大型LNG工廠能耗分析及節(jié)能措施

楊 遠(yuǎn) 唐文潔 齊安彬 孫貴杰 朱 華 馬玉華

1.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2. 新疆油田公司石西油田作業(yè)區(qū)

大型LNG工廠能耗分析及節(jié)能措施

楊 遠(yuǎn)1唐文潔2齊安彬2孫貴杰2朱 華2馬玉華2

1.長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院油氣資源與勘探技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2. 新疆油田公司石西油田作業(yè)區(qū)

為了研究大型LNG工廠能耗組成，系統(tǒng)分析能耗情況并提出合理節(jié)能措施。結(jié)合GB/T 50441-2016《石油化工設(shè)計(jì)能耗計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》，運(yùn)用某大型LNG工廠性能考核期間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行核算，再利用層次分析法科學(xué)分析，最后提出節(jié)能降耗措施。研究表明，某大型工廠的主要用能為電能，在相同處理規(guī)模下降低工廠的用電量是節(jié)能的關(guān)鍵。單位能耗隨日處理量的增大而減小，工廠在高負(fù)荷運(yùn)行下較優(yōu)，滿載生產(chǎn)情況下最為節(jié)能。因此，協(xié)調(diào)充足的原料氣氣源，保持銷售渠道暢通，進(jìn)行高負(fù)荷生產(chǎn)有利于降低單位產(chǎn)品的運(yùn)行成本。

能耗分析 節(jié)能措施 單位能耗 負(fù)荷 LNG工廠

LNG工廠是低溫工程與化學(xué)工程的結(jié)合體，既有傳統(tǒng)化工企業(yè)生產(chǎn)流程復(fù)雜、過程管控嚴(yán)格等特點(diǎn)，又具備低溫工程領(lǐng)域?qū)υO(shè)備設(shè)施要求高、溫度控制精確等要求。而低溫LNG的獲取需透平機(jī)械與換熱器合理配合使用，所以能耗是LNG工廠的關(guān)鍵[1]。本文基于某大型LNG工廠50%～100%負(fù)荷下運(yùn)行情況，結(jié)合GB/T 50441-2016《石油化工設(shè)計(jì)能耗計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》[2]，首先做綜合能耗核算，然后通過層次分析法在能耗核算數(shù)據(jù)支撐下做節(jié)能分析，最后通過專家決策庫提出解決方案(節(jié)能舉措)，并做出相應(yīng)預(yù)測性建議。

1 工程簡介

某大型LNG工廠天然氣處理能力為500×104m3/d， LNG產(chǎn)量為120×104t/a，生產(chǎn)操作彈性為50%～100%，工藝、設(shè)備全部國產(chǎn)化，主要由脫碳、脫水、脫汞、液化、BOG、公用工程等部分組成，生產(chǎn)流程見圖1。其中，液化裝置采用多級單組分制冷液化工藝，該工藝總體上為傳統(tǒng)階式制冷工藝，最后一級改進(jìn)為混合冷劑制冷，分別由丙烯、乙烯、甲烷3臺壓縮機(jī)提供動力。負(fù)荷由大到小依次為丙烯機(jī)、乙烯機(jī)、甲烷機(jī)。在換熱器部分，原料氣通過7個蒸發(fā)器和一個板翅式換熱器逐級降溫冷卻，直至液化。液化裝置同時設(shè)有重?zé)N洗滌塔，脫除重?zé)N，以防止最后一級冷箱凍堵[3-5]。

綜上所述，某大型LNG工廠制冷循環(huán)長，換熱器及其動設(shè)備較多，能耗分析工作艱巨，節(jié)能潛力大。

2 能耗核算與分析

能耗核算數(shù)據(jù)取自工廠性能考核期間連續(xù)性數(shù)據(jù)。投料開車產(chǎn)出合格產(chǎn)品，滿負(fù)荷運(yùn)行，設(shè)備匹配調(diào)整至最佳狀態(tài)運(yùn)行4 h后，分別調(diào)整生產(chǎn)負(fù)荷至50%、80%、100%。50%工況負(fù)荷數(shù)據(jù)采用當(dāng)時的50%工況條件下數(shù)據(jù)，80%數(shù)據(jù)采用工況條件下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行24 h，100%數(shù)據(jù)采用工況條件下至少連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行48 h；綜合能耗計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB/T 50441-2016。

