Рекуперация холода СПГ

Холод, который продолжают тратить впустую

Сжиженный природный газ поступает в импортные терминалы при температуре около −162 °C. Это колоссальный запас холода — хладоэнергия, полученная за счёт значительной работы сжатия на стадии сжижения. Однако подавляющее большинство терминалов СПГ просто испаряют жидкость, используя морскую воду или воздух окружающей среды в качестве нагревателей, безвозвратно отдавая этот холод в окружающую среду. Нередко такие объекты рассматривают эту энергию исключительно как побочный продукт, подлежащий утилизации, хотя на самом деле она представляет собой один из наиболее недоиспользуемых энергетических потоков во всём секторе промышленных газов.

Цифры рассказывают яркую историю. Типичный крупномасштабный терминал по приёму СПГ, перерабатывающий несколько миллионов тонн в год, выделяет холодовую энергию, эквивалентную десяткам мегаватт мощности генерации. Эта энергия достаётся недёшево: процесс сжижения потребляет примерно 8–10 % подаваемого природного газа в качестве паразитной нагрузки. Простое рассеяние этого холода с точки зрения эксергии означает упущенную выгоду.

Почему холодовая энергия СПГ столь ценна

Криогенные температуры дорогостоящи в получении. Процессы разделения воздуха, производства этилена, холодильного хранения и даже охлаждения центров обработки данных требуют хладоснабжения на различных температурных уровнях. Регазификация СПГ предоставляет готовый криогенный «сток», который может напрямую обслуживать эти процессы.

Профиль температуры имеет значение. По мере того как СПГ нагревается от −162 °C до температуры окружающей среды, он может обеспечивать несколько каскадных применений в различных температурных диапазонах. Самый низкий уровень холода — ниже −100 °C — идеально подходит для криогенной сепарации воздуха, в ходе которой кислород, азот и аргон производятся в жидком виде. Промежуточные температуры около −50–80 °C могут использоваться для приведения в действие органических циклов Ренкина для выработки электроэнергии или для поддержки холодильных складов. Более тёплое извлечение тепла при температуре около 0 °C подходит для кондиционирования воздуха в зданиях или технологического охлаждения в промышленности.

Техническая сложность заключается в согласовании температурного глида процесса регазификации с тепловыми требованиями последующих потребителей. Теплообменники должны обеспечивать работу с двухфазным потоком, значительными перепадами температур, а также предотвращать замерзание влаги или CO₂ со стороны воздушного потока. Это не тривиальные инженерные задачи, однако они хорошо изучены и решаемы при правильном проектировании.

Где рекуперация холода действительно применяется на практике

Разделение воздуха стало наиболее коммерчески привлекательным применением холода, высвобождаемого при регазификации СПГ. Требуемые температуры идеально совпадают: криогенные установки разделения воздуха (ASU) работают как раз в том температурном диапазоне, где СПГ отдаёт основную часть своей холода. Исследования показали, что интеграция линии регазификации СПГ с криогенной ASU позволяет достичь общего эксергетического КПД свыше 90 % . Удельное энергопотребление в таких интегрированных конфигурациях составляет примерно 0,022 кВт·ч на килограмм обрабатываемого воздуха — показатель, который выгодно отличается от аналогичных значений для автономных ASU.

Недавние проектные разработки свидетельствуют о растущем коммерческом интересе. Значительный проект по разделению воздуха с использованием холода СПГ недавно стартовал на крупном терминале по приёму СПГ в восточной части Китая, с суточной производственной мощностью жидких продуктов около 660 тонн завод интегрирует систему испарения СПГ непосредственно с холодильным блоком воздушно-разделительной установки, используя холод регазификации для ожижения кислорода, азота и аргона без дополнительного холодильного сжатия. Капитальные затраты на такую интеграцию составляют сотни миллионов юаней, однако эксплуатационные преимущества по сравнению с традиционными ВРУ существенны.

Помимо воздушно-разделительных установок, рекуперация холода получила распространение в энергетике. Системы органического цикла Ренкина с подходящими рабочими средами способны преобразовывать низкопотенциальный холод в электрическую энергию. В одном из проектов каскадного использования недавно сообщили о годовой выработке электроэнергии 26 млн кВт·ч исключительно за счёт холода СПГ. Экономическая эффективность таких систем в значительной степени зависит от цен на электроэнергию и наличия источника тепла для нижнего цикла ОРЦ, однако в подходящих условиях срок окупаемости этих систем является разумным.

Проверка операционной реальности

Любое честное обсуждение использования холода при регазификации СПГ должно учитывать практические ограничения. Не каждый терминал подходит для этой цели. Экономическая целесообразность достигается только при наличии стабильного, базового спроса на холод — установки разделения воздуха не могут включаться и выключаться в такт колебаниям объёмов регазификации СПГ. Терминалы, работающие как пиковые объекты с сильно изменяющимися темпами регазификации, создают значительные трудности при интеграции.

