大型LNG气化站气化工艺及冷能利用的探讨

大型LNG气化站气化工艺及冷能利用的探讨王锦松中海石油福建新能源有限公司福建厦门361008中图分类号:P744.4文献标识码:A文章编号:摘要:天然气是一种燃烧热值高、洁净、污染小的重要能源资源,深受各国的关注和欢迎。为了解决长距离运输问题,原产地的业主均要花费大量的投资和能耗,把天然气液化为LNG再进行运输,所以我们在引进LNG时,不仅引进了清洁、高热值的天然气,同时也引进了潜在于其中来之不易的冷能。通常LNG需要重新气化成气态的天然气才能获得利用,国内LNG气化站普遍采用空温式气化器对LNG进行气化,其好处是不用耗能可以完成LNG的气化过程,但因空温式气化器占地面积大、投资金额大、生产过程雾气弥漫等问题而限制LNG气化站的规模,同时LNG冷能随着空温式气化器的热交换而被舍弃在大气中,造成能源的浪费本文介绍了大型LNG气化站气化工艺选择的优劣,阐述各种不同气化工艺对气化站建设以及冷能利用的影响,重点探讨冷能在冷冻水、制冰及空气液化分离等方面的利用的分析对比,得出冷能利用方案的优劣性,有利于LNG气化站项目合理研究选择气化工艺并充分进行冷能的利用关键词:LNG气化站气化器冷能利用气化工艺选择以及对气化站建设的影响气化器热源有自然热源(空气、海水)与人工热源(热水、蒸汽、电、冷冻水、冷媒)。利用自然热源的气化器体积较大,投资较大,运行成本接近为零;利用人工热源的气化器体积较小,投资较小,运行成本偏高。空温式气化器的连续工作时间一般为6~8小时,如若超过8小时,则出气温度会降低,长时间使用,会导致气化器结霜严重气化效率降低,出口温度达不到要求,需要另外备用一套切换使用,让工作后气化器进行自然化霜。在夏季,热交换充分,运行情况良妤;在冬季或雨季,由于环境温度或湿度的影响,气化器气化效果大大降低,影响气化量和岀站气温度,同时气化过程造成雾气弥漫的情况,影响安全操作。中国煤化工CNMHG1/7空温式气化器由于体积过大或因冬季热交换管结冰不能运行,只适用于气化量较小,气温比较高的地方例如气化能力在50万方/天以上的大型气化站,若采用空温式气化器作为LNG气化设备,其气化站用地将达到30亩以上。而如果采用人工热源气化器,气化站占地面积可以缩小到15亩以内。在气化站设计中,若采用空温式气化器为主、水浴式加热器为辅,互为备用,这样的设计有以下优点:1、节省约四分之一空温式气化器投资成本;2、节省一半空温式气化器的占地面积;3、在外界温度条件许可情况下,投用空温式气化器,运行成本接近为零;在有免费热源的情况下,投用水浴式气化器,运行成本相对较低,而且气化能力明显增加,同时可以解决冬季或阴雨天气情况下空温式气化器严重结霜以及周边雾气弥漫而影响安全生产的问题采用自然热源的空温式气化器或海水水浴式气化器,LNG冷能随着气化器的热交换而被舍弃在大气或海水中,造成能源的浪费。采用人工热源的气化器,在用热水、蒸汽和电等作为热交换源时,气化站运行成本较髙;而在用冷冻水、冷媒进行热交换时,很大程度能够将LNG潜在的冷能利用起来,而且该部分冷能的利用价值相当可观。因此冷能利用在大型LNG气化站中的利用,值得进一步研究和推广实施。、LNG冷能回收的意义和途径LNG是由低污染天然气经过脱酸、脱水处理,通过低温工艺冷冻液化而成的低温162℃)的液体混和物,其密度大大地增加(约600倍),有利于长距离运输。每生产一吨LNG的动力及公用设施耗电量约为850kWh,而在LNG气化站,一般又需将LNG通过气化器气化后使用,气化时放出很大的冷量,其值大约为830kJ/kg(包括液态天然气的气化潜热和气态天然气从储存温度复温到环境温度的显热)。这种冷能从能源品位来看,具有较高的利用价值,而其通常在天然气气化器中随空气或海水被舍弃了,造成了能源的浪费。为此,通过特定的工艺技术利用LNG冷能,可以达到节省能源、提高经济效益的目的。2.1节省能源、提高经济效益LNG的液化费用约占LNG总成本的30%,这30%的费用通过冷源的方式蓄积在LNG中。