LNG冷能发电技术现状研究

高 源， 侯珍珍

(中海油石化工程有限责任公司,山东 济南 250101)

LNG冷能发电技术现状研究

高 源， 侯珍珍

(中海油石化工程有限责任公司,山东 济南 250101)

LNG冷能发电技术有助于实现对天然气及石油行业的节能降耗，符合当前社会节约型能源的建设要求。本文通过研究LNG冷能发电技术文献资料，对LNG冷能发电原理进行了介绍，并结合实际项目的设计工作，重点对二次媒介法的设计方案进行了分析和描述。同时介绍了目前LNG冷能发电技术在国内的项目实例最新进展。

LNG冷能发电技术；冷能利用

天然气作为一类优质能源，具有污染少、热值高、储量大等特点，是国内外使用最为广泛的能源之一。为了方便大量储存和运输天然气，提升天然气的使用效率，供应商通常会在天然气开采后，进行除杂和液化处理，将天然气转变为液化天然气(即LNG)，通过海运将其运输至LNG接收站气化后供用户使用。在LNG气化过程中，会释放出大量的冷能，如将这部分能量回收并用于发电，将会降低LNG接收站的电能消耗量，获得较好的经济效益和社会效益。

1 LNG冷能发电原理

LNG是甲烷为主的低碳烷烃低温液态混合物，与周围环境存在着温度差和压力差。LNG的冷量就是液化天然气变化到与环境平衡状态所能获得的能量通常采用热力学参数火用来评价，火用是衡量冷能大小的指标。冷能火用反映了能量的反生和传递的趋势，揭示了系统内部能源的大小、成因及损失分布情况，为合理利用能量提供了理论依据[1-2]。LNG冷能发电的原理在LNG气化时利用其与周围环境剧烈的能量交换所引起的介质的压力和体积的变化对外做功来实现发电。

2 传统的LNG冷能发电技术

2.1 直接膨胀法

直接膨胀法在使用过程中，从储罐出来的LNG需要经过输送泵加压后，再经过LNG完成蒸发汽化工作，进而演变成为一种高压常温气体。需要加大对物理火用的应用，将高压下的LNG转换为压力火用，通过发电机及加热器实现发电和外输工作(见图1)。

图1 天然气直接膨胀发电流程示意图

直接膨胀法的优点是循环循环过程，所需设备少；但该方法效率不高，且发电功率较小，冷能回收效率仅为24%[2]。

2.2 二次媒体法

二次媒介法是一种朗肯循环过程，其基本过程是在冷能发电装置中，海水的热量转移低温的液态中间介质上(通常采用制冷剂级丙烷)，中间介质受热气化膨胀，驱动与发电机组连接的透平发电，做功后的气态中间介质再被LNG冷凝为液态，重新与海水换热，如此循环不断发电(见图2)[3]。

图2 二次媒介法的冷能发电装置工艺流程示意图

冷能发电装置的主要设备有IFV(中间介质气化器)，LPG泵和透平发电机组件。中间介质是制冷剂级丙烷。IFV分为3个热交换器：E1(LPG蒸发器)，E2(LNG 气化器)和E3(NG加热器)。

冷能发电装置的运行模式分为发电模式和旁路模式。

在发电模式下，E1壳侧的液态丙烷由海水加热气化，然后蒸发的丙烷被送至透平进口，驱动透平机发电。在透平出口，丙烷蒸汽降压至大气压，然后进入E2壳程由管侧的LNG进行冷凝。LNG在E2中被丙烷从大约-150℃加热至-50℃，变成天然气。经过E2后，丙烷冷凝液由管线进入LPG泵，之后液态丙烷经LPG泵恢复压力并再次被送入E1壳侧。在E2中被加热的天然气被送至E3壳侧，被管侧的海水加热至高于1℃，以达到外输要求。

在旁路模式下，透平和LPG泵被旁路隔离，不再运行。在这种模式下，丙烷仅执行LNG气化功能。E1壳侧的丙烷蒸汽直接进入E2壳侧，E2中被冷凝的液态丙烷直接进入E1壳侧。在这个操作下驱动丙烷循环的是重力，因此，E2的位置应高于E1。

冷能发电装置外输气量根据用户需要不同会发生变化，海水温度也会随季节不同发生变化。所以外输NG的温度和海水出口的温度将在一定范围内波动，同时确保在正常操作时外输气体温度高于1℃且海水进出口温差不超过5℃。装置入口LNG管道上设有流量调节阀，利用气化器出口气体的温度和天然气输出总管的压力控制此阀门；也可根据用户需气量确定气化器的流量；

冷能发电装置有两种不同的紧急关闭模式，用于设施保护：

(1)发电模式时，当出现E2的LNG出口温度过低、E3的LNG出口温度过低、丙烷泵入口温度过低、海水流量过低等情况时，需要触发装置跳车(操作完全停止)，以保护下游外输管网的安全；

