LNG冷能发电技术

 

一、LNG简介

液化天然气(Liquefied Natural Gas，简称LNG)，主要成分是甲烷，还有少量的乙烷和丙烷。无色、无味、无毒且无腐蚀性，其体积约为同量气态天然气体积的1/625，LNG的质量仅为同体积水的45%左右，常压下LNG的密度约为430kg/m³—470kg/m³。其制造过程是先将气田生产的天然气净化处理后，经压缩、冷却至其凝点温度后变成液体，通常LNG储存在-161.5℃、0.1MPa左右的低温储存罐内。用专用船或油罐车运输，使用时重新气化。

每液化1吨LNG耗电约为850kW·h；而在LNG接收站和气化站，一般又需将LNG气化后使用，气化时放出很大的冷能，其值约为830kJ/kg。若LNG 拥有的冷量能以100%的效率转化为电力，每1吨LNG可利用的冷能发电折合电量约为240kW·h。按照我国2015年进口LNG4000万吨来计算，这部分冷能全部利用可发电100亿kW·h。由此可见，可供利用的LNG冷能是相当可观的。这种冷能从能源品位来看，具有较高的利用价值，如果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。

目前世界上LNG冷能发电技术较成熟的有日本、韩国、美国等发达国家，印度等发展中国家也已开始注重冷能在发电上的应用。 日本利用LNG冷能发电在冷能利用中比例超过70%，占主要地位，而印度LNG冷能也主要用于低温发电。我国的LNG冷能发电技术起步较晚，近年来已取得一定研究成果，上海LNG接收站的冷能发电工程已于2019年开始工程建设，舟山LNG接收站于2018年初步完成了LNG冷能发电装置的安装工作，目前尚未运行。

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二、LNG冷能发电技术简介

LNG冷能利用主要是依靠LNG与周围环境之间存在的温度和压力差，将高压低温的LNG变为常压常温的天然气时，回收储存在LNG中的能量。LNG冷能发电是高效利用LNG冷能的一种形式，常用的冷能发电工艺有直接膨胀法、朗肯循环法、联合法、布雷顿循环法和燃气轮机利用法等。

1、直接膨胀法

储罐中的LNG由低温泵加压后经由LNG蒸发器气化，成为高压常温气体，然后利用LNG的物理㶲在高压气化时转化成的压力㶲，直接驱动透平膨胀机，带动发电机发电。 特点：原理简单，效率低，冷能回收率仅24%，仅利用压力㶲。

图1 直接膨胀法

2、朗肯循环法

朗肯循环法，也称中间媒介朗肯循环法、二次媒体法。LNG经过透平膨胀后的低压冷媒（如丙烷）在冷凝器中换热，冷媒凝结成液体；低压冷媒液体经泵提高压力，加热变成高压蒸汽；高压冷媒蒸汽经透平膨胀成低压蒸汽，对外输出动力，带动发电机发电。单一工质冷能回收效率18%；混合工质冷能回收效率36%。

图2 朗肯循环法

3、联合法

联合法综合了直接膨胀法与朗肯循环法。LNG通过换热器2将冷能转移给冷媒，LNG经过换热器3成为高压常温气体，再经过透平机2膨胀做功推动电机2发电，最后经过换热器 4变成一定压力常温气体之后外输。而冷媒（如丙烷）被液化经过泵1压缩和回热器变成高压气体，再经泵2压缩和换热器1成为高压常温气体，最后透过透平机1带动电机1发电，出来的冷媒再次循环利用。

图3 联合法

4、混合媒体发电

由于LNG的温度在整个过程中是变化的，和单一媒体比较，使用混和媒体可以覆盖低温天然气更大温度范围的冷能，可使LNG冷能得到梯级利用。但由于混合媒体本身的不稳定性，这种方法在实际应用中会出现很多困难。

5、布雷顿循环法

也称气体动力循环法。下面工艺流程图左边是低温工作条件下的以N2为介质的布雷顿循环，右边则是LNG直接膨胀发电。用LNG冷能冷却压缩机进口气体使温度降低，压缩机在达到相同增压比情况下耗功降低，高压N2经加热器加热进入气体透平膨胀做功，对外输出电能，使装置热效率显著提高。

图4 布雷顿循环法

6、燃气轮机利用法

采用不同的冷媒通过直接或间接的方法将LNG气化时释放的冷能用于降低燃气轮机入口空气温度或用来冷却蒸汽轮机的排汽，利用LNG冷能冷却压缩机进口气体，显著提高了装置的热效率。

图5 燃气轮机利用法

7、几种发电工艺的比较

布雷顿循法环发电效率最高，可达到55%，但有冷却器温度的要求；朗肯循环法（单一工质）发电效率最低，只有18%；朗肯循环法（混合工质）发电效率为36%；直接膨胀法虽然冷能利用效率低，仅为24 %，但原理简单。朗肯循环法、联合法、燃气轮机法效率低于布雷顿循环法，但适用性强、限制条件少、技术成熟，值得推广。总体来说，目前国内外LNG冷能利用效率偏低，发电方法存在很多不足，有待进一步改进。

