LNG接收站供氮方案分析
——以廣東大鵬LNG接收站為例

王沛金 吳其林 陳妙蘭 陳長(zhǎng)雄 王幼林 張玉強(qiáng)

1.廣東大鵬液化天然氣有限公司 2.廣東省非常規(guī)能源工程技術(shù)研究中心 3.廣東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院

氮?dú)馐且环N化學(xué)性質(zhì)極不活潑的“惰性”氣體，常作為保護(hù)氣廣泛應(yīng)用于石油天然氣、化工、冶金等多個(gè)行業(yè)[1-2]。對(duì)于LNG接收站而言，氮?dú)庵饕糜诠艿阑蛟O(shè)備的吹掃置換及設(shè)備的密封，且氮?dú)饧兌缺仨氃?8%以上。在正常情況下，氮?dú)庑枰B續(xù)使用于卸料臂和氣相返回臂的旋轉(zhuǎn)接頭、低壓泵、高壓泵、BOG壓縮機(jī)及火炬總管；當(dāng)卸料臂使用前后或管道需要維護(hù)檢修時(shí)，則需要較大用量的氮?dú)膺M(jìn)行吹掃置換[3]。

接收站通常需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝的用氮需求、裝置的可靠性及生產(chǎn)成本等因素，選擇合適的供氮裝置組合[4]。目前國(guó)內(nèi)大多建成的LNG接收站采用PSA制氮與液氮?dú)饣嘟Y(jié)合的方案供氮[5-8]。

本文以廣東大鵬LNG接收站為例，從工藝要求和經(jīng)濟(jì)性兩方面對(duì)購(gòu)買液氮?dú)饣o助PSA制氮系統(tǒng)和液氮?dú)饣到y(tǒng)單獨(dú)供氮這兩種供氮方案進(jìn)行綜合分析比較，最終推選出較優(yōu)方案，并進(jìn)行改進(jìn)。

1 供氮方法的概述及比較

目前常見(jiàn)的制氮方法主要有深冷制氮法、變壓吸附制氮法、膜分離制氮法[9]。一般而言，深冷制氮主要應(yīng)用大規(guī)模工業(yè)，不適用于接收站，因此，接收站通常采取變壓吸附制氮或膜分離制氮方法來(lái)保證日常供氮。但考慮到接收站間歇用氮量較大，通常需要采取外購(gòu)液氮?dú)饣姆绞捷o助供氮[10]。

1.1 液氮?dú)饣?/h3>

利用直接購(gòu)買液氮的方式，將液氮儲(chǔ)存于一定容積的儲(chǔ)罐中。其中，液氮儲(chǔ)罐底部有自增壓裝置。當(dāng)打開(kāi)增壓閥門時(shí)，液氮經(jīng)過(guò)液氮儲(chǔ)罐底部的空溫式氣化器氣化，并回到液氮儲(chǔ)罐的頂部，使氣相空間中氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量增大，則液氮儲(chǔ)罐的壓強(qiáng)也隨之增大，從而達(dá)到自增壓的效果[11]。

當(dāng)用氮高峰需求時(shí)，液氮在液氮儲(chǔ)罐內(nèi)部的氣相空間壓力和液柱壓力的共同作用下輸送至空溫式氣化器，使液氮在盤管中與外界空氣充分換熱氣化后進(jìn)入氮?dú)夤芫W(wǎng)。某接收站有兩套液氮?dú)饣b置，一備一用，其具體工藝流程見(jiàn)圖1。

1.2 變壓吸附制氮法

變壓吸附制氮，又稱為PSA制氮，它是以空氣為原料，利用分子篩對(duì)氧和氮的吸附性能差異實(shí)現(xiàn)氣體分離，制取高純度的氮?dú)鈁12-13]。通過(guò)變壓吸附法所制得的氮?dú)饧兌?質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)一般在95%～99.9%，而接收站對(duì)氮?dú)饧兌纫筝^高，需達(dá)98%以上。因此，可適當(dāng)降低制氮機(jī)的氮?dú)獬隹诹髁浚沟獨(dú)獾募兌忍岣?，進(jìn)而滿足現(xiàn)場(chǎng)工藝要求。

