LNG冷能空分裝置節(jié)能分析及問題探討

郭永昌，胡 暉

( 1.福州大學(xué) 石油化工學(xué)院，福州 350108；2.中海石油空氣化工產(chǎn)品(福建)有限公司，莆田 351158 )

LNG冷能空分裝置節(jié)能分析及問題探討

郭永昌1,2，胡 暉1

( 1.福州大學(xué) 石油化工學(xué)院，福州 350108；2.中海石油空氣化工產(chǎn)品(福建)有限公司，莆田 351158 )

我國每年進(jìn)口大量的LNG，LNG在汽化過程中會釋放出大量的冷量，如何充分利用LNG冷能具有重要意義。文中介紹了國內(nèi)首套LNG冷能空分裝置，通過對LNG冷能空分流程與傳統(tǒng)空分流程進(jìn)行對比，分析LNG冷能空分節(jié)能的理論依據(jù)，并對LNG冷能空分裝置運(yùn)行中的問題進(jìn)行探討。

液化天然氣；冷能利用；空分；能耗；節(jié)能

1 引言

液化天然氣(LNG)由天然氣經(jīng)凈化處理、液化而成的-162℃低溫液體混合物，LNG汽化時(shí)放出大量的冷能約830kJ/kg,因此LNG蘊(yùn)含有高品質(zhì)的冷能[1]。LNG用于燃料或化工原料之前需汽化成常溫氣體，目前主要利用LNG與海水和空氣進(jìn)行換熱汽化，這樣會造成冷能的極大浪費(fèi)，隨著我國每年對LNG進(jìn)口量越來越大，如何充分利用這種大量優(yōu)質(zhì)冷能具有重要意義。國內(nèi)外理論研究表明將LNG冷能用于空分設(shè)備，在最接近溫位利用LNG冷能，能提高LNG冷能的利用效率[2]。2010年國內(nèi)首套LNG冷能空分裝置在福建莆田建成并成功投產(chǎn)，與傳統(tǒng)空分裝置相比，單位產(chǎn)品能耗節(jié)電50%以上，節(jié)水90%以上。同時(shí)減少了LNG汽化所需的電能和海水，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

2 LNG冷能空分裝置和傳統(tǒng)空分對比分析

2.1 國內(nèi)首套LNG冷能利用空分流程簡述

圖1 氮?dú)庖夯到y(tǒng)流程簡圖Fig.1 The flow diagram of nitrogen liquefaction system

原料空氣經(jīng)空氣過濾器濾去灰塵等固體雜質(zhì)進(jìn)入壓縮機(jī)，經(jīng)三級壓縮至0.45MPa。壓縮后的空氣進(jìn)入后冷卻器冷卻，然后進(jìn)入分子篩純化系統(tǒng)除去空氣中的水分、二氧化碳、乙炔等碳?xì)浠衔?。凈化后的空氣進(jìn)入主換熱器與返流的低壓氮?dú)?、污氮?dú)夂蛠碜砸夯到y(tǒng)的液氮等進(jìn)行換熱，在主換熱器中部抽一部分空氣進(jìn)入下塔作為上升氣體參與下塔精餾，在下塔頂部得到高純氮?dú)?，一部分高純氮?dú)庠诶淠舭l(fā)器內(nèi)放出熱量而冷凝成液氮，一部分液氮直接作為下塔的回流液，一部分液氮經(jīng)節(jié)流降壓后供至上塔頂部作為上塔的回流液參與精餾；另一部分高純氮?dú)膺M(jìn)入主換熱器與空氣換熱后去低溫氮壓機(jī)增壓，在液化器中與LNG換熱液化，一部分液氮作為產(chǎn)品送入儲罐，另一部分液氮進(jìn)入主換熱器提供冷量。在主換熱器底部抽一部分液態(tài)空氣進(jìn)入上塔上部作為上塔回流液參與精餾，在上塔底部得到產(chǎn)品液氧，用液氧輸送泵把產(chǎn)品送入儲罐。在上塔中部抽出的氬餾分進(jìn)入粗氬塔除氧，在精氬塔中除氮，最終在精氬塔底部得到產(chǎn)品高純液氬。