能耗分析選用層次分析法。將問題分解規(guī)整成目標(biāo)、準(zhǔn)則、方案3種層次，再帶入能耗核算數(shù)據(jù)進(jìn)行定性、定量綜合評價。

2.1 綜合能耗

此部分主要包括各裝置電耗、燃料氣消耗、水消耗，裝置各生產(chǎn)負(fù)荷運(yùn)行下采集統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。其中,電量折算值為10.89 MJ/kWh、新鮮水折算值為6.28 MJ/t，燃料氣為33.81 MJ/m3。其計(jì)算方法如下：

燃料氣能耗=24 h(燃料氣分配罐累計(jì)總量)× 33.81 MJ/m3

總電耗=24 h 110 kV變電站計(jì)量表總電量× 10.89 MJ/kWh

循環(huán)水能耗=24 h水表累計(jì)總量×6.28 MJ/t

單位綜合能耗=(燃料氣能耗+總電耗+循環(huán)水能耗)÷上游分輸站原料氣來氣流量計(jì)日累積量

綜合能耗計(jì)算結(jié)果見表1。

層次分析過程如下：

(1) 建立物理模型，建立結(jié)構(gòu)模型圖(見圖2)。

(2) 依據(jù)能耗核算數(shù)據(jù)建立矩陣比較打分，比較值過大的引用數(shù)字1～9及其倒數(shù)作為標(biāo)度來定義判斷矩陣A=(aji)nxn。同時，依次對建立矩陣進(jìn)行層次合成計(jì)算與一次性檢驗(yàn)：

(1)

其中，λmax為判斷矩陣的最大特征值[6]。

(2)

當(dāng)CR<0.10時，認(rèn)為通過了一次性檢驗(yàn)，否則應(yīng)作適當(dāng)修正。

(3) 計(jì)算權(quán)重向量W，在此選用幾何平均法(方根法)。

(3)

計(jì)算步驟為：①A的元素按行相乘得一新向量；②將新向量的每個分量開n次方；③將所得向量歸一化即為權(quán)重向量。

能耗分析各判斷矩陣如表2～表5所列。

表2～表5一次性檢驗(yàn)均通過。將不同方案各準(zhǔn)則要素的權(quán)重矩陣(見表2)Wi與各準(zhǔn)則要素的相對權(quán)重矩陣(見表3～表5)Wi相乘，得到各方案層要素權(quán)重并排序(見表6)，經(jīng)計(jì)算還能得到中間層要素權(quán)重并排序(見表7)。

表2 目標(biāo)層A矩陣運(yùn)算Table2 AmatrixoperationoftargetlayerAB1B2B3WiB119/59/50．4737B2110．2632B310．2632

表3 準(zhǔn)則層B1矩陣運(yùn)算Table3 B1matrixoperationofcriterionlayerB1C1C2C3WiC1121/80．1218C211/90．0738C310．8044

表4 準(zhǔn)則層B2矩陣運(yùn)算Table4 B2matrixoperationofcriterionlayerB1C1C2C3WiC1121/80．1218C211/90．0738C310．8044

表5 準(zhǔn)則層B3矩陣運(yùn)算Table5 B3matrixoperationofcriterionlayerB1C1C2C3WiC1121/80．1218C211/90．0738C310．8044

表6 方案層權(quán)重排序Table6 Weightorderingofschemelayer方案層C1C2C3權(quán)重0．12180．07380．8044排序231

表7 中間層權(quán)重排序Table7 Weightorderingofmiddlelayer中間層B1B2B3權(quán)重0．47370．26320．2632排序122

