Відновлення холодової енергії рідкого природного газу

Холод, що постійно втрачається

Рідкий природний газ надходить на імпортні термінали приблизно за −162 °C. Це величезний потенціал холодильної потужності — холодова енергія, отримана завдяки значним витратам роботи стиснення. Проте більшість терміналів ПСГ просто випаровують рідину за допомогою морської води або нагрівачів з навколишнім повітрям, безпосередньо звільняючи цей холод у навколишнє середовище. Нерідко об’єкти ставляться до цієї енергії як до побічного продукту, який потрібно ліквідувати, хоча насправді вона є одним із найменш використовуваних енергетичних потоків у всьому секторі промислових газів.

Цифри розповідають вразливу історію. Типовий великомасштабний термінал прийому ПЛГ, що переробляє кілька мільйонів тонн на рік, виділяє холодову енергію, еквівалентну десяткам мегаватів потужності генерації електроенергії. Ця енергія коштувала недешево — процес зрідження споживає приблизно 8–10 % природного газу як паразитне навантаження. Дозволити цьому холоду просто розсіятися — з точки зору ексергії — означає залишити гроші на столі.

Що робить холодову енергію ПЛГ такою цінною

Кріогенні температури дорого коштують у виробництві. Розділення повітря, виробництво етилену, холодильне зберігання й навіть охолодження дата-центрів потребують холодопостачання на різних рівнях температур. Регазифікація ПЛГ надає готовий кріогенний «сток», який може безпосередньо задовольняти ці потреби.

Профіль температури має значення. Під час нагрівання ПЛГ від −162 °C до навколишньої температури її можна використовувати у кількох каскадних застосуваннях у різних температурних діапазонах. Найнижчі температури — нижче −100 °C — ідеально підходять для кріогенної сепарації повітря, під час якої кисень, азот і аргон виробляються у рідкому стані. Проміжні температури близько −50 °C–−80 °C можуть живити органічні цикли Ренкіна для виробництва електроенергії або забезпечувати роботу холодильних складів. Теплове відновлення при температурах близько 0 °C підходить для кондиціонування повітря в будівлях або промислового охолодження.

Технічна складність полягає у відповідності температурного «зсуву» процесу регазифікації тепловим вимогам наступних за ним застосувань. Теплообмінники мають витримувати двофазну течію, значні температурні перепади та потенційне замерзання вологи чи CO₂ з повітряного боку. Це не тривіальні інженерні завдання, проте вони добре вивчені й розв’язуються за допомогою правильного проектування.

Де відновлення холода справді працює на практиці

Розділення повітря виникло як найбільш комерційно привабливе застосування для відновлення холоду рідкого природного газу (LNG). Вимоги до температури чудово узгоджуються: кріогенні установки розділення повітря (ASU) працюють саме в тому діапазоні температур, де LNG віддає основну частину своєї холодової енергії. Дослідження показали, що інтеграція лінії регазифікації LNG з кріогенною ASU може забезпечити загальну ексергетичну ефективність понад 90% . Питоме енергоспоживання в таких інтегрованих конфігураціях становить приблизно 0,022 кВт·год на кілограм переробленого повітря — значення, що є вигідним порівняно з окремо працюючими ASU.

Останні проєктні розробки відображають зростаючий комерційний інтерес. Нещодавно було розпочато будівництво значного проєкту розділення повітря з використанням холодової енергії LNG на великому терміналі прийому на сході Китаю, з добовою потужністю виробництва рідини приблизно 660 тонн завод інтегрує систему випаровування рідкого природного газу (LNG) безпосередньо з холодильною камерою повітряної розділювальної установки, використовуючи холод від регазифікації для зрідження кисню, азоту та аргону без додаткового холодильного стиснення. Капітальні інвестиції в таку інтеграцію сягають сотень мільйонів юанів, однак експлуатаційна вигода порівняно з традиційними повітряними розділювальними установками є значною.

Крім повітряного розділення, відновлення холоду знайшло застосування у виробництві електроенергії. Системи органічного циклу Ренкіна (ORC), що використовують відповідні робочі речовини, можуть перетворювати низькопотенційний холод на електричну енергію. У недавньому проекті каскадного використання повідомлялося про щорічне виробництво 26 млн кВт·год електроенергії лише за рахунок холодової енергії LNG. Економічна вигода залежить насамперед від ціни на електроенергію та наявності джерела тепла для нижнього циклу ORC, однак у відповідних умовах такі системи окуповуються в розумні терміни.

