization of Floating Storage and Regasification Unit

HUANG Liu-song， SONG Wei， LIU Tao
（Hudong-Zhonghua Shipbuilding （Group）Co.， Ltd.， Shanghai 200129）

Liquefied Natural Gas （LNG） will become one of the main energy sources for mankind in the 21stcentury. This paper systematically introduces the floating LNG receiving terminals in terms of concept， categorization，characteristics and system formation， etc.， and summarizes their differences and deficiencies compared with LNG receiving terminals on land. Meanwhile， this paper also elaborates the LNG cold energy as well as its evaluation factors and utilization methods， and compares the utilization method of part of the LNG cold energy with conventional electrical consumption method. On this basis， the feasibilities of low temperature power generation， air separation， light hydrocarbon recovery， sea water desalination， liquefied CO2and dry ice production， low temperature smashing， frozen and refrigeration， natural gas re-liquefaction， butyl rubber production， gas turbine air inlet and outlet cooling， application of offshore LNG cold energy utilization industrial park on FSRU （Floating Storage and Regasification Unit） are analyzed from aspects of initial investment， equipment size， level of commercialization， market potential， environmental protection，etc. to finally come to the conclusion that proper FSRU cold energy utilization method may include cold energy power generation， air separation， natural gas re-liquefaction， gas turbine air inlet and outlet cooling.

liquefied natural gas； floating storage and regasification unit； cold energy utilization； cold energy power generation； comprehensive utilization

U674.13+3.3

A

2095-4069 （2016） 01-0051-05

10.14056/j.cnki.naoe.2016.01.010

2015-04-08

黃劉松，男，碩士，高級(jí)工程師，1982年生。2007年畢業(yè)于上海交通大學(xué)動(dòng)力機(jī)械及工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶開發(fā)設(shè)計(jì)工作。