經(jīng)以上運(yùn)算分析，通過表1綜合能耗計(jì)算與表6方案層權(quán)重分析結(jié)果可得，電耗是整個LNG工廠綜合能耗的關(guān)鍵，權(quán)重值達(dá)0.804 4，遠(yuǎn)高于燃料氣與新鮮水消耗，下步應(yīng)針對裝置電耗做具體核算，找出節(jié)能降耗關(guān)鍵；通過表1綜合能耗計(jì)算與表7中間層權(quán)重分析可得，綜合能耗值與水、電、氣各分部分消耗不隨處理量變化而顯著變化。通常情況，只要工廠開產(chǎn)，能耗就會上升到一個定值，不會因?yàn)樘幚砹啃《芎牡?，所以能耗與處理量無關(guān)。

2.2 裝置電耗

依照以上綜合能耗計(jì)算分析結(jié)果，對裝置電耗做具體核算。此部分主要包括各裝置電耗、制冷能耗、工藝能耗、全廠能耗，裝置各生產(chǎn)負(fù)荷運(yùn)行下采用電力檢測系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[7]。

制冷系統(tǒng)裝置用能單位主要為：丙烯壓縮機(jī)、乙烯壓縮機(jī)及甲烷壓縮機(jī)三機(jī)組。制冷能耗計(jì)算方法為：制冷能耗=(丙烯壓縮機(jī)日耗電量+乙烯壓縮機(jī)日耗電量+甲烷壓縮機(jī)日耗電量)÷進(jìn)冷箱天然氣流量計(jì)流量計(jì)日累計(jì)量。

工藝系統(tǒng)裝置用能單位主要為：“三脫”裝置單元(包括低壓貧液泵、貧液循環(huán)泵、再生氣壓縮機(jī)等)、液化裝置單元(包括丙烯壓縮機(jī)、乙烯壓縮機(jī)、甲烷壓縮機(jī)等壓縮機(jī)組和重?zé)N回流泵等)和BOG增壓裝置單元(包括BOG壓縮機(jī)等)。工藝能耗計(jì)算方法為：工藝能耗=(“三脫”裝置單元日耗電量+液化裝置單元日耗電量+BOG增壓單元日耗電量)÷上游分輸站原料氣來氣流量計(jì)日累積量[8]。

全廠能耗裝置用能單位為全廠所有裝置用電量。全廠能耗計(jì)算方法：工藝能耗=110 kV變電站計(jì)量表日累積量÷上游分輸站原料氣來氣流量計(jì)日累積量。

用電量匯總見表8，電耗核算數(shù)據(jù)見表9。

表8 用電量匯總表Table8 Summarysheetofpowerconsumption序號時間天然氣進(jìn)氣量/(104m3·d-1)“三脫”日耗電量/kWh液化日耗電量/kWhBOG單元日耗電量/kWh工藝耗電量/kWh日耗電量/kWh110月20日8：00～10月21日8：002502984011528395040012330791335549．6210月22日8：00～10月23日8：0040030280115094010080012820201401127．2310月26日8：00～10月27日8：0050026960125833010404013893301495718．4410月27日8：00～10月28日8：0050027520127360010500014061201483680．0510月28日8：00～10月29日8：0050026880122530210656013587421482993．6

表9 電耗核算數(shù)據(jù)表Table9 Dataanalysisofpowerconsumption序號時間天然氣進(jìn)氣量/(104m3·d-1)制冷能耗/(kWh·m-3)工藝能耗/(kWh·m-3)全廠能耗/(kWh·m-3)110月20日8：00～10月21日8：002500．430．460．53210月22日8：00～10月23日8：004000．280．310．35310月26日8：00～10月27日8：005000．240．260．29410月27日8：00～10月28日8：005000．240．260．29510月28日8：00～10月29日8：005000．240．260．29

在工廠72 h滿負(fù)荷運(yùn)行期間，液化裝置三機(jī)組的制冷電耗為0.24 kWh/m3、主要工藝裝置區(qū)電耗為0.26 kWh/m3、全廠的綜合電耗為0.29 kWh/m3，從各裝置情況看，液化裝置三機(jī)組能耗最大，BOG單元次之。而三機(jī)組轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍小，還有制冷負(fù)荷、機(jī)組喘振等條件限制，故節(jié)能手段有限。但BOG壓縮機(jī)可調(diào)范圍大，能與大罐LNG潛液泵、裝車等要素負(fù)荷調(diào)控，優(yōu)化工況。多余氣還能供給燃料氣系統(tǒng)使用，極具節(jié)能降耗潛力。