Существуют также технические пределы того, сколько холода можно практически извлечь. Загрязнение теплообменников, особенно со стороны воздушного потока, где влага может замёрзнуть, требует тщательного контроля процесса. Перепад давления в линии извлечения холода увеличивает работу насосов СПГ. Кроме того, сама интеграция усложняет эксплуатацию терминала — что вполне понятно вызывает осторожность у операторов.

В приведённой выше таблице отражено фундаментальное компромиссное решение. Интеграция обеспечивает реальные преимущества с точки зрения эксплуатационных затрат, однако ценой гибкости размещения и операционной независимости. Для терминалов со стабильным и предсказуемым графиком отгрузки — как правило, тех, которые обслуживают крупных промышленных потребителей или энергоснабжающие организации с базовой нагрузкой — такое решение выглядит убедительно. Для пиковых терминалов — менее убедительно.

Случай из практики, заслуживающий внимания

Проект в Юго-Восточной Азии иллюстрирует как потенциал, так и подводные камни. Рассматриваемый терминал обеспечивал относительно стабильную отгрузку порядка 30 миллионов стандартных кубических футов в сутки, обслуживая группу промышленных потребителей. Команда проекта проанализировала несколько вариантов использования холода и в итоге выбрала двухступенчатый подход: глубокий холод направлялся на смежный воздухоразделительный агрегат (ASU) для производства жидкого кислорода и азота, а промежуточный холод — в систему централизованного охлаждения, обслуживающую расположенные поблизости коммерческие здания.

Интеграция АСУ работала так, как и было задумано, обеспечивая получение жидких продуктов с чистотой, соответствующей промышленным стандартам. Однако в части централизованного охлаждения возникли проблемы. Температурный градиент при регазификации СПГ не совпадал с профилем нагрузки на охлаждение так точно, как предсказывали первоначальные модели. Для устранения этих расхождений проекту потребовалось дополнительное буферное хранилище и вторичный контур хладагента. Вывод был очевиден: рекуперация холода выглядит превосходно на тепловом балансе, однако сложности кроются в динамическом согласовании предложения и спроса.

Куда движется отрасль

Регуляторная среда меняется в пользу рекуперации холода. Механизмы ценообразования на выбросы углерода и требования к энергоэффективности делают рекуперацию тепла и холода более привлекательной с точки зрения соблюдения нормативов. Международное энергетическое агентство подчеркнуло роль мер по повышению эффективности на всех этапах цепочки создания стоимости СПГ для снижения общего показателя интенсивности выбросов. Рекуперация холода напрямую не снижает выбросы CO₂ из дымовой трубы, но она замещает потребление электроэнергии, которое в противном случае осуществлялось бы за счёт электросети — а во многих регионах эта сетевая электроэнергия по-прежнему вырабатывается на основе ископаемого топлива.

Производители оборудования отреагировали расширением стандартизированных предложений. Стационарные модульные установки рекуперации холода с заранее спроектированными блоками теплообменников и системами управления становятся всё более доступными, что снижает инженерную нагрузку на операторов терминалов. Технология переходит от уникальных проектных решений к более модульным и типовым конструкциям.

Одной из перспективных областей, заслуживающих внимания, является интеграция холодного восстановления с улавливанием углерода. В некоторых недавних предложениях объединяются использование холода при регазификации СПГ и цикл Аллама — процесс сжигания в кислородной атмосфере, в результате которого образуется чистый поток CO₂, пригодный для захоронения. холод, выделяющийся при регазификации СПГ, может использоваться для разделения воздуха с целью получения кислорода, а также способствовать сжижению CO₂ для транспортировки. Синергетический эффект реален, хотя такие системы сложны и требуют значительных капитальных вложений.

Операторам, рассматривающим возможность холодного восстановления, следует начать с объективной оценки профиля отгрузки, местного энергетического рынка и наличия подходящих потребителей холода. Не на всех площадках проект окажется экономически целесообразным. Однако там, где это возможно, преимущества в эксплуатационных затратах и экологические выгоды создают убедительные аргументы в пользу реализации.

Такие компании, как GreenFir, зарекомендовали себя в поставке криогенного технологического оборудования, поддерживающего эти стратегии интеграции. Наличие сертификатов ASME и CE, а также глобальный портфель проектов, охватывающий несколько континентов, свидетельствуют о наличии производственных возможностей и систем контроля качества, необходимых для поддержки следующего этапа установок холодного восстановления. инженерные компетенции уже имеются; вопрос заключается в том, совпадут ли экономические показатели проектов и регуляторное давление, чтобы стимулировать более широкое внедрение.