空分装置利用气瓶汽化器缓冲罐冷量的热力学分析（一）

摘要:简介了lng冷量用于空分装置的实际例子及其节能效果;从空分装置液化率改变和压力改变两方面对利用气瓶汽化器缓冲罐冷量的空分装置进行了热力学分析;最后指出,空分装置利用lng冷量可达到多产液体、节省投资和运行费用的效果。

1 lng在我国的应用前景

近年来,我国天然气探明储量大幅增长,累计探明天然气储量超过3×1012m3,其中/九五0期间平均年新增探明储量230.9×109m3。同时,我国天然气的产量也在稳步增长,2001年达到外供气量约2815×109m3。根据/十五0规划,我国天然气产量发展目标为2005年达到(50~55)×109m3。与此同时,一批长距离气瓶汽化器缓冲罐输气管道正在建设或即将开工,成为连接产地和市场的纽带,/西气东输0则是其中最重大的工程。预计2010年,天然气在能源总需求构成中的比重约为6%,需求量将达到90×109m3。2020年需求量将达到200×109m3。

可以看出,虽然我国天然气产量在今后会有较快增长,但相对需求的增长仍有一定距离。尤其是我国能源生产和消费的地理布局处于不平衡的状况,东南沿海经济发达地区的一次能源生产量与消费量不成比例,该地区的能源供需矛盾十分突出。根据我国能源分布和消费的现状,在沿海发达地区率先使用进口液化天然气(lng),将有效缓解该地区能源供需矛盾,优化能源消费结构,解决日趋严重的环境污染问题。

世界液化天然气工业历经几十年的发展,现已相当成熟。自1980年以来,世界lng贸易量每年以平均8%的速度增长,现已占世界天然气总贸易量的25% (在20世纪70年代只占5%)。1998年世界lng贸易量为92×109m3,到2000年lng贸易量已达134×109m3(见图1)[1]。技术的成熟和贸易的发达已使lng价格降至合理的水平。目前,日本、韩国、美国等均进口大量的lng。因此,无论从多气源保障能源安全还是从经济性方面出发,同时考虑国产、进口气态天然气(主要从俄罗斯)和进口液化天然气应该是合理的。

在深圳,我国第一座lng接收终端项目即将开工建设。该项目将从2005年开始每年向中国提供3×106t (约412×109m3) lng。在福建莆田,另一个lng接收终端项目也已确定。在浙江北部沿海建设一座lng接收终端的项目也在积极论证。此外,上海东海天然气调峰液化装置和中原油田天然气液化项目的顺利建成投产标志着我国工业化天然气液化装置的起步。可以预期, lng相关工业在我国将迎来一个快速发展的时期。

2 lng冷能及其利用

lng是天然气经过脱酸、脱水处理,通过低温工艺冷冻液化而成的低温(-162℃)液体混合物。生产lng的动力及公用设施耗电量约为850kwh/t。而在lng接收站,一般又需将lng通过汽化器汽化后使用,汽化时放出很大冷量,其值大约为830kj/kg (包括lng的汽化潜热和气态天然气从储存温度复温到环境温度的显热)。这部分冷能通常在天然气汽化器中随海水或空气被舍弃,造成能源的浪费。为此,通过特定工艺技术利用lng冷能,可以达到节省能源、提高经济效益的目的。国外已对lng冷能的应用展开了广泛研究,并在低温发电、冷冻食品及空气液化等方面达到实用化程度,经济效益和社会效益非常明显。

lng是以甲烷为主,包括氮、乙烷、丙烷等组分的低温液体混合物,与外界环境存在着温度差和压力差。其冷能即为lng变化到与外界平衡的状态时所能获得的能量,所以采用的概念可以对lng的冷能进行评价[2]。lng的冷能ex可分为压力p下由热不平衡引起的低温ext和环境温度下由压力不平衡引起的压力exp。本文主要讨论低温。

设lng为在温度ts下处于平衡状态的两相物质,汽化潜热为r,则其低温ext为:

式中:cp为比热容。

lng的用途不同,低温和压力不同,回收途径也不同。通常,用作管道燃气时,天然气的输送压力较高(2~10mpa),压力大,低温相对较小,可以有效利用其压力。而供给电厂发电用的液化天然气,汽化压力较低(015~110mpa),所以压力小,低温大,可以充分利用其低温。lng冷能的应用要根据lng的具体用途,结合特定的工艺流程有效回收lng冷能。

天然气燃烧热值高、污染少,用于发电避免了燃煤电厂原煤的运输以及环境污染问题,尤其是用于调峰发电,可快上快下,灵活性大。lng燃气轮机联合循环发电是一种新型发电技术,天然气燃烧驱动燃气透平发电,燃气透平排出的大量高温废气进入余热锅炉回收热量,产生蒸汽驱动蒸汽透平发电,该循环热效率高达55%。而蒸汽轮机和燃气轮机发电的热效率仅分别为38%~41%和35%[3]。综合利用lng的冷能与燃气轮机联合循环中的废热,可以有效提高燃气轮机联合循环的热效率。lng的冷能直接用于发电时,压力的利用可采用天然气直接膨胀方式,低温的利用则采用低沸点工质的郎肯动力循环。