空分裝置利用氣瓶汽化器緩沖罐冷量的熱力學分析（一）

摘要:簡介了lng冷量用于空分裝置的實際例子及其節能效果;從空分裝置液化率改變和壓力改變兩方面對利用氣瓶汽化器緩沖罐冷量的空分裝置進行了熱力學分析;最后指出,空分裝置利用lng冷量可達到多產液體、節省投資和運行費用的效果。

1 lng在我國的應用前景

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

可以看出,雖然我國天然氣產量在今后會有較快增長,但相對需求的增長仍有一定距離。尤其是我國能源生產和消費的地理布局處于不平衡的狀況,東南沿海經濟發達地區的一次能源生產量與消費量不成比例,該地區的能源供需矛盾十分突出。根據我國能源分布和消費的現狀,在沿海發達地區率先使用進口液化天然氣(lng),將有效緩解該地區能源供需矛盾,優化能源消費結構,解決日趨嚴重的環境污染問題。

世界液化天然氣工業歷經幾十年的發展,現已相當成熟。自1980年以來,世界lng貿易量每年以平均8%的速度增長,現已占世界天然氣總貿易量的25% (在20世紀70年代只占5%)。1998年世界lng貿易量為92×109m3,到2000年lng貿易量已達134×109m3(見圖1)[1]。技術的成熟和貿易的發達已使lng價格降至合理的水平。目前,日本、韓國、美國等均進口大量的lng。因此,無論從多氣源保障能源安全還是從經濟性方面出發,同時考慮國產、進口氣態天然氣(主要從俄羅斯)和進口液化天然氣應該是合理的。

在深圳,我國第一座lng接收終端項目即將開工建設。該項目將從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lng接收終端項目也已確定。在浙江北部沿海建設一座lng接收終端的項目也在積極論證。此外,上海東海天然氣調峰液化裝置和中原油田天然氣液化項目的順利建成投產標志著我國工業化天然氣液化裝置的起步?？梢灶A期, lng相關工業在我國將迎來一個快速發展的時期。

2 lng冷能及其利用

lng是天然氣經過脫酸、脫水處理,通過低溫工藝冷凍液化而成的低溫(-162℃)液體混合物。生產lng的動力及公用設施耗電量約為850kwh/t。而在lng接收站,一般又需將lng通過汽化器汽化后使用,汽化時放出很大冷量,其值大約為830kj/kg (包括lng的汽化潛熱和氣態天然氣從儲存溫度復溫到環境溫度的顯熱)。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。為此,通過特定工藝技術利用lng冷能,可以達到節省能源、提高經濟效益的目的。國外已對lng冷能的應用展開了廣泛研究,并在低溫發電、冷凍食品及空氣液化等方面達到實用化程度,經濟效益和社會效益非常明顯。

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時所能獲得的能量,所以采用的概念可以對lng的冷能進行評價[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lng為在溫度ts下處于平衡狀態的兩相物質,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,用作管道燃氣時,天然氣的輸送壓力較高(2~10mpa),壓力大,低溫相對較小,可以有效利用其壓力。而供給電廠發電用的液化天然氣,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冷能的應用要根據lng的具體用途,結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,用于發電避免了燃煤電廠原煤的運輸以及環境污染問題,尤其是用于調峰發電,可快上快下,靈活性大。lng燃氣輪機聯合循環發電是一種新型發電技術,天然氣燃燒驅動燃氣透平發電,燃氣透平排出的大量高溫廢氣進入余熱鍋爐回收熱量,產生蒸汽驅動蒸汽透平發電,該循環熱效率高達55%。而蒸汽輪機和燃氣輪機發電的熱效率僅分別為38%~41%和35%[3]。綜合利用lng的冷能與燃氣輪機聯合循環中的廢熱,可以有效提高燃氣輪機聯合循環的熱效率。lng的冷能直接用于發電時,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工質的郎肯動力循環。