工廠負(fù)荷大小對于單方能耗影響較大，工廠在不同負(fù)荷下的能耗見圖3。

工廠處理量為250×104m3/d、400×104m3/d與500×104m3/d時的全廠的綜合電耗分別為0.53 kWh/m3、0.35 kWh/m3、0.29 kWh/m3。通過圖3所示的趨勢可知，單位能耗均隨日處理量的增大而減小，說明該廠在高負(fù)荷運(yùn)行下較優(yōu)，滿載生產(chǎn)情況下最為節(jié)能。因此，協(xié)調(diào)充足的原料氣氣源，保持銷售渠道暢通，進(jìn)行高負(fù)荷生產(chǎn)有利于降低單位產(chǎn)品的運(yùn)行成本。

3 節(jié)能措施

綜上所述，工廠的主要用能為電能，在相同處理規(guī)模下降低工廠的用電量是節(jié)能的關(guān)鍵。通過裝置電耗分析結(jié)果，分別根據(jù)專家意見提出節(jié)能方案制定方案層，具體節(jié)能舉措同樣通過層次分析得出，簡要過程如圖4所示。

能耗分析各判斷矩陣如表10～表13所列。

表10 目標(biāo)層A矩陣運(yùn)算Table10 AmatrixoperationoftargetlayerAB1B2B3WiB1131/70．1488B211/90．0658B310．7854

表11 準(zhǔn)則層B1矩陣運(yùn)算Table11 B1matrixoperationofcriterionlayerB1C1C3C6C7WiC111/31/51/70．0520C311/41/60．0991C611/40．2491C710．5998

表12 準(zhǔn)則層B2矩陣運(yùn)算Table12 B2matrixoperationofcriterionlayerB2C3C6WiC311/50．1667C610．8333

表13 準(zhǔn)則層B3矩陣運(yùn)算Table13 B3matrixoperationofcriterionlayerB3C1C2C4C5C6C7WiC11321/4140．1783C211/31/51/330．0701C411250．2077C51370．3620C6130．1415C710．0403

表14 方案層權(quán)重排序Table14 Weightorderingofschemelayer方案層C1C2C3C4C5C6C7權(quán)重0．14780．05510．02570．16320．28430．20310．1209排序3674125

通過圖3與表11對照分析可得，節(jié)水措施C1、C3、C6、C7四項(xiàng)中C7水質(zhì)調(diào)節(jié)及外排權(quán)重最大，所以平時應(yīng)加強(qiáng)藥劑控制。在低負(fù)荷運(yùn)行和停工期間循環(huán)水低蒸發(fā)率情況下還應(yīng)注意改變藥劑配方，根據(jù)濃縮倍數(shù)變化動態(tài)優(yōu)化水質(zhì)[9]；C6避免事故停車，提高一次性啟機(jī)成功率權(quán)重次之，此項(xiàng)與清洗預(yù)膜有關(guān)；C1優(yōu)化三機(jī)組轉(zhuǎn)速與C2防喘振與調(diào)整三脫單元貧液循環(huán)泵與生產(chǎn)負(fù)荷有關(guān)，會間接影響耗水量，權(quán)重輕，影響小不做討論。

通過圖3與表12對照分析可得，節(jié)氣措施C3、C6中C6避免事故停車，提高一次性啟機(jī)成功率權(quán)重最大，全廠用氣主要為導(dǎo)熱油供熱系統(tǒng)，其加溫慢。若燒至額定溫度做好準(zhǔn)備后，事故停車或開工啟機(jī)失敗(包括多次啟機(jī)成功)會導(dǎo)致系統(tǒng)熱量浪費(fèi)，從而消耗燃料氣(因?yàn)榉钦Ｉa(chǎn)或停產(chǎn)系統(tǒng)不需要足夠熱量)。雖然導(dǎo)熱油熱量主要供給三脫裝置，但C3調(diào)整三脫單元塔溫權(quán)重過小，雖可起到一定節(jié)氣作用，但微乎其微還有影響脫碳效果的風(fēng)險，所以此項(xiàng)應(yīng)謹(jǐn)慎執(zhí)行。

