LNG接收站空壓制氮系統(tǒng)聯(lián)合設(shè)計(jì)

鄭志功， 仇德朋

(1.福建工程學(xué)院 生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院， 福建 福州 350118；2.中海油山東化學(xué)工程有限公司， 山東 濟(jì)南 250101)

LNG接收站空壓制氮系統(tǒng)聯(lián)合設(shè)計(jì)

鄭志功1， 仇德朋2

(1.福建工程學(xué)院 生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)學(xué)院， 福建 福州 350118；2.中海油山東化學(xué)工程有限公司， 山東 濟(jì)南 250101)

將LNG接收站中空壓系統(tǒng)和制氮系統(tǒng)聯(lián)合設(shè)計(jì)，由3臺(tái)空壓機(jī)(2開1備)向整個(gè)系統(tǒng)供氣，3臺(tái)空壓機(jī)均采用無油螺桿空壓機(jī)，其中1臺(tái)常開空壓機(jī)采用變頻技術(shù)。通過流程優(yōu)化及采用新技術(shù)，聯(lián)合設(shè)計(jì)不僅能提高整個(gè)空壓制氮系統(tǒng)的安全性，設(shè)備易于維修和保養(yǎng)，而且降低設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用。

聯(lián)合設(shè)計(jì); 變頻空壓機(jī); 無油螺桿空壓機(jī); 運(yùn)行費(fèi)用

空壓系統(tǒng)和制氮系統(tǒng)是LNG接收站重要的輔助工程系統(tǒng)[1]。空壓系統(tǒng)主要為全廠提供儀表空氣和工廠空氣，其中儀表空氣供各閥門、執(zhí)行器等使用，工廠空氣供吹掃等所用[2]；制氮系統(tǒng)主要為全廠提供氮?dú)赓Y源，為卸料臂、裝車臂等吹掃、排凈所用[3]，在大多數(shù)的LNG接收站設(shè)計(jì)中，空壓系統(tǒng)和制氮系統(tǒng)均為相互并行的兩個(gè)系統(tǒng)。

在廣東某LNG接收站設(shè)計(jì)中，將空壓系統(tǒng)和制氮系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，并采用最新的變頻電機(jī)和無油螺桿壓縮機(jī)技術(shù)，為全廠提供更加穩(wěn)定和高品質(zhì)的壓縮空氣和氮?dú)?，提高全廠供氣安全性。以下擬從工藝流程設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用等幾個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，探討其工藝可行性及優(yōu)勢。

1 設(shè)計(jì)背景

該LNG接收站項(xiàng)目，空壓系統(tǒng)需壓縮空氣730 N·m3/h、壓縮空氣壓力1.0 MPa(其中工廠空氣需200 N·m3/h，儀表空氣需530 N·m3/h)；氮?dú)庀到y(tǒng)需提供氮?dú)?90 N·m3/h、壓縮空氣壓力0.8 MPa，采用膜制氮方式制取(液氮儲(chǔ)罐供氣作為備用)，需壓縮空氣用量550 N·m3/h、壓縮空氣壓力1.0 MPa，兩者合并后共需壓縮空氣1 080 N·m3/h-1、壓縮空氣壓力1.0 MPa。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 現(xiàn)有空壓站設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

LNG接收站現(xiàn)有的空壓系統(tǒng)和制氮系統(tǒng)流程(方案1)如圖1、2所示。

圖1 空壓系統(tǒng)工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of air compressor system

圖2 制氮系統(tǒng)工藝流程圖 Fig.2 Process flow diagram of nitrogen generation system

從圖1可知，空壓系統(tǒng)需要兩臺(tái)空壓機(jī)(1開1備)，向系統(tǒng)提供壓縮空氣，分為兩個(gè)分支，其中1支經(jīng)濕空氣儲(chǔ)罐緩沖后進(jìn)入工廠空氣管網(wǎng)，另1支經(jīng)空氣干燥成套包干燥、儀表空氣儲(chǔ)罐緩沖后進(jìn)入儀表空氣管網(wǎng)。

