LNG接收站冷能三段式梯级利用路线的研究.pdf

应用ALNG接收站冷能三段式梯级利用路线的研究上海能源建设工程设计研究有限公司上海液化天然气有限责任公司吴柳凤章润远钟君儿摘要：LNG在传统接收站储罐内的温度约为一1 6 0 C，LNG 气化时的冷能通常被排放到大海中。国内部分LNG接收站对LNG气化时的冷能进行了利用，也提出了冷能利用产业链，但实际操作过程中很难实现工艺参数的有效对接。通过目前LNG接收站运行情况的调研，针对LNG冷能的特性，提出了分别在气化3 个阶段利用冷能，形成一种新的绿色高效冷能三段式梯级利用路线。关键词：LNG接收站冷能梯级利用路线传统LNG接收站内，一般用海水作为热媒或用浸没燃烧天然气产生的热量来气化LNG，LNG气化过程中会释放出8 3 0 8 6 0 kJ/kg的冷能。传统LNG气化方式中未对气化所释放的冷能加以利用，导致的不良影响有两种：一是海水换热后温度下降5K左右，会对附近海域产生冷污染的负面影响；二是燃烧天然气(以下简称NG)会导致优质燃料的损失和废气排放。本文为上海市科技创新行动计划项目一“上海LNG冷能高效综合利用关键技术和工程化方案研究”的成果，项目编号：2 0 dz1205800。1LNG冷能特性冷能利用的方式有直接和间接两种。冷能直接利用包括空气分离、冷能发电、冷冻仓库、制冰、制干冰或液态二氧化碳、海水淡化、冰雪世界、空调、低温养殖等；冷能间接利用包括低温粉碎、低温干燥、污水处理等。受条件限制，LNG冷能不可能全部转化利用，通常利用效率约为2 0%LNG中蕴含的冷能从温度场来考虑，主要分成3个温度段：超深冷(一4 0 C),LNG各温度区间蕴含的冷能见表1。从表1 可以看出，LNG所蕴含的冷能主要集中在超深冷段，特别是LNG气化时释放的冷能，在LNG梯级利用时如何有效化的利用这一段冷能将会对LNG整体冷能利用起到高效作用。LNG冷能10）2 0 2 3 年第5期上海煤气表1 LNG蕴含冷能分布状态温度区间/液态-142气态-142-100气态-100-40气态-401合计在不同温度区间有其独特的冷能应用方式，应实现梯级利用。不同的项目配置，冷能利用成效差别很大。仅考虑单一要素，如成本效益或市场需求等，将可能使冷能利用只局限于特定的项目而造成冷能利用效率偏低。另外，如果不结合LNG接收站周边的产业特点及相关政策，将会使选择的利用方案偏离规划而缺乏经济性，不利于冷能综合利用。目前国内因工艺路线的不匹配或者利用冷区重叠，LNG冷能往往在一次换热中就消耗了大部分能量，限制了后续冷能利用。针对以上弊端，本文重点研究冷能梯级利用各温区的特点，解决如何提高LNG冷能利用效率的难题，即将其匹配进各个温度区段，根据每个区段的特点进行重点利用。2LNG冷能三段式梯级利用工艺路线LNG冷能三段式梯级利用中最核心的部分是分区段温度利用的匹配性。与传统的气化供冷相比，每一个利用区段都能减少LNG接收站的运行能耗。本文研究的三段式梯级利用工艺路线，参考上海洋山LNG接收站的全年运行参数，针对LNG蕴含冷能/(kJ.kgl)508.8089.63128.0484.49813.96紧急切断阀应用Application从储罐到气化时释放的所有冷能，将其分为3 个区目的工艺条件，尽可能达到全系统的梯级高效利段，结合LNG自身的冷能梯级利用特点和用冷项用。三段式梯级利用工艺路线，如图1 所示。LNG深冷段LNG气化段厂T14BOG管线B O G 压缩机11一LOLNG储罐罐内低压潜液泵图1 中，1 号LNG储罐内置2 号低压潜液泵，低压潜液泵出口的LNG管线分两路运行，一路通过5号阀门控制，另一路通过7 号阀门控制。同时1号储罐顶部出口BOG送至3 号BOG压缩机增压，经过4 号BOG管线后和经过5号阀门的LNG在6号BOG再凝器内换热。6 号BOG再凝器出口的LNG和经过7 号阀门的LNG汇合后进入8 号高压潜液泵。8 号高压潜液泵出口的LNG经过1 4 号中间介质换热器后变成NG到1 5号阀门，接着进入16号常温NG加热器，通过1 8 号阀门后进入外输系统。在LNG气化段1 4 号中间介质换热器串联着10号控制阀，1 1 号循环泵，1 2 号冷能发电加热器以及1 3 号透平发电机组。这些设备组成了冷能发电装置最重要的朗肯循环系统。在NG加热段，1 6号加热器的热源由1 7 号空调系统的水冷装置提供。3LNG三段式冷能利用技术本研究结合LNG接收站的运行特点和LNG气化的三个不同阶段(LNG深冷段、LNG气化段及NG加热段)研究出一种高效冷能利用路线。LNG的主要成分为甲烷，LNG贫富液的物性差异较大，下文中涉及的LNG物性参数均为纯甲烷的数据。NG加热段1中间介质循环泵1?冷能发电加热器主工LNG流量调节阀BOG分支LNG再凝器流量调节阀FC1透平发电机组1111早NG外输系统B天然气出口！紧急切断阀1中间介质换热器天然气！6常温NG加热器中间介质流量控制阀FC9高压LNG流量调节阀！18高压潜液泵1图1 三段式梯级利用工艺路线3.1LNG深冷段LNG深冷段中，储罐内LNG经罐内低压潜液泵增压后通过BOG再凝器释放此部分优质冷能。LNG在1 号储罐中处于常压状态，此时LNG的温度为一1 6 0 C左右。通过LNG储罐内的2 号LNG低压潜液泵增压至1.2 6 MPa后输出LNG储罐，该压力下的甲烷饱和温度为一1 1 5C，因此增压后的LNG仍为过冷液(即液体温度低于饱和气化温度)。