2.2 LNG冷能空分流程與傳統(tǒng)空分流程的區(qū)別

LNG冷能空分流程與傳統(tǒng)空分的區(qū)別主要在于氮?dú)庖夯到y(tǒng)和冷卻水系統(tǒng)。傳統(tǒng)空分是由高低溫膨脹機(jī)、節(jié)流閥和冷凍機(jī)提供冷量[3]，而LNG冷能空分裝置省去膨脹機(jī)、冷凍機(jī)等設(shè)備，工藝流程更加簡單，可以明顯縮短設(shè)備啟動時(shí)間，用LNG冷量取代膨脹機(jī)制冷，LNG可以在瞬間釋放出大量高品質(zhì)的冷能,直接在液化器中利用LNG冷量把循環(huán)氮?dú)饫鋮s液化，一部分高壓液氮進(jìn)入主換熱器冷卻空氣，另一部分液氮過冷后進(jìn)入儲罐。LNG冷能空分裝置氮?dú)庖夯到y(tǒng)是由低溫氮壓機(jī)、液化器、氣液分離器、過冷器等有序組成，來自下塔上部的高純氮?dú)膺M(jìn)入液化器與LNG進(jìn)行換熱，得到低溫的氮?dú)膺M(jìn)入氮壓機(jī)1、2級進(jìn)行壓縮，壓縮后的氮?dú)膺M(jìn)入液化器與LNG進(jìn)行換熱，然后進(jìn)入氮壓機(jī)3、4級進(jìn)行壓縮提高壓力，高壓氮?dú)庠龠M(jìn)入液化器與LNG進(jìn)行換熱，最終得到高壓液氮，一部分高壓液氮通過節(jié)流閥閃蒸在氣液分離器中分離得到低壓液氮，低壓液氮通過過冷器進(jìn)行過冷，最終進(jìn)入液氮儲罐；另一部分高壓液氮進(jìn)入主換熱器為冷卻空氣提供冷量。液化系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

傳統(tǒng)空分的冷卻系統(tǒng)是以工業(yè)水作為冷卻媒介的開放式系統(tǒng)，每天蒸發(fā)損耗幾百噸水，LNG冷能空分裝置的冷卻系統(tǒng)是密閉循環(huán)的，冷卻媒介是乙二醇水溶液，乙二醇水溶液進(jìn)入空壓機(jī)級間冷卻器、油冷卻器和電機(jī)冷卻器吸收熱量，復(fù)熱后的乙二醇水溶液返回到乙二醇冷卻器，與出液化器的高溫段LNG冷量(溫度約為-70℃)進(jìn)行換熱[4]，LNG復(fù)熱至常溫返回天然氣管網(wǎng)，乙二醇水溶液被冷卻至2℃左右，能夠充分冷卻壓縮空氣，降低壓縮機(jī)做功能耗。乙二醇水溶液系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 乙二醇冷卻水系統(tǒng)流程簡圖Fig.2 The flow diagram of ethylene glycol cooling water system