Операційна перевірка реальності

Будь-яке чесне обговорення відновлення холоду з ПГЗ має враховувати практичні обмеження. Не кожен термінал підходить для цього. Економічна доцільність реалізується лише за умови стабільного, базового попиту на холод — установки повітряного розділення не можуть включатися й вимикатися відповідно до коливань обсягів вивезення ПГЗ. Термінали, що працюють як пікові потужності з високою змінністю темпів регазифікації, створюють значні труднощі інтеграції.

Існують також технічні межі того, скільки холоду можна практично відновити. Забруднення теплообмінників, особливо з боку повітря, де волога може замерзати, вимагає ретельного контролю процесу. Перепад тиску в ланцюзі відновлення холоду збільшує роботу насосів ПГЗ. Крім того, сама інтеграція ускладнює експлуатацію терміналу — що цілком зрозуміло для експлуатантів.

Наведена вище таблиця відображає фундаментальний компроміс. Інтеграція забезпечує справжні переваги у витратах на експлуатацію, але це коштує гнучкості щодо розміщення та експлуатаційної незалежності. Для терміналів із стабільними, передбачуваними графіками вивезення — зазвичай тих, що обслуговують великих промислових споживачів або комунальні підприємства з постійним навантаженням — такий підхід є переконливим. Для пікових терміналів — менш переконливим.

Політова справа, яку варто розглянути

Проект у Південно-Східній Азії ілюструє як потенціал, так і ризики. Термінал, про який йде мова, мав порівняно стабільне вивезення близько 30 млн кубічних футів на добу й обслуговував групу промислових споживачів. Група проекту оцінила кілька шляхів використання холоду й у підсумку обрала двоступеневий підхід: глибокий холод для суміжного повітряно-роздільного агрегату (ASU) з метою виробництва рідкого кисню та азоту й проміжний холод для системи централізованого охолодження, що обслуговує сусідні комерційні будівлі.

Інтеграція АСУ працювала так, як було задумано, забезпечуючи рідкі продукти з чистотою, що відповідає промисловим стандартам. Однак у частині районного охолодження виникли проблеми. Температурний діапазон регазифікації ПГЗ не відповідав профілю навантаження на охолодження так точно, як передбачали початкові моделі. Для проекту знадобилося додаткове буферне сховище та вторинний контур хладоагенту, щоб згладити ці невідповідності. Висновок був простим: рекуперація холоду виглядає чудово на діаграмі теплового балансу, але справжні труднощі полягають у динамічному узгодженні пропозиції й попиту.

Куди йде галузь

Регуляторне середовище змінюється на користь відновлення холоду. Механізми ціноутворення на вуглець та вимоги щодо енергоефективності роблять відновлення відпрацьованого тепла й холоду більш привабливим з точки зору відповідності нормативним вимогам. Міжнародне енергетичне агентство наголосило роль заходів щодо підвищення ефективності на всьому ланцюзі постачання РПГ у зменшенні загальної інтенсивності викидів. Відновлення холоду безпосередньо не зменшує викиди CO₂ у димовій трубі, але воно заміщує споживання електроенергії, яку інакше було б отримано з електромережі — а в багатьох регіонах ця електромережа досі працює на викопному паливі.

Виробники обладнання відреагували створенням більш стандартизованих пропозицій. Усе частіше доступні блок-модульні установки для відновлення холоду з наперед спроектованими каскадами теплообмінників та системами керування, що зменшує інженерне навантаження на операторів терміналів. Технологія переходить від індивідуально спроектованих рішень до більш модульних, повторюваних конструкцій.

Одна з областей, яку варто стежити, — це інтеграція відновлення холоду з уловлюванням вуглецю. У деяких останніх пропозиціях поєднують використання холодової енергії РПГ із циклом Аллама — процесом спалювання в окисному середовищі, що виробляє чистий потік CO₂, придатний для захоронення. холод від регазифікації РПГ може забезпечувати розділення повітря для виробництва кисню, а також сприяти ліквідації CO₂ для транспортування. Синергійні ефекти є реальними, хоча системи складні й капіталоємні.

Для операторів, що оцінюють відновлення холоду, початковою точкою має бути чесна оцінка профілю відпуску, місцевого ринку енергії та наявності підходящих споживачів холоду. Не кожне місце буде економічно вигідним. Але для тих, що є, переваги у витратах на експлуатацію й екологічні переваги створюють переконливий аргумент.

Компанії, такі як GreenFir, створили репутацію у постачанні кріогенного технологічного обладнання, що підтримує ці стратегії інтеграції. Маючи сертифікати ASME та CE й глобальний портфель проектів, що охоплює кілька континентів, вони володіють виробничими потужностями та системами контролю якості, необхідними для підтримки наступної хвилі встановлень систем холодного відновлення. інженерні знання наявні; питання полягає в тому, чи економіка проектів та регуляторний тиск зійдуться, щоб сприяти ширшому впровадженню.