1 号储罐在日常运行过程中，由于外部环境的热量输入，储罐通常每日有0.0 5%的LNG气化率。气化的BOG通过3 号BOG压缩机对外输出，BOG输出压力为0.8 2 MPa，经过压缩机后BOG温度一般为一6 0 一9 0。LNG过冷液和增压后的BOG在6 号BOG再凝器中进行热量交换，BOG将被冷却并液化成LNG，而LNG则被加热至一1 3 5C进入8 号高压潜液泵，此时的LNG还处于过冷状态。一般情况下LNG的外输量要远大于储罐内的BOG量，在DCS控制系统中通过计算BOG压缩机出口流量来控制5号调节阀开度，调节进入6 号BOG再凝器的LNG流量，确保在BOG能液化的前提下LNG不会过多流入BOG再凝器而造成漏热损失。1空调水冷系统1111上海煤气2 0 2 3 年第5期1 1应用Application3.2LNG气化段LNG气化段中，先将一1 3 5C的LNG通过罐外8 号高压潜液泵进行增压，增压后的LNG进入LNG气化段工艺(即朗肯循环系统)。与气化器中的气态丙烷进行换热，LNG气化为NG后进入下一个工艺阶段，而丙烷在气化器中被液化。经过深冷段加热的LNG通过8 号高压潜液泵增压至6.3 MPa，然后进入冷能发电装置。冷能发电装置采用朗肯循环工艺。在冷能发电装置中，LNG和气态的中间循环介质丙烷进行热交换，LNG释放冷能，自身气化升温为一50 C左右的NG。在这个过程中介质将经历三次状态变化，即LNG升温至一1 1 5C的饱和状态、一1 1 5C的LNG释放汽化潜热变成同温度NG的相态变化、NG升温至一50 C的过热状态。整个过程中，LNG的流量通过9 号流量控制阀进行控制，并以1 5号阀门作为超温等紧急情况下的切断阀门。朗肯循环发电系统通过1 0 号阀门来匹配LNG的流量，并控制出口NG的温度及中间循环系统的液化、机械功输入等循环要求。3.3NG加热段NG加热段冷能利用主要为水冷循环系统，通过水循环系统与低温NG进行换热，将一50 C的NG升温至1 C,空调水循环系统则在此处进行56K的温降至1 2。NG通过气相升温释放冷能。通常在换热器中工段相态LNG深冷段液相液相LNG气化段液相一气相气相NG加热段气相从表2 的计算结果可以看出，LNG深冷段为LNG接收站常用的BOG冷凝工艺，技术成熟，该工段可利用的冷能占释放总量的8%；LNG气化段释放的冷能占比为8 0%(三段中最高)，这部分冷量利用后的副产物为电能，可供厂区自用或并入电网；NG加热段中释放的冷能占比为1 2%，这部分低品位的冷能较少被利用，通常随着海水排入海12）2 0 2 3 年第5期上海煤气气液换热的效率要远高于气气换热，为了将这一部分NG冷能充分利用起来，采用较为温和的循环水作为换热介质。循环水与NG换热后温度降低，一方面降温后的循环水经过机房水冷系统给外部供冷，另一方面循环降温过程中起到了给NG加热的作用。NG加热段不设流量控制系统，而是通过循环水的温度变化进行系统调节。为防止1 6 号气化器中的空调循环水冻结，循环水量会适当过量，水温的温降控制在1 0 K以内。如果发现温降过大则直接通过NG出口的1 8 号紧急切断阀直接切断NG的流量，确保装置的正常运行。NG加热段会使NG温度升至1 以上。3.4三段式LNG放热量计算物体在传热过程中放热量Q放的计算公式，如式(1)所示。Q 放=CmT式中：C比热,J/(kgK);m一质量，kg;T温度变化，K。纯物质的汽化潜热Q潜的计算，如式(2)所示。Q潜=mr(2)式中：r汽化热，J/kg。按纯甲烷计算，甲烷的汽化潜热为50 6 kJ/kg，液相平均比热容为2.7 kJ/(kgK)，气相平均比热容为 2 kJ/(kg:K)。以上三个工段的冷能计算结果见表2。表2 三段式冷能利用过程冷能计算入口温度/出口温度/-160-135-135-115-115-115-115-50-501(1)温度差T/K分段冷能Q放(Q)/(kJ.kg)2568205405066513051102洋，会导致局部低温，从而影响海洋生态。综合上述，通过三段式冷能利用，LNG蕴含的冷能被应用于不同领域，如再冷凝系统、发电系统、空调系统等。这种技术可以有效提高能源利用效率，减少能源浪费，对环境产生相对较小的影响，因此在可持续发展和节能减排方面具有重要的应用潜力。占释放总量百分比/%88012应用Application4结语着非常大的环境效益。在三段式利用路线中，增加了绿色电能，减少了CO2的排放，缓解了局部海域传统LNG接收站中,在第一阶段(LNG深冷段)的冷污染问题，降低了水冷系统的电能，整体可以就将大部分冷能进行利用，导致后续冷能利用方式降低接收站的运营成本，是一种绿色高效的冷能利受限，冷能利用率通常为4 0%50%，而冷能三段用路线。对LNG接收站而言，降低自身运营的能式梯级利用路线可将LNG的冷能综合利用率提高耗有利于项目启动和投产。至1 0 0%。