3 LNG冷能空分裝置節(jié)能理論分析

氣體的壓縮，一般有等溫壓縮、絕熱壓縮、多變壓縮三種過程[5]，從熱力學(xué)觀點(diǎn)來看，氣體狀態(tài)變化過程并沒有本質(zhì)的不同，都是消耗外功，使氣體壓縮升壓的過程，在正常情況下都可以視為穩(wěn)定流動過程，對于穩(wěn)定流動體系，壓縮過程的理論軸功可用穩(wěn)定流動系統(tǒng)的熱力學(xué)第一定律來描述，在忽略動能和勢能的情況下有WS=△H-Q。氣體在壓縮過程中若氣體溫度保持不變稱為等溫壓縮，在理想情況下可看成可逆壓縮過程，等溫過程△H=0，則WS=-Q=RTln(POUT/PIN)。式中WS為等溫可逆壓縮的軸功[5]，顯然在相同壓縮比情況下，氣體的溫度越高，壓縮所需的功耗就會越大。等溫壓縮和絕熱壓縮都是理想的，要做到完全的等溫或絕熱是不可能的，實(shí)際進(jìn)行的壓縮都是介于等溫和絕熱之間的多變過程。把一定量的氣體從相同的初態(tài)壓縮到相同的終壓時(shí)，絕熱壓縮消耗的功最多，等溫壓縮最少，多變壓縮介于兩者之間。為了減少壓縮機(jī)的功耗，常采用多級壓縮、級間冷卻的方法。多級壓縮、級間冷卻式壓縮機(jī)的基本原理是將氣體先壓縮到某一中間壓力，然后通過一個(gè)中間冷卻器，壓縮后的高溫氣體與冷卻水進(jìn)行換熱，冷卻水把壓縮產(chǎn)生的熱量帶走，使其等壓冷卻到壓縮前的溫度，然后再進(jìn)入下一級繼續(xù)壓縮、冷卻，如此進(jìn)行多次壓縮和冷卻，使氣體壓力逐漸增大，而溫度不至于升得過高，這樣整個(gè)過程趨近于等溫壓縮過程。

空分裝置的主要能耗是空壓機(jī)和氮壓機(jī)對氣體做功所消耗的電能。LNG冷能空分中LNG的冷量被分段利用，高溫段冷量通過乙二醇冷卻水來預(yù)冷空壓機(jī)各級壓縮后的空氣，可以使空壓機(jī)二級、三級進(jìn)口空氣溫度降至279K左右，傳統(tǒng)空分空壓機(jī)二級、三級進(jìn)口空氣溫度高達(dá)308K左右，因此利用LNG冷量可有效降低每級入口氣體溫度，可提高等溫壓縮效率，降低設(shè)備能耗。

根據(jù)壓縮機(jī)的通用功耗公式[1]：

W=RTln(POUT/PIN)ρ0V/(3600μMμT)

通過降低每級入口溫度達(dá)到降低壓縮機(jī)功耗的目的，這樣空壓機(jī)的功耗可降低(308-279)/308=9.42%。LNG低溫段冷量在氮?dú)庖夯髦斜谎h(huán)氮?dú)馕找夯琇NG冷能空分利用低溫氮壓機(jī)為氮?dú)獾囊夯峁﹦恿?，來自精餾塔的高純氮?dú)庠谝夯髦欣鋮s至153K左右進(jìn)入低溫氮壓機(jī)一、二級，壓縮后的氮?dú)庠龠M(jìn)入液化器進(jìn)行冷卻至148K左右進(jìn)入低溫氮壓機(jī)的三、四級進(jìn)行壓縮，傳統(tǒng)空分常溫氮壓機(jī)每級進(jìn)口溫度為298K左右，低溫氮壓機(jī)與常溫氮壓機(jī)相比，功耗可降低(298-153)/298=48%。由此可見利用LNG冷能的空分裝置能耗降低特別明顯。

4 裝置能耗對比

運(yùn)用化工流程模擬軟件Aspen Plus建立模擬流程圖[6]，在同等條件下，在系統(tǒng)中輸入物流和設(shè)備數(shù)據(jù)，對LNG冷能空分流程和傳統(tǒng)空分流程進(jìn)行模擬[7]，計(jì)算得出LNG冷能空分裝置單位產(chǎn)品能耗為0.316kWh/m3,傳統(tǒng)空分工藝單位產(chǎn)品能耗1.0 kWh/m3，LNG冷能空分裝置具有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。設(shè)備模擬計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 裝置能耗對比