通常LNG需要重新汽化成气态的天然气才能获得利用,而当LNG在1atm(1atm=0101325MPa)压力下气化时,释放出常温气体的冷量约220H二L中国煤化工根据气化压力的不同,LNG冷量有所不同CNMHG2/7下图为能级系数ε和冷能Q坐标上的LNG气化曲线(曲线与横轴之间的面积就相当于气化过程中所释放的冷量)。-O1 MPa.O MPa1.2IOC MPa0.8040.00100150200250冷能(kWh/t)据测算一个10×104Nm3/d规模的LNG气化站,可利用冷功率近1MW,每年折合电能约为数百万度,可节省近千万度的制冷电能。由此可见,LNG冷能从能源品位来看,具有较高的利用价值。目前,这种冷源大部分在天然气汽化器中随空气或海水被舍弃了,造成了能源的浪费。能将这些冷能回收并利用于需要冷源的地方,不仅能够节约再次气化所需费用,对节能也会产生良好的影响,达到节省能源、提高经济效益的目的。22安全效益本项目用气量较大,不可避免将造成站区内设备结霜严重,生产环境处于低温状态出现冻雾弥漫的情况,这将对生产运营带来较大不便,同时也会影响LNG气化站区周边企业、公共设施环境,存在安全隐患,为消除此类状况,迫切需要对该项目启用冷能利用方案23社会效益我国采用的能源标准为标准煤,每节约1度电相应的节约0.4kg标准煤,减少0.997kgco2排放量。如项目规模(100×104Nm3/d)的LNG气化站,当满负荷冷能利用(冷冻水利用)时,每年的节电效益约为1273.72万kWh,相当于每年节约5094.88吨标准煤,减少12699吨CO2排放量另外,冷能利用还可带动相关冷链产业的发展,如发电装备、空气分离、轻烃回收、低温粉碎、海水淡化、冷冻、干冰等。因此,LNG冷能利用是节能减排的一大新型亮点工程,符合国家政策需要,也切合公司可持续发展理念,是利国中国煤化工CNMHG3/7LNG直接利用有冷能发电,液化分离空气(液氧、液氮),冷冻仓库,制造液化cO2干冰,空调,BOG再液化,低温养殖、栽培等;间接利用有冷冻食品,用空分后的液氮液氧、液氩来低温破碎,低温干燥,水和污染物处理,低温医疗,食品保存等。冷能的利用不仅要看其能量的回收大小,更为重要的是品位的利用。在经济合理安全可靠的情况下,要符合温度对口、梯级利用的总能系统原、冷能利用的方案的选择假设气化站LNG气化量为100×104Nm3d,即793.1T/d。据测算,每吨LNG气化过程释放出的冷量约220kWhT,则可不考虑冷能利用率,可利用的冷量约为63×105MJ/d(折合电能约为1745×104Kwhd)。根据目前国内实际情况,冷能利用多用于冷冻水、制冰及空气液化分离,下面对三个方案的市场需求、项目用地及投资估算、经济效益等进行对比3.1市场需求1)泠冻水市场分析冷冻水需求范围受限于周边必须有空调或冷却系统。大型LNG气化站一般都有规模较大的工业企业用户,该类企业厂区有冷冻水循环系统。冷冻水循环系统由冷冻机、冷冻水供水环网等组成,主要用于机柜间、配电间、办公楼的空调系统及生产装置工艺用。一般情况该类企业自备冷冻机组,冷冻机出口供水温度大致在7℃左右,冷冻机回水温度增温5℃即为12℃。因此LNG气化站可以通过热交换设备,为周边企业提供冷冻水,节省冷冻机组运行费用,从而达到冷能利用的目的。2)制冰市场分析制冰市场多用于南方,尤其海产丰富的沿海地带对冰块的需求量相当大。对于渔业,渔船出海捕鱼时每船需携带数十吨冰出海捕鱼,鱼产品运输销售途中也需要冰;对于肉食加工行业,同样对冰有很大的需求。因此可在LNG气化站旁边建立制冰厂,通过冷媒与LNG热交换,一方面为LNG气化带来热源,另一方面也为制冰厂带来冷能用于制冰,从而达到冷能利用的目的。3)空气液化分离市场分析中国煤化工CNMHG47由于空分装置中所需达到的温度比LNG温度还低,因此,LNG的冷量中的有效能可以得到最大程度的利用,是从热力学角度最为合理的利用方式,LNG冷能用于液化空气制液氧、液氮、液氩等,在LNG冷能利用系统中被认为是最有效的利用方式。