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摘 要 液化天然气不断扩大的使用规模，促进了液化天然气冷能利用的发展。本文较详细地论述了天然气冷能在发电、空气分离、梯级利用等几方面的利用技术，探讨了液化天然气冷能梯级利用的方法。
关键词 冷能；液化天然气；梯级利用
中图分类号：TE83 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）17-0100-01
在液化天然气接收站，一般要采用汽化器将天然气进行汽化应用，在汽化过程中会产生大量冷量，因此，液化天然气的冷量利用具有非常大的潜力，可广泛用于空气分离、发电、海水淡化、低温养殖等多个领域。
1 液化天然气冷能利用原理
液化天然气同周围环境之间由于具有压力差与温度差，液化天然气从低温高压状态向常温常压状态进行转化过程中，回收储存液化天然气的能量就可实现冷能的利用。液化天然气经过可逆过程后，与环境从初态达到平衡态时，通过稳定系统能量流动方程可求得液化天然气完成时的最大有用功，液化天然气冷量火用包含压力火用与温度火用两部分，液化天然气冷量火用的大小与环境温度、系统压力、其组成成分具有密切关系。液化天然气压力、低温及总冷量火用与环境温度成正比例关系，低温火用与其系统压力也成成比例关系。液化天然气冷量火用与混合物比例及成分都具有重要关系，其总冷量火与甲烷摩尔分数具有正比例关系。
2 液化天然气冷能利用
2.1 用于分离空气
由上述分析的液化天然气冷量火用原理可以看出，低温火用与远离环境温度具有中比例关系，利用液化天然气低温条件下的冷量，能够充分利用低温火用。由于分离空气设备中需要的温度比液化天然气温度要低，可以将液化天然气冷能用于分离空气，液化空气在低温中可分离为氮气、氧气、氩气等成分，可明显降低能耗，分离空气流程得以简化，使液化天然气的汽化费用降低。
液化天然气冷量可通过高压氮流体传输至低温分离空气设备中，氮流体和液化天然气分别作为载冷剂和制冷剂，液化天然气冷量能凝结为高压氮流体，将其进行节流后可转化为含有液体氮的湿蒸汽，再分离后就形成液体氮。
2.2 用于轻烃分离
目前，由于国内进口的液化天然气中C2、C3烃及极少量C4烃含5%-10%的摩尔分数，应用轻烃分离技术可调整液化天然气的热值，便于统一国内各种气源热值，建立质量统一标准。C2+轻烃作为一种高附加值产品，应用领域众多。有关研究显示，用于C2+分离与深冷分离制乙烯装置中的裂解产物，已成为利用液化天然气冷能的重要途径之一。
2.3 用于发电
国际上目前已建有多个燃气蒸汽联合循环电站都是以液化天然气作为燃料，液化天然气冷能主要有三种回收方式，而依靠动力循环进行发电技术较为成熟，目前已成为液化天然气冷能回收利用中的一个最重要用途。
2.3.1 直接膨胀法
该方法通过高压天然气膨胀实现循环发电，它的循环过程比较简单，不需要复杂的设备。只是没有充分利用液化天然气的低温冷量，致使对外做功不多。每吨液化天然气的冷能可产生20千瓦时的电能。
2.3.2 二次媒体法
这是一种包括冷凝、升压、蒸发、膨胀四个过程的中间载热体朗肯循环流程，利用液化天然气冷量使蒸汽低压冷凝转化为液体进行循环冷凝，利用海水等当作热源而蒸发载热剂。利用效率高于直接膨胀法，只是不能充分利用高于冷凝温度的天然气冷能，使其回收效率受到一定的限制。
2.3.3 联合法
联合法优化了上述两种方法的流程，能够使液化天然气得到压缩后压力得以提高，二次媒体在冷凝器带动下其具有的蒸汽动能循环对外进行做功，能使液化天然气冷能得到较充分地利用，每吨发电量可达到45千瓦时。
2.4 用于冷冻冷藏
传统冷库通过压缩机制冷器件才能维持冷库的低温，若冷库冷源利用液化天然气冷量，载冷剂冷却至较低温度，其循环能够将冷库保持较低温度，这样制冷系统就得到简化，使电耗明显降低。日本的很多冷库都是采用天然气冷能实现超低温，将温度不同的食品冻结及冷库中各类相关装置等连在一起，实现冷媒管路的系统化。在串联方式下工作，在不同温度情况下的液化天然气，其管路行程可采用各种冷媒通过热交换作用传输到各类冷库中。由于其具有较高的冷能利用率，能够较机械制冷方式降低37.5%左右的成本。
2.5 液化天然气冷能的梯级利用
