摘要:簡介了lng冷量用于空分裝置的實(shí)際例子及其節(jié)能效果;從空分裝置液化率改變和壓力改變兩方面對(duì)利用氣瓶汽化器緩沖罐冷量的空分裝置進(jìn)行了熱力學(xué)分析;最后指出,空分裝置利用lng冷量可達(dá)到多產(chǎn)液體、節(jié)省投資和運(yùn)行費(fèi)用的效果。

1 lng在我國的應(yīng)用前景

近年來,我國天然氣探明儲(chǔ)量大幅增長,累計(jì)探明天然氣儲(chǔ)量超過3×1012m3,其中/九五0期間平均年新增探明儲(chǔ)量230.9×109m3。同時(shí),我國天然氣的產(chǎn)量也在穩(wěn)步增長,2001年達(dá)到外供氣量約2815×109m3。根據(jù)/十五0規(guī)劃,我國天然氣產(chǎn)量發(fā)展目標(biāo)為2005年達(dá)到(50~55)×109m3。與此同時(shí),一批長距離氣瓶汽化器緩沖罐輸氣管道正在建設(shè)或即將開工,成為連接產(chǎn)地和市場的紐帶,/西氣東輸0則是其中最重大的工程。預(yù)計(jì)2010年,天然氣在能源總需求構(gòu)成中的比重約為6%,需求量將達(dá)到90×109m3。2020年需求量將達(dá)到200×109m3。

可以看出,雖然我國天然氣產(chǎn)量在今后會(huì)有較快增長,但相對(duì)需求的增長仍有一定距離。尤其是我國能源生產(chǎn)和消費(fèi)的地理布局處于不平衡的狀況,東南沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)的一次能源生產(chǎn)量與消費(fèi)量不成比例,該地區(qū)的能源供需矛盾十分突出。根據(jù)我國能源分布和消費(fèi)的現(xiàn)狀,在沿海發(fā)達(dá)地區(qū)率先使用進(jìn)口液化天然氣(lng),將有效緩解該地區(qū)能源供需矛盾,優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu),解決日趨嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。

世界液化天然氣工業(yè)歷經(jīng)幾十年的發(fā)展,現(xiàn)已相當(dāng)成熟。自1980年以來,世界lng貿(mào)易量每年以平均8%的速度增長,現(xiàn)已占世界天然氣總貿(mào)易量的25% (在20世紀(jì)70年代只占5%)。1998年世界lng貿(mào)易量為92×109m3,到2000年lng貿(mào)易量已達(dá)134×109m3(見圖1)[1]。技術(shù)的成熟和貿(mào)易的發(fā)達(dá)已使lng價(jià)格降至合理的水平。目前,日本、韓國、美國等均進(jìn)口大量的lng。因此,無論從多氣源保障能源安全還是從經(jīng)濟(jì)性方面出發(fā),同時(shí)考慮國產(chǎn)、進(jìn)口氣態(tài)天然氣(主要從俄羅斯)和進(jìn)口液化天然氣應(yīng)該是合理的。

在深圳,我國第一座lng接收終端項(xiàng)目即將開工建設(shè)。該項(xiàng)目將從2005年開始每年向中國提供3×106t (約412×109m3) lng。在福建莆田,另一個(gè)lng接收終端項(xiàng)目也已確定。在浙江北部沿海建設(shè)一座lng接收終端的項(xiàng)目也在積極論證。此外,上海東海天然氣調(diào)峰液化裝置和中原油田天然氣液化項(xiàng)目的順利建成投產(chǎn)標(biāo)志著我國工業(yè)化天然氣液化裝置的起步?？梢灶A(yù)期, lng相關(guān)工業(yè)在我國將迎來一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期。

2 lng冷能及其利用

lng是天然氣經(jīng)過脫酸、脫水處理,通過低溫工藝?yán)鋬鲆夯傻牡蜏?-162℃)液體混合物。生產(chǎn)lng的動(dòng)力及公用設(shè)施耗電量約為850kwh/t。而在lng接收站,一般又需將lng通過汽化器汽化后使用,汽化時(shí)放出很大冷量,其值大約為830kj/kg (包括lng的汽化潛熱和氣態(tài)天然氣從儲(chǔ)存溫度復(fù)溫到環(huán)境溫度的顯熱)。這部分冷能通常在天然氣汽化器中隨海水或空氣被舍棄,造成能源的浪費(fèi)。為此,通過特定工藝技術(shù)利用lng冷能,可以達(dá)到節(jié)省能源、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。國外已對(duì)lng冷能的應(yīng)用展開了廣泛研究,并在低溫發(fā)電、冷凍食品及空氣液化等方面達(dá)到實(shí)用化程度,經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益非常明顯。

lng是以甲烷為主,包括氮、乙烷、丙烷等組分的低溫液體混合物,與外界環(huán)境存在著溫度差和壓力差。其冷能即為lng變化到與外界平衡的狀態(tài)時(shí)所能獲得的能量,所以采用的概念可以對(duì)lng的冷能進(jìn)行評(píng)價(jià)[2]。lng的冷能ex可分為壓力p下由熱不平衡引起的低溫ext和環(huán)境溫度下由壓力不平衡引起的壓力exp。本文主要討論低溫。

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,則其低溫ext為:

式中:cp為比熱容。

lng的用途不同,低溫和壓力不同,回收途徑也不同。通常,用作管道燃?xì)鈺r(shí),天然氣的輸送壓力較高(2~10mpa),壓力大,低溫相對(duì)較小,可以有效利用其壓力。而供給電廠發(fā)電用的液化天然氣,汽化壓力較低(015~110mpa),所以壓力小,低溫大,可以充分利用其低溫。lng冷能的應(yīng)用要根據(jù)lng的具體用途,結(jié)合特定的工藝流程有效回收lng冷能。

天然氣燃燒熱值高、污染少,用于發(fā)電避免了燃煤電廠原煤的運(yùn)輸以及環(huán)境污染問題,尤其是用于調(diào)峰發(fā)電,可快上快下,靈活性大。lng燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電是一種新型發(fā)電技術(shù),天然氣燃燒驅(qū)動(dòng)燃?xì)馔钙桨l(fā)電,燃?xì)馔钙脚懦龅拇罅扛邷貜U氣進(jìn)入余熱鍋爐回收熱量,產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽透平發(fā)電,該循環(huán)熱效率高達(dá)55%。而蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電的熱效率僅分別為38%~41%和35%[3]。綜合利用lng的冷能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)中的廢熱,可以有效提高燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)的熱效率。lng的冷能直接用于發(fā)電時(shí),壓力的利用可采用天然氣直接膨脹方式,低溫的利用則采用低沸點(diǎn)工質(zhì)的郎肯動(dòng)力循環(huán)。