Table 1 Device energy consumption contrast

設(shè)備LNG冷能空分裝置電耗(kW)水耗(t·d-1)傳統(tǒng)空分裝置電耗(kW)水耗(t·d-1)空氣壓縮機(jī)381004400260氮?dú)鈮嚎s機(jī)260008200450膨脹機(jī)無無15050循環(huán)水泵16002100分子篩加熱器12501250液氧泵0.700.70循環(huán)氬泵3.903.90總計(jì)6699.6013089.6760

5 LNG冷能空分裝置運(yùn)行問題探討

新工藝在運(yùn)行中總會遇到各種問題，通過對莆田L(fēng)NG冷能空分項(xiàng)目存在問題的探討，希望能為后續(xù)國內(nèi)LNG冷能空分項(xiàng)目的設(shè)計(jì)、建造和生產(chǎn)運(yùn)行提供參考。

(1)因下游用戶用氣量波動等因素影響，往往無法保證高壓泵外輸LNG的連續(xù)性，造成空分裝置因LNG冷能供應(yīng)中斷而頻繁停機(jī)，嚴(yán)重影響了空分裝置的生產(chǎn)運(yùn)行。由于福建LNG接收站的LNG輸送泵的流量較大(180t·h-1),若下游用氣量減少，天然氣管網(wǎng)壓力上升到7MPa就要停止LNG外輸供應(yīng)。若把LNG高壓泵改造為變頻泵，根據(jù)下游用氣量調(diào)節(jié)LNG輸出量，這樣既能保證LNG冷能供應(yīng)連續(xù)性，又不至于在下游用氣量減少的情況下LNG管網(wǎng)超壓。

(2)由于LNG接收站經(jīng)常運(yùn)行BOG壓縮機(jī)，造成供給空分裝置的LNG溫度偏高，冷能品質(zhì)下降，氮?dú)庖夯到y(tǒng)的液化效率降低，液氮產(chǎn)能偏低，LNG溫度每升高1℃，液氮產(chǎn)量降低約10t，液氮產(chǎn)量受LNG溫度的影響特別大。因此建議LNG接收站在設(shè)計(jì)時(shí)，在再冷凝器前按照冷能空分的LNG用量需求單獨(dú)設(shè)置一路LNG高壓泵，專供冷能空分使用，這樣就會保證LNG冷能品質(zhì)，增加液氮產(chǎn)量。

6 結(jié)論

(1)LNG冷能空分工藝與傳統(tǒng)空分相比系統(tǒng)運(yùn)行壓力較低，利用LNG冷量對空壓機(jī)和氮壓機(jī)級間進(jìn)行充分冷卻，使二者的功耗大大降低。

(2)在氮?dú)庖夯髦蠰NG冷量-153℃至-70℃的低溫段先被氮?dú)饫?，大?70℃的高溫段LNG冷量用來冷卻乙二醇冷卻水，乙二醇冷卻水再去冷卻空氣，LNG冷量被分段利用，傳熱溫差小，LNG的冷量在空分裝置中利用率較高。

(3)LNG冷能空分裝置可以明顯縮短設(shè)備啟動時(shí)間，減少電能和液氮損耗。

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The Discussion and Analysis for Energy Saving of LNG Assist Air Separation Unit

GUO Yongchang1,2，HU Hui1

(1.Fuzhou university institute of petroleum and chemical,Fuzhou 350108；2.CNOOC Air Products and Chemicals(Fujian)Co.Ltd.,Putian 351158)

China imports a lot of LNG every year,it will release a large amount of cold energy in the process of LNG vaporizing.This paper introduces the first LNG assist air separation unit in China,by the means of comparing LNG assist air separation unit with air separation unit, we analyze the theory basis for energy saving of LNG assist air separation unit, and discuss the problems in the operation of LNG assist air separation unit.

Liquefied Natural Gas;Cold energy utilization;Air separation unit;Energy consumption;Energy saving

2016-7-20

郭永昌(1983-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：分離工程。Email：hnsqgyc@163.com

ISSN1005-9180(2017)02-089-04

TB69 文獻(xiàn)標(biāo)示碼：B

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.02.020