從圖2可知，制氮系統(tǒng)由膜制氮和液氮組合供氣，需1臺(tái)空壓機(jī)向膜制氮成套包提供壓縮空氣，制備的氮?dú)饨?jīng)氮?dú)鈨?chǔ)罐緩沖后進(jìn)入氮?dú)夤芫W(wǎng)，另有1臺(tái)液氮儲(chǔ)罐，其中的液氮經(jīng)液氮?dú)饣鳉饣c膜制氮所得氮?dú)饣旌?，?jīng)氮?dú)鈨?chǔ)罐緩沖后進(jìn)入氮?dú)夤芫W(wǎng)。

2.2 流程優(yōu)化

經(jīng)優(yōu)化后的LNG接收站空壓制氮系統(tǒng)流程(方案2)如圖3所示。通過優(yōu)化將空壓系統(tǒng)和制氮系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)，由3臺(tái)空壓機(jī)(兩開1備)向整個(gè)系統(tǒng)提供壓縮空氣，分為3個(gè)分支，其中第1分支制備工廠空氣，第2分支制備儀表空氣，第3分支制備氮?dú)?自氮?dú)鈨?chǔ)罐出口管道引出1支管至儀表空氣管道，在緊急情況下，可用液氮系統(tǒng)產(chǎn)出的氮?dú)馓钛a(bǔ)儀表空氣供應(yīng)的不足。系統(tǒng)中的濕空氣儲(chǔ)罐、干燥成套包、儀表空氣、儲(chǔ)罐膜制氮成套包、液氮儲(chǔ)罐等其余設(shè)備與方案1相同。

圖3 空壓制氮系統(tǒng)工藝流程圖Fig.3 Process flow diagram of optimized air compressor and nitrogen generation systems

通過對(duì)流程的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以看出以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)降低空壓機(jī)故障幾率。空壓制氮系統(tǒng)中3臺(tái)空壓機(jī)互為備用，可減少單臺(tái)空壓機(jī)發(fā)生故障的幾率，提高空壓制氮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，進(jìn)而提高全廠供氣的安全性。

(2)用氮?dú)庋a(bǔ)充儀表空氣需求量，提高儀表空氣安全性。用氮?dú)庋a(bǔ)充儀表空氣，在全廠斷電的緊急情況下，可將氮?dú)庵羶x表空氣的管路連通，可由液氮系統(tǒng)產(chǎn)出的氮?dú)庋a(bǔ)充儀表空氣，增加儀表空氣系統(tǒng)的安全性。

(3)簡化工藝流程。將空壓系統(tǒng)和制氮系統(tǒng)合并為空壓制氮系統(tǒng)，有效地簡化了工藝流程，減少工藝計(jì)算量，促進(jìn)工藝設(shè)計(jì)的進(jìn)行。

(4)優(yōu)化設(shè)備布置，縮小占地面積。設(shè)備及管道不再分裝置劃區(qū)分布，無需考慮裝置的間距，可將空壓機(jī)、儲(chǔ)罐等設(shè)備集中布置，搭建共用廠房，使設(shè)備布置更加緊湊，相比兩個(gè)系統(tǒng)可有效地縮小占地面積。

(5)利于配管和施工。將統(tǒng)一進(jìn)行管道布置、共同計(jì)算和設(shè)置管廊和管架，更加有利于配管設(shè)計(jì)和施工。

3 設(shè)備選型

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，空壓站壓縮空氣用量730 N·m3/h、壓縮空氣壓力1.0 MPa，制氮系統(tǒng)壓縮空氣用量550 N·m3/h、壓縮空氣壓力1.0 MPa，壓力相同，存在優(yōu)化設(shè)計(jì)的空間；方案1和方案2的空壓機(jī)選型對(duì)比如表1所示。

表1 空壓機(jī)選型對(duì)比分析

經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)后，采用3臺(tái)氣量為650 Nm3/h、空氣壓力1.0 MPa的空壓機(jī)提供壓縮空氣，2開1備，系統(tǒng)中3臺(tái)空壓機(jī)排氣量同為650 Nm3/h，不僅可以減少備品備件的儲(chǔ)存量，更易于維修和保養(yǎng)，減少土建計(jì)算量，降低設(shè)計(jì)、施工過程中的工作量。

3.1 降低1類負(fù)荷用電量

空壓制氮系統(tǒng)作為重要的輔助公用工程，為儀表空氣提供壓縮空氣的空壓機(jī)需設(shè)置為1類用電負(fù)荷，方案2中空壓機(jī)功率相比方案1減少了15 kW(方案1為90 kW，方案2為75 kW)，從而降低了應(yīng)急發(fā)電機(jī)的功率，有效地減少應(yīng)急發(fā)電機(jī)的采購費(fèi)用。