通過圖3與表13對照分析可得，節(jié)電措施C1、C2、C4、C5、C6、C7六項(xiàng)中C5優(yōu)化BOG運(yùn)行方式與C4優(yōu)化LNG潛液泵運(yùn)行方式權(quán)重最大。而具體執(zhí)行上C4、C5可協(xié)同節(jié)能。由于裝車和LNG潛液泵運(yùn)行是產(chǎn)生BOG的主要來源，所以BOG增壓單元在滿負(fù)荷工況下可采用“兩用一備”運(yùn)行，在低負(fù)荷工況下可采用“一用兩備” 運(yùn)行。同時，需做好LNG潛液泵和LNG裝車需求的匹配，避免小流量裝車時出現(xiàn)LNG潛液泵大流量循環(huán)、造成BOG增多，應(yīng)在夜間充分利用LNG變頻泵優(yōu)勢，采用低頻率、小流量運(yùn)行模式。經(jīng)核算，該廠1臺潛液泵可供5個裝車撬同時運(yùn)轉(zhuǎn)。裝車時應(yīng)合理調(diào)度，最大限度減少BOG(晚間裝車完畢后注意調(diào)整提高BOG壓縮機(jī)進(jìn)口溫度，防止機(jī)體凍壞)。因?yàn)檠b車時BOG量大，返回BOG機(jī)體的溫度高。而裝車完畢后，返回BOG機(jī)體的天然氣溫度突然降低，特別是大規(guī)模裝車后此情況最易發(fā)生；C1優(yōu)化三機(jī)組轉(zhuǎn)速與防喘振與C6避免事故停車，提高一次性啟機(jī)成功率權(quán)重次之。液化裝置中應(yīng)及時調(diào)整三機(jī)組的轉(zhuǎn)速和防喘振閥，在設(shè)備安全運(yùn)行的前提下降低制冷三機(jī)組電流量和軸功率，而異常停車和多次啟機(jī)會造成制冷劑放空等不必要物料損失。啟停機(jī)過程中對電力消耗大，若一次性啟機(jī)不成功，多次啟機(jī)還會對變頻設(shè)備造成沖擊；C2調(diào)整三脫單元貧液循環(huán)泵，能在脫碳裝置在保證凈化質(zhì)量的前提下，降低貧胺液循環(huán)量，采取“一用兩備”的貧胺液泵運(yùn)行模式。C7水質(zhì)調(diào)節(jié)及外排能在停工期間停運(yùn)循環(huán)水泵，充入氮?dú)獗Ｗo(hù)循環(huán)水管網(wǎng)，防止腐蝕。但以上兩條節(jié)能效果有限。

最后通過表14方案層權(quán)重排序做綜合分析，優(yōu)選各節(jié)能措施先后順序?yàn)椋篊5>C6>C1>C4>C7>C2 >C3，使用注意事項(xiàng)與效果見表15。

表15 各節(jié)能措施效果Table15 Effectofenergysavingmeasures排序單元節(jié)能措施備注節(jié)能效果1BOG優(yōu)化BOG運(yùn)行方式C5與C4結(jié)合顯著2全廠避免事故停車，提高一次性啟機(jī)成功率C6此項(xiàng)會引起泄壓放空損耗物料，并造成環(huán)境問題顯著3液化優(yōu)化三機(jī)組轉(zhuǎn)速與防喘振C1此項(xiàng)必須與工況負(fù)荷調(diào)整相結(jié)合，防止事故停機(jī)有效4儲罐優(yōu)化LNG潛液泵運(yùn)行方式C4與C5結(jié)合顯著5公用工程水質(zhì)調(diào)節(jié)及外排C7根據(jù)不同工況下濃縮倍數(shù)調(diào)節(jié)有效6三脫調(diào)整三脫單元貧液循環(huán)泵C2注意脫碳效果效果一般7三脫調(diào)整三脫單元塔溫C3注意胺液再生效果效果有限