表1 六种发电工艺特性对比

发电工艺优点缺点适用性直接膨胀法原理简单冷能利用效率低，发电功率小用于回收部分冷能，小型LNG气化站，低压天然气朗肯循环法效率较高，混合媒体可达36%高于冷凝温度的天然气冷能未得到利用，流程较复杂联合法效率高达 50%，综合造价低，有利于环保混合媒体本身不稳定，实际用用较难混合媒体发电可以覆盖低温天然气更大温度范围的冷能，能够梯级利用LNG的冷能冷却温度如在0℃以下，水蒸汽会在冷却装置表面冻结中、大型LNG气化站布雷顿循环法效率高于50%流程较复杂冷却温度 0℃以上燃气轮机利用法显著提高热效率--大型LNG气化站

各种发电工艺效率对比图如下图所示：

图6 各种发电工艺效率对比

三、LNG 冷能发电设备

以技术较为成熟的朗肯循环法发电为例，LNG冷能发电主要由低温透平膨胀机、气化器和低温泵等组成。

1、低温透平膨胀机

透平膨胀机是LNG冷能发电的关键设备，是保证整套装置稳定运行的心脏。其主要原理是利用有一定压力的气体在透平膨胀机蜗壳内进行绝热膨胀对外做功而消耗气体本身的内能。透平膨胀机按照结构不同可以分为轴流式和径流式。但是除了大流量、大功率以及高温条件下的膨胀机采用轴流式之外，绝大多数透平膨胀机采用向心径流式，根据需要做成单级或多级。

图7 低温透平膨胀机图7 低温透平膨胀机

目前主要透平膨胀机主要进口品牌有GE新比隆、法国CRYOSTAR、美国ADC、瑞典阿特拉斯等，国产品牌核心部件目前依然需要进口，例如优质联优机械、川空、杭氧、瑞特等等。

2、LNG 低温泵

LNG 低温泵也是 LNG 冷能发电的关键设备，其性能参数及运行的稳定性对整个系统的安全可靠运行至关重要。目前主要的进口品牌主要有法国CRYOSTAR、瑞士Cryomec、美国ACD、日本Ebara、日本 Nikkiso等，国内有大连深蓝、杭氧等厂家。

以丙烷循环泵为例，丙烷循环泵用于冷能发电装置中吸收和输送丙烷的循环液用泵，其扬程设置较低，主要是用来克服循环系统的压力降。丙烷循环泵采用直立式潜液泵，设计满足连续满负荷的运转。丙烷循环泵结构及外形见下图。

图8 LNG低温泵图8 LNG低温泵

3、气化器

现在使用的LNG气化器有下列几种形式：开架式气化器（ORV）、浸没燃烧式气化器（SCV）、中间介质式气化器（IFV*丙烷）、中间介质管壳式气化器（IFV-强制循环）。在上述形式的气化器中，大量采用的是开架式气化器和浸没燃烧式气化器，值当海水质量不能满足开架式气化器要求或接收站附近有电厂废热可利用、其他工艺设施需要冷能时，通常也会采用中间介质式气化器。

（1）开架式气化器（ORV）

开架式气化器（ORV）是以水为热源的气化器，用于基本负荷型的大型气化装置。目前最大的处理能力为250t/h。气化器可在0%—100%的负荷范围内运行。

图9 开架式气化器（ORV）

（2）浸没燃烧式气化器（SCV）

浸没燃烧式气化器（SCV）是以消耗自身的天然气为热源，因而SCV 在运行成本上处于劣势。通常SCV消耗1%到2%的天然气作为燃料。因为结构简单，所以在设备投入成本方面占有优势。

图10 浸没燃烧式气化器（SCV）

（3）管壳式气化器/中间流体式气化器（STV/IFV）

STV/IFV（IFV 也是一种管壳式气化器），其优点是能选择各种热源，如：水、空气和工业废气。特别是IFV可以采用丙烷、丁烷或氟利昂等介质作为中间传热流体，这样可以改善结冰带来的影响。目前，这种气化器已经开始应用在LNG气化系统中，最大天然气处理量达150t/h。但是，如果接收站在冬季的水温度和环境温度都很低，并且附近也没有热源，那样STV/IFV 就不能作为接收站的备用气化器。下图是IFV中间流体式气化器。

图11 管壳式气化器/中间流体式气化器（STV/IFV）图11 管壳式气化器/中间流体式气化器（STV/IFV）

几种气化器的不同之处及使用情况：

表2 各种气化器特性对比

气化器形式ORVSCVIFVSTV中间介质-水丙烷丙烷或醇类液体加热介质水燃料气水空气/水/燃料气工艺流程简单简单较复杂复杂设备结构简单简单较复杂组合、复杂运行控制简单简单简单较复杂占地较少最少较少较大使用情况广泛使用多用于调峰日本用于能量回收有20套用于能量回收有5套

目前LNG接收站气化器进口厂家主要有：日本神户制钢（Kobelco）、日本东京燃气（Tokyo Gas）和日本住友（Sumitomo）等；国内中海石油气电集团有限公司与江苏中圣高科技产业有限公司联合自主研制的ORV气化器通过了由中国石油和化学工业联合会组织的科技成果鉴定，该成果创新性强，填补了国内空白，总体达到国际先进水平。该成果已成功应用于中海油海南LNG接收站、中石化北海LNG接收站，实现国内工业化应用。

（来源：中国能建湖南院 副总工程师 李学军）