3.2 變頻電機(jī)的設(shè)置

根據(jù)廠家統(tǒng)計(jì)，在全廠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，無卸船工況下(卸船周期最短為1周，卸船時(shí)間為1 d)，卸料系統(tǒng)等部分執(zhí)行器并無連續(xù)調(diào)節(jié)等動(dòng)作，其他系統(tǒng)調(diào)節(jié)閥亦為始終處于調(diào)節(jié)狀態(tài)，此時(shí)儀表空氣用量始終處于浮動(dòng)狀態(tài)，且最大用量約為400 Nm3/h(需壓縮空氣460 Nm3/h)；工廠空氣為設(shè)備吹掃之用，為間歇用量，在實(shí)際中可用濕空氣儲(chǔ)罐緩沖提供；卸料系統(tǒng)無需通過氮?dú)獯祾撸圮囅到y(tǒng)等需氮?dú)獯祾?，且根?jù)槽車裝車的數(shù)量上下浮動(dòng)，最大氮?dú)庥昧考s為35 Nm3/h，需壓縮空氣110 Nm3/h，此工況下總需空壓機(jī)的最大供氣量為570 Nm3/h，1臺(tái)空壓機(jī)即可滿足需求。

由于用氣量的頻繁波動(dòng)，可設(shè)置其中1臺(tái)常開空壓機(jī)采用變頻技術(shù)，最大功率75 kW，即可滿足全廠日常所需(無卸船工況)，變頻技術(shù)的采用還具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1) 提高用電效率，降低用電負(fù)荷?？諌合到y(tǒng)和制氮系統(tǒng)僅需1臺(tái)變頻空壓機(jī)運(yùn)作，即可有效地應(yīng)對(duì)工廠用氣量的頻繁浮動(dòng)，使空壓機(jī)始終處于最佳運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，可有效地減少用電量，降低空壓機(jī)損耗(無需頻繁啟停)，延長使用壽命[4]。

(2)提高壓力控制精度[5]，保證最佳制氮效率。在膜制氮環(huán)節(jié)，壓縮空氣壓力保持1.0 MPa時(shí)，制氮效率最高。通過變頻電機(jī)的設(shè)置，空壓機(jī)可動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)壓縮空氣的供應(yīng)量，無需根據(jù)出口壓力頻繁啟停，壓力控制更加精確，確保制氮膜組處于最佳工作效率。

3.3 無油螺桿壓縮機(jī)的選用

現(xiàn)有的空壓站和制氮系統(tǒng)中，一般采用噴油或微油螺桿壓縮機(jī)為系統(tǒng)提供壓縮空氣，主要通過多級(jí)管道過濾器去除壓縮空氣中的油分，但油分芯存在可能被擊穿的風(fēng)險(xiǎn)， 油分芯一旦擊穿，機(jī)油將被打入管道系統(tǒng)。

本設(shè)計(jì)采用最新型的無油螺桿壓縮機(jī)為系統(tǒng)提供壓縮空氣，主要考慮到以下幾個(gè)方面。

(1)提供高品質(zhì)儀表空氣。甲烷與油氣混合，會(huì)大大增加爆炸的風(fēng)險(xiǎn)，采用無油螺桿壓縮機(jī)，壓縮空氣不含油分，將大大增加LNG接收站的安全性。

(2)提供高品質(zhì)的氮?dú)?。LNG接收站的氮?dú)庵饕糜诮哟到y(tǒng)和槽車系統(tǒng)卸料臂和裝車臂的吹掃，若氮?dú)庵泻杏头?，通過吹掃，油分將直接進(jìn)入LNG中，采用無油螺桿壓縮機(jī)，將降低該風(fēng)險(xiǎn)。

(3)降低制氮所用膜被污染的風(fēng)險(xiǎn)。制氮分離所用的膜極易被油分污染，造成膜中毒損壞，采用無油螺桿壓縮機(jī)，可以從根源上避免膜中毒的風(fēng)險(xiǎn)。