三段式梯级利用冷能也对LNG接收站有Research on Three-stage Cascade Utilization Route of Cold Energy in LNG TerminalsShanghai Energy Construction Engineering Design and Research Co.,Ltd.Abstract:In the traditional liquefied natural gas(LNG)terminal,the temperature of LNG in the storage tank isabout-160 C,and the cold energy contained in its gasification will be discharged into the sea.Only in someLNG terminals the LNG cold energy has been made use of and the industry chain of cold energy utilization hasbeen put forward,but it is difficult to achieve the effective docking of process parameters.In this paper,the currentoperation datum of LNG terminals are investigated,and three stages utilization of cold energy in LNGgratification are proposed according to the characteristics of LNG cold energy,in order to form a new green andefficient three-stage cascade utilization route of cold energy.Keywords:LNG terminals,cold energy,cascade utilization(上接第3 页)2朱治双,廖华,周游,等.LNG贸易与全球天然气市场一体化研究 .中国能源,2 0 2 2,4 4(1 2):2 3-3 2.3花贲,熊永强,李亚军,等.液化天然气轻烃分离流程模拟Process Simulation and Parameter Optimization of LNG Light Hydrocarbon RecoveryAbstract:Based on the characteristics of the components in imported liquefied natural gas(LNG)and its coldenergy,a new type of LNG light hydrocarbon recovery process is designed according to the principles of coldenergy cascade utilization and cyclic treatment.Its characteristics are that the cyclic structure effectively improvesthe recovery rate and concentration of each product and the product can directly enter the high-pressure natural gaspipeline network without the vaporizer in the later stage of treatment.Simultaneously,the light hydrocarbonsobtained through the separation under low-pressure and low-temperature liquid-phase conditions,facilitating thestorage and transportation of the products.Taking the imported Australian LNG light hydrocarbon recoveryprocess as an example,through simulation calculation and parameter optimization,compared with the classictechnology,the optimized process has an increase of about 1.24%in methane molar content,an increase of about3.46%in ethane recovery rate,and a reduction of 32%in energy consumption.Keywords:LNG,light hydrocarbon recovery,process simulation,parameter optimizationWU LiufengShanghai LNG Co.,Ltd.Chongqing Juxiang Gas Co.,Ltd.ZHANG RunyuanZHONG Juner与优化 .天然气工业,2 0 0 6,2 6(5):1 2 7-1 2 9.4 REDDICK K.,BELHATECHE N.Liquid natural gasprocessing:United States,6941771 B2P.2005-09-13.HE Youxiang上海煤气2 0 2 3 年第5期 1 3