如果将液化天然气冷能用在不需如此低温的行业中，就会在大温差换热过程中损失大量火用，根据热力学原理能够得到，绝热体系中，高低温物体在接触过程中，高温物体可将热量向低温物体进行传递。
液化天然气冷能的利用过程中，高低温物体的温度都很低。二者之积更小，会导致系统火用损失的加剧，为减小其火用损失，就要利用相对较小的传热温差，而最好的解决办法就是梯级利用。
在液化天然气冷能利用上，有许多研究人员提出梯级利用方法，本文在这里对此方案进行探讨，在实际应用中，要综合考虑安全性、经济性、稳定性等多种因素。
1）该方法能够用于分离空气，由于大多情况下该工艺的温度在零下150℃到零下191℃之间，与液化天然气-162℃的气化温度具有较小的温差，液化天然气通过空气分离装置换热后可保持温度在零下100℃左右。
2）该方法也能用在固体二氧化碳，也就是干冰的制取上，其温度是零下78.5 ℃，与液化天然气通过空气分离装置换热后保持的零下100℃温度较接近，同时干冰还能使物体快速冷冻和迅速降温，溶解过程不经过液态，而是直接升华形成气态，这样在融化过程中就不会出现任何液体。
3）该方法还能用于设计多级冷库，在干冰制取过程实现后，其温度还是比环境温度低很多，就可以将此冷量用于冷库中，根据冷库用途的不同可设计不同的温度，相同冷库也可以有温度不同的冷间，此方案可操作性强，在具体应用设计过程中要结合冷间的不同而对温度进行不同设计，进而使液化天然气冷能利用得到优化。
3 总结
众所周知，液化天然气冷能利用是目前的一个研究热点，众多专家及技术人员开展了大量的相关研究工作，并取得较为重要的进展，也促进了冷能利用在众多领域的广泛应用。虽然一些研究成果探讨了不同方面的冷能利用，但是对于冷能的逐级和充分利用还研究的不够深入，有待于研究出更为实用的成果。在实际应用过程中，要结合具体方案对于安全可靠性与经济合理性进行综合考虑，尽可能按照梯级利用总能的原则，提出液化天然气冷能的梯级利用方案。
参考文献
[1]葛轶群，章学来，赵兰，等.LNG冷能的梯级利用[J].制冷技术，2009（3）.
[2]王坤，顾安忠，鲁雪生，等.LNG冷能利用技术及经济分析[J].天然气工业，2010（24）.
[3]陈则韶，程文龙，胡芃，等.一种利用LNG冷能的空气分离装置新流程[J].工程热物理学报，2004（10）.
[4]金滔，胡建军，陈国邦，等.利用液化天然气冷能的新型空分流程及其性能[J].2008（4）.
关键词 冷能；液化天然气；梯级利用
中图分类号：TE83 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）17-0100-01
在液化天然气接收站，一般要采用汽化器将天然气进行汽化应用，在汽化过程中会产生大量冷量，因此，液化天然气的冷量利用具有非常大的潜力，可广泛用于空气分离、发电、海水淡化、低温养殖等多个领域。
1 液化天然气冷能利用原理
液化天然气同周围环境之间由于具有压力差与温度差，液化天然气从低温高压状态向常温常压状态进行转化过程中，回收储存液化天然气的能量就可实现冷能的利用。液化天然气经过可逆过程后，与环境从初态达到平衡态时，通过稳定系统能量流动方程可求得液化天然气完成时的最大有用功，液化天然气冷量火用包含压力火用与温度火用两部分，液化天然气冷量火用的大小与环境温度、系统压力、其组成成分具有密切关系。液化天然气压力、低温及总冷量火用与环境温度成正比例关系，低温火用与其系统压力也成成比例关系。液化天然气冷量火用与混合物比例及成分都具有重要关系，其总冷量火与甲烷摩尔分数具有正比例关系。
2 液化天然气冷能利用
2.1 用于分离空气
由上述分析的液化天然气冷量火用原理可以看出，低温火用与远离环境温度具有中比例关系，利用液化天然气低温条件下的冷量，能够充分利用低温火用。由于分离空气设备中需要的温度比液化天然气温度要低，可以将液化天然气冷能用于分离空气，液化空气在低温中可分离为氮气、氧气、氩气等成分，可明显降低能耗，分离空气流程得以简化，使液化天然气的汽化费用降低。
液化天然气冷量可通过高压氮流体传输至低温分离空气设备中，氮流体和液化天然气分别作为载冷剂和制冷剂，液化天然气冷量能凝结为高压氮流体，将其进行节流后可转化为含有液体氮的湿蒸汽，再分离后就形成液体氮。
2.2 用于轻烃分离