(2)旁路运行模式时，当出现丙烷泵出口压力过低、丙烷泵泵筒液位过低、丙烷泵跳车和透平发电机成套包跳车时，需要装置跳车。

在LNG入口管道和NG出口管道上分别安装1台切断阀，在紧急工况或维修期间可对设备进行关断隔离。当冷能发电装置不工作时，为满足随时快速启动的要求，一般需要维持低流量的LNG和海水运转，以便保持系统处于冷备。

二次媒介法的冷能利用效率虽高于直接膨胀法，但由于高于中间介质的冷凝温度的天然气的冷能没有被加以利用，因此该方法的冷能回收效率必然受到限制。提高二次媒介法效率的关键是选择合适的中间介质，由于液化天然气是多组分的混合物，沸程宽，要提高效率，使液化天然气的汽化曲线与中间介质的凝结曲线尽可能保持一致是十分重要的。工作介质可以是甲烷、乙烷、丙烷等单组份，或者是他们的混合物。相对于单一介质形式，混合介质提供了更大范围的冷能，拥有更高的冷能利用效率。但在实际的使用过程中，因混合介质配比受天然气组成影响较大，工作状态不稳定性，严重影响实际的使用效果[4]。同时受限于接收站危化品安全管理的要求，一般建设单位会更加倾向于使用单一介质。

2.3 联合法

联合法主要是指朗肯循环法和直接膨胀法的结合，其原理是通过利用二次媒介法冷凝丙烷过后的“高温”LNG与海水直接换热膨胀，带动发电机进行发电来实现对LNG“剩余”冷能的再次循环利用。

3 最新研发的LNG冷能发电技术

3.1 温差发电联合动力装置

温差发电联合动力装置实际上是对LNG冷能的梯级利用，与上文介绍的联合法类似，多次利用了二次媒介法产生的"高温"LNG，直至其达到天然气使用的最终温度和压力[5-6]。但这种方法虽然可以提高LNG冷能利用率，但是随着利用次数的增加，其相应的设备投入费用也相应提高，目前看来并不具有实际的应用意义。

3.2 低温半导体温差发电

该方法是根据Seebeck效应[7-8]，运用低温半导体表面的温差引起的电压进行发电，其主要的发电过程为：在LNG换热管的内外两面粘贴半导体温差发电片，并对半导体中的发热片进行密封处理。工作时，LNG和水分别通过换热管内部和外部，形成内外温差，进而产生直流电。目前该方法还主要停留在研究试验阶段，并没有实现工程化。

4 目前国内的项目进展

上海液化天然气有限责任公司于2005年成立，是上海地区的天然气项目的建设、投资及运行的主体单位，其目前正在建设的上海LNG项目储罐扩建工程规划建设一套LNG冷能发电装置，并计划与2020年与扩建工程同步投产，该装置的原理既是采用的本文介绍的二次媒介法。届时该项目的成功运行将为国内LNG接收站的冷能利用开创新的发展方向。

5 结论

本文主要是对LNG冷能发电技术现状进行介绍，从LNG冷能发电原理、传统的LNG冷能发电技术、最新研究的LNG冷能发电技术进行分析，并结合我国上海LNG项目所利用的二次媒介法实例进行研究分析，明确了LNG项目的具体实施情况，冷能的回收利用对提升系统的能量利用效率具有重要作用，不受地理位置、市场及环境因素影响，符合当前社会节能、减排的发展要求。

[1] 陈利琼,许培林,孙 磊,等. LNG冷能发电技术现状分析[J].天然气与石油, , 2013 , 31 (6) :39-44.

[2] 郭揆常. 液化天然气(LNG)工艺与工程.北京:中国石化出版社[M]. 2014:312.

[3] 陈 晖,邓 青,贾士栋. LNG冷能发电技术研究进展[J].应用能源技术,2013(05):22-24.

[4] 李小玲,王卫强,杨 帆. LNG冷能利用技术应用现状与展望[J].现代化工, 2014 , 34 (9) :4-7.

[5] 贺 雷,张 磊,高 为,等.发电与制冷相结合的LNG冷能梯级利用技术研究[J]. 低温与超导, 2015 , 43 (5) :22-27.

[6] 贺 雷,高 为,张 磊,等. 发电与海水淡化相结合的LNG冷能梯级利用技术研究[J]. 化学工业,2015(07):11-15.

[7] 李博洋,张运秋,张晓荣,等. LNG运输船冷能发电技术[J].中国航海,2016(01):91-94，98.

[8] 贾 磊. LNG冷能利用与低温半导体温差发电研究[D].合肥：中国科学技术大学, 2006：17-18.

(本文文献格式：高 源， 侯珍珍.LNG冷能发电技术现状研究[J].山东化工，2017，46(14)：88-89.)

2017-06-07

高 源,管道工程师,主要从事管道设计。

TE64;TE09 ；TM619

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1008-021X(2017)14-0088-02