4 設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用

在無卸船工況下，方案1空壓系統(tǒng)和制氮系統(tǒng)各有一臺(tái)空壓機(jī)運(yùn)行，兩臺(tái)空壓機(jī)一直處于工頻狀態(tài)，需頻繁啟停；方案2，正常情況下僅需1臺(tái)變頻空壓機(jī)在小于75 kW功率下浮動(dòng)運(yùn)行，即可滿足全廠壓縮空氣所需用量，另1臺(tái)工頻空壓機(jī)處于聯(lián)動(dòng)狀態(tài)，優(yōu)先啟動(dòng)變頻空壓機(jī)，無需頻繁啟停，同時(shí)壓力控制更為精確，可減少空氣干燥器中填料的損耗。

經(jīng)測算，方案2比方案1的年均空壓機(jī)運(yùn)行費(fèi)用降低約10%(約為5.7萬元)，按照LNG接收站25 a的設(shè)計(jì)壽命，則在接收站生命周期內(nèi)總共可節(jié)省約175萬元，有效地提高了經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

通過對(duì)空壓制氮站的聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要有兩個(gè)方面的改進(jìn)：一是將兩個(gè)系統(tǒng)空壓機(jī)聯(lián)合設(shè)計(jì)，采用3臺(tái)空壓機(jī)共同為系統(tǒng)提供壓縮空氣；二是將3臺(tái)空壓機(jī)中的1臺(tái)設(shè)置為變頻電機(jī)，保障全廠壓縮空氣的日常所用。經(jīng)優(yōu)化后的工藝流程主要有以下幾個(gè)方面的優(yōu)勢。

(1)經(jīng)過流程優(yōu)化，多臺(tái)空壓機(jī)互為備用，降低空壓機(jī)發(fā)生故障的幾率；緊急情況下，通過氮?dú)庋a(bǔ)充儀表空氣的需求，提高系統(tǒng)的安全性。

(2)降低一類負(fù)荷用電量，減少應(yīng)急發(fā)電機(jī)采購費(fèi)用。

(3)選用變頻電機(jī)，提高用電效率，降低用電負(fù)荷，同時(shí)提高壓力控制精度，維持最佳制氮效率。

(4)采用無油螺桿壓縮機(jī)，從根源上確保儀表空氣、氮?dú)庀到y(tǒng)中不含油分，增加LNG接收站安全性，同時(shí)降低制氮膜組中毒、失效的風(fēng)險(xiǎn)。

(5)降低設(shè)備的運(yùn)行費(fèi)用，有效地提高經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 楊燁,許克軍,彭斌望，等.大型LNG工廠空壓制氮單元作用[J].石油和化工設(shè)備,2014,17(7):34-36.

[2] 郭雷,徐國峰,許榮國，等.淺談LNG接收站及液化站的空壓制氮工藝設(shè)計(jì)[J].化工設(shè)計(jì),2013,23(3):21-23.

[3] 張水紅,劉召. LNG接收站組合供氮系統(tǒng)運(yùn)行分析[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2012,31(S0):26-29.

[4] 錢建慧.變頻節(jié)能技術(shù)在空壓站中的應(yīng)用分析[J].電力需求側(cè)管理,2015,17(2):35-37.

[5] 梁艷娟.空壓機(jī)變頻改造節(jié)能技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2011,33(13):153-156.

(特約編輯：黃家瑜)

Co-design for air compressor and nitrogen generation systems of LNG terminal

Zheng Zhigong1, Qiu Depeng2

(1. College of Ecological Environment and Urban Construction， Fujian University of Technology，F(xiàn)uzhou 350118， China； 2. CNOOC Shandong Chemical Engineering Co., Ltd., Jinan 250101， China)

Co-design for air compressor and nitrogen generation systems of LNG terminal was studied. Compress air of the whole system was supplied by three air compressors (2 in operation, 1 stand-by). Oil-free screw air compressors were selected，while one of the running air compressors was driven by variable-frequency motor. The results indicate that by means of process optimization design and new technology, the co-design system is improved in the security with convenient maintenance and reduced operation cost.

co-design; variable-frequency air compressor; oil-free screw air compressor; operation cost

10.3969/j.issn.1672-4348.2017.01.008

2016-09-29

鄭志功(1983- )，男，河南汝州人，工程師，碩士，研究方向：化工傳質(zhì)與分離及催化劑。

TE821；TH418

A

1672-4348(2017)01-0035-04