目前，由于国内进口的液化天然气中C2、C3烃及极少量C4烃含5%-10%的摩尔分数，应用轻烃分离技术可调整液化天然气的热值，便于统一国内各种气源热值，建立质量统一标准。C2+轻烃作为一种高附加值产品，应用领域众多。有关研究显示，用于C2+分离与深冷分离制乙烯装置中的裂解产物，已成为利用液化天然气冷能的重要途径之一。
2.3 用于发电
国际上目前已建有多个燃气蒸汽联合循环电站都是以液化天然气作为燃料，液化天然气冷能主要有三种回收方式，而依靠动力循环进行发电技术较为成熟，目前已成为液化天然气冷能回收利用中的一个最重要用途。
2.3.1 直接膨胀法
该方法通过高压天然气膨胀实现循环发电，它的循环过程比较简单，不需要复杂的设备。只是没有充分利用液化天然气的低温冷量，致使对外做功不多。每吨液化天然气的冷能可产生20千瓦时的电能。
2.3.2 二次媒体法
这是一种包括冷凝、升压、蒸发、膨胀四个过程的中间载热体朗肯循环流程，利用液化天然气冷量使蒸汽低压冷凝转化为液体进行循环冷凝，利用海水等当作热源而蒸发载热剂。利用效率高于直接膨胀法，只是不能充分利用高于冷凝温度的天然气冷能，使其回收效率受到一定的限制。
2.3.3 联合法
联合法优化了上述两种方法的流程，能够使液化天然气得到压缩后压力得以提高，二次媒体在冷凝器带动下其具有的蒸汽动能循环对外进行做功，能使液化天然气冷能得到较充分地利用，每吨发电量可达到45千瓦时。
2.4 用于冷冻冷藏
传统冷库通过压缩机制冷器件才能维持冷库的低温，若冷库冷源利用液化天然气冷量，载冷剂冷却至较低温度，其循环能够将冷库保持较低温度，这样制冷系统就得到简化，使电耗明显降低。日本的很多冷库都是采用天然气冷能实现超低温，将温度不同的食品冻结及冷库中各类相关装置等连在一起，实现冷媒管路的系统化。在串联方式下工作，在不同温度情况下的液化天然气，其管路行程可采用各种冷媒通过热交换作用传输到各类冷库中。由于其具有较高的冷能利用率，能够较机械制冷方式降低37.5%左右的成本。
2.5 液化天然气冷能的梯级利用
如果将液化天然气冷能用在不需如此低温的行业中，就会在大温差换热过程中损失大量火用，根据热力学原理能够得到，绝热体系中，高低温物体在接触过程中，高温物体可将热量向低温物体进行传递。
液化天然气冷能的利用过程中，高低温物体的温度都很低。二者之积更小，会导致系统火用损失的加剧，为减小其火用损失，就要利用相对较小的传热温差，而最好的解决办法就是梯级利用。
在液化天然气冷能利用上，有许多研究人员提出梯级利用方法，本文在这里对此方案进行探讨，在实际应用中，要综合考虑安全性、经济性、稳定性等多种因素。
1）该方法能够用于分离空气，由于大多情况下该工艺的温度在零下150℃到零下191℃之间，与液化天然气-162℃的气化温度具有较小的温差，液化天然气通过空气分离装置换热后可保持温度在零下100℃左右。
2）该方法也能用在固体二氧化碳，也就是干冰的制取上，其温度是零下78.5 ℃，与液化天然气通过空气分离装置换热后保持的零下100℃温度较接近，同时干冰还能使物体快速冷冻和迅速降温，溶解过程不经过液态，而是直接升华形成气态，这样在融化过程中就不会出现任何液体。
3）该方法还能用于设计多级冷库，在干冰制取过程实现后，其温度还是比环境温度低很多，就可以将此冷量用于冷库中，根据冷库用途的不同可设计不同的温度，相同冷库也可以有温度不同的冷间，此方案可操作性强，在具体应用设计过程中要结合冷间的不同而对温度进行不同设计，进而使液化天然气冷能利用得到优化。
3 总结
众所周知，液化天然气冷能利用是目前的一个研究热点，众多专家及技术人员开展了大量的相关研究工作，并取得较为重要的进展，也促进了冷能利用在众多领域的广泛应用。虽然一些研究成果探讨了不同方面的冷能利用，但是对于冷能的逐级和充分利用还研究的不够深入，有待于研究出更为实用的成果。在实际应用过程中，要结合具体方案对于安全可靠性与经济合理性进行综合考虑，尽可能按照梯级利用总能的原则，提出液化天然气冷能的梯级利用方案。
参考文献
[1]葛轶群，章学来，赵兰，等.LNG冷能的梯级利用[J].制冷技术，2009（3）.
[2]王坤，顾安忠，鲁雪生，等.LNG冷能利用技术及经济分析[J].天然气工业，2010（24）.
[3]陈则韶，程文龙，胡芃，等.一种利用LNG冷能的空气分离装置新流程[J].工程热物理学报，2004（10）.
[4]金滔，胡建军，陈国邦，等.利用液化天然气冷能的新型空分流程及其性能[J].2008（4）.