4 結(jié) 論

通過綜合分析得出通用性結(jié)論如下：

(1) LNG工廠的能耗主要集中在水、電、氣3個方面，在能耗分析核算時需取各工況下穩(wěn)定運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行數(shù)理化分析，保證其核算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(2) AHP法可運(yùn)用當(dāng)前能耗核算數(shù)據(jù)，將模糊定性的節(jié)能降耗方案量化為科學(xué)權(quán)重，有效解決因分析資料有限而造成的決策瓶頸，降低調(diào)控風(fēng)險。

(3) LNG工廠在高負(fù)荷滿載運(yùn)行且連續(xù)性生產(chǎn)時能耗最省，并有效避免設(shè)備和物料的損耗。易于管理和調(diào)控，實(shí)現(xiàn)工廠綜合盈利。LNG產(chǎn)品能耗分析對于整個系統(tǒng)生產(chǎn)工藝的可持續(xù)性評價具有重要意義。

通過以上分析，歸納得出以下有效節(jié)能措施：

(1) 協(xié)調(diào)充足氣源，保持銷售渠道暢通。維持工廠高負(fù)荷滿載運(yùn)行，降低單位產(chǎn)品運(yùn)行成本，增加市場競爭力。

(2) 加強(qiáng)操作管理，提高員工素質(zhì)。避免事故停車，增大一次性啟機(jī)成功率，降低物料損耗。

(3) 優(yōu)化裝車頻次，控制BOG產(chǎn)生量。合理做好LNG潛液泵運(yùn)行-裝車-BOG壓縮機(jī)反輸聯(lián)動控制工作。

(4) 優(yōu)化三機(jī)組轉(zhuǎn)速，在滿足工況需求情況下合理利用防喘振調(diào)節(jié)節(jié)能。

(5) 做好不同負(fù)荷生產(chǎn)情況下循環(huán)冷卻水水質(zhì)調(diào)節(jié)。注意更換調(diào)整藥劑，優(yōu)化循環(huán)水泵工作頻率。

(6) 根據(jù)工況與胺液情況動態(tài)控制三脫塔溫及貧液循環(huán)泵流量。

[1] 何琨, 吳德榮. 節(jié)能節(jié)水技術(shù)在LNG工廠上的應(yīng)用[C]//2010年中國天然氣(含煤層氣/煤制天然氣)產(chǎn)業(yè)及系統(tǒng)管網(wǎng)建設(shè)發(fā)展論壇. 深圳: 中國石油工程建設(shè)協(xié)會, 2010.

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Energy consumption analysis and energy savingmeasures of large LNG plant

Yang Yuan1，Tang Wenjie2，Ji Anbin2，Sun Guijie2，Zhu Hua2, Ma Yuhua2

1．KeyLaboratoryofExplorationTechnologiesforOilandGasResources(YangtzeUniversity)，Wuhan,Hubei,China； 2．XinjiangOilfieldCompanyShixiOilfieldOperationAreas,Xinjiang,China

In order to study the energy consumption of large LNG plant, systematic analysis on the energy consumption situation were conducted and reasonable energy saving measures were proposed. Combined with GB/T 50441-2007EnergyConsumptionCalculationStandardforDesignofPetrochemicalIndustry, This paper conducted accounting on data from continuous operation of a large LNG plant, followed by scientific analysis with analytic hierarchy process (AHP), which finally led to energy-saving measures. The study results showed that electricity was the main energy source for the factory and reducing electricity consumption was the key measure for energy saving in the same processing scale. Unit energy consumption would decrease with the increasing of the daily processing load. Thus, energy saving was satisfactory at high processing load, and exhibited best at full capacity. Therefore, obtaining sufficient natural gas supply, maintaining smooth sales channels, achieving high load production could keep the operation cost of unit product at relatively low level.

energy consumption analysis, energy saving measure, unit energy consumption, load, LNG plant

長江大學(xué)科研發(fā)展基金(0709001)；長江大學(xué)發(fā)展基金(2011025)。

楊遠(yuǎn)(1990-)，女，長江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院2016級在讀碩士研究生，專業(yè)為礦物學(xué)、巖石學(xué)、礦床學(xué)。

E-mail：fengjiming@yeah.net

TE683

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.04.020

2016-12-10；

2017-04-18；編輯：鐘國利