这是因为它的节能率高,也很少受到地点条件的限制,且LNG巨大的冷能产出的液体氮量和液体氧量都很大。而液体氮、液体氧被广泛应用于工业中,因此也具有很好的需求市场。32项目用地及投资1)泠冻水冷冻水换热设备可采用冷媒换热的橇装化设备或冷水式水浴式气化器。以冷水式水浴式气化器为例,该设备及工艺管道占地面积约400m2;投资约200万元。2)制冰换热等设备集成为整体橇装化设备。本项目规模下,占地需划分为两部分,换热设备在站内气化区,占地约500m2;制冰系统须建设在站外,占地约2500m2;投资约1200万元。3)空气液化分离空气液化分离装置由四个主工艺系统和三个辅助系统组成。主工艺系统可分为:空气过滤和压缩系统、空气冷却和纯化系统、精馏系统和LNG冷能利用系统;辅助系统可分为:仪控系统、电控系统和液体贮存运输系统。在冋样规模下,空气液化分离裝置及工艺管道占地约1万平方米,因此LNG气化站附近可利用土地面积及交通情况,是制约空分项目开展的重要因素;投资约20000万元,比冷冻水、制冰高3.3经济效益1)泠冻水若根据制冷效率C○P估算,对于冷冻水设备,其制冷的COP为5左右,若按电价0.595元度计算,每吨LNG可节电26.18元。则按项目规模满负荷冷能利用时,每年的节电效益约为12563万kWh,经济效益约为757.86万元。2)制冰若根据制冷效率COP估算,对于制冰设备,其制冷的COP为2左右,若按电价0.595元/度计算,每吨LNG可节电65.45元。则按项目规模满负荷冷能利用时,每年的节电效益约为31843万kWh,经济效益约为1894.66万元3)空气液化分离中国煤化工CNMHG5/7根据LNG用于空气液化分离经验估计,按项目规模满负荷冷能利用的情况下,每天可生产约200吨液体空分产品,年产生的经济效益约为6000万元。34方案比选表31项目冷能利用方案对比表冷冻水制冰空气液化分离市场需求企业需求作支持有潜在市场市场应用广泛项目用地大大投资般好,但投资高,项目回经济效益较差般收期长项目建设周期较长5678运营稳定性高(长期需求)低(市场决定)低(市场决定)设备适应性高低空温气化器备冷冻水达到规模后,可需要备用需要备用用不考虑备用投资低、用地省、相比「需要确定销售市场、必「需要确定销售市场、必方案可行性传统的气化增加了LNG须满足场地及制冰的物须满足场地及气体的物次价值,容易实现流储运要求流储运要求10结论方案各有利弊,根据具体情况选择。四、结论根据LNG气化站供气对象的不同,其冷能供应量也会有所变化。当用于城市燃气和发电厂时,其昼夜的燃气系统和发电系统的负荷变化很大,导致LNG的使用量也随之变化,所以为了充分利用LNG冷能,必须使用容易调节的系统,能根据燃气系统和发电系统负荷的变化相应调节LNG供应负荷的变化。当用于石化行业或玻璃生产企业时,由于行业的特性,其对燃料的需求大,且使用量相对稳定,因此对冷能利用有较好的适应性在气化量大于50万方/天的大型LNG气化站,需要选择合适的冷能利用方案,以节约用地成本,消除运行烟雾缭绕的安全风险,充分进行冷能回收利用。因此,将上述各种因素相互交叉集成考虑以达到因地制宜、加大气化量、充分利用LNG冷能的目的是大型气化站建设研究发展的方向。同时也可以考虑将这些利用LNG冷能的装置建成联合企业的冷能利用系统,并将其与LNG气化站一体化建设,达到LNG综合利用的最优效果。附:参考文献1熊永强,李亚军,华贲液化天然气冷量利用与轻烃分离集成优化Ha中国煤化工CNMHG6/7[2]李静等.LNG冷能利用现状及发展前景.天然气工业,2005;25(5):103-105[3]周延鹤LNG冷能利用技术探讨.上海煤气,2009(1):37-39作者简介:王锦松(1978·11)男、民族:汉族,籍贯:广东省汕头市、2002年毕业于华南理工大学海岸与海洋工程专业,现供职单位中海石油福建新能源有限公司中级职称、工学学士学位、研究方向:石油天然气中国煤化工CNMHG77