對(duì)于PSA制氮系統(tǒng)而言，分子篩的吸附性能在很大程度上決定了出口處氮?dú)饧兌龋肿雍Y對(duì)壓縮空氣的質(zhì)量要求較高，因此，對(duì)壓縮空氣的凈化尤為重要。一般來(lái)說(shuō)，空氣經(jīng)過(guò)空壓機(jī)壓縮后進(jìn)入壓縮空氣凈化系統(tǒng)，通過(guò)凈化系統(tǒng)的除油、除水以及除塵處理后，方可進(jìn)入PSA吸附系統(tǒng)進(jìn)行氮氧分離[14]。同時(shí)，PSA吸附系統(tǒng)需要通過(guò)兩個(gè)吸附塔并聯(lián)，來(lái)實(shí)現(xiàn)交替進(jìn)行加壓吸附與解壓再生，滿足接收站的持續(xù)用氮需求[15]。具體工藝流程見(jiàn)圖2。

1.3 膜分離制氮法

在一定的壓力作用下，利用空氣中各種組分在膜中的不同滲透速率來(lái)實(shí)現(xiàn)分離，氮?dú)獾臐B透速率相對(duì)較慢，通常在高壓滯留側(cè)富集[16]。

膜分離制氮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為緊湊且產(chǎn)氣速度快，適用于氮?dú)饧兌炔桓叩挠脩簟．?dāng)?shù)獨(dú)饧兌刃柽_(dá)98%以上時(shí)，其設(shè)備成本較相同規(guī)格的PSA制氮系統(tǒng)高得多[17]。因此，從設(shè)備投資的角度出發(fā)，PSA制氮系統(tǒng)較膜分離制氮系統(tǒng)應(yīng)用于接收站更具優(yōu)勢(shì)。

1.4 3種供氮方法的比較

液氮?dú)饣ǖ墓に囎顬楹?jiǎn)單，且供氮速度快，氮?dú)饧兌雀?，是目前大多?shù)接收站必要的供氮方法[10]。而PSA制氮和膜分離制氮這兩種供氮方法在純度或流量上需要經(jīng)常調(diào)節(jié)，才能滿足接收站用氮要求[9]。其次，二者均依賴于電能，一旦發(fā)生斷電，需要啟動(dòng)應(yīng)急供電裝置[18]。目前，LNG接收站比較傾向于采用PSA制氮工藝來(lái)維持日常用氮[6]。

2 供氮方案的運(yùn)行成本分析

某接收站有兩套PSA制氮裝置，一備一用。在正常工況下，氮?dú)獬掷m(xù)使用量較少，平均值為80 m3/h，且純度需達(dá)98%以上。而1套PSA制氮裝置的產(chǎn)氮能力為100 m3/h，純度達(dá)99.5%以上，理論上能夠滿足接收站正常工況下的用量需求。在卸船即將結(jié)束時(shí)，需要較大用量的氮?dú)獯祾咝读媳?。其中，每條卸料臂的氮?dú)庀牧拷茷?00 m3/h，平均吹掃時(shí)間為1.5～2 h[19]，故往往需要液氮?dú)饣到y(tǒng)與PSA制氮系統(tǒng)同時(shí)供氮，具體供氮方案及系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)圖3和表1。

然而，在實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行中，由于來(lái)自空壓機(jī)系統(tǒng)的氣源壓力波動(dòng)較大，影響了分子篩對(duì)氧的吸附性能，故通過(guò)調(diào)節(jié)閥門的開(kāi)度來(lái)降低氮?dú)獬隹诹髁?，使氮?dú)饧兌葷M足工藝要求，由此導(dǎo)致1套產(chǎn)氮能力為100 m3/h且純度達(dá)99.5%以上的PSA制氮裝置，在相同純度條件下的平均產(chǎn)氮量?jī)H能達(dá)到55 m3/h[10]。其次，制氮裝置冷干機(jī)的處理能力低、出口管線的背壓高以及產(chǎn)能的逐年下降等因素也會(huì)影響制氮裝置的產(chǎn)氮量[20-21]，這使得裝置近期在相同純度條件下的實(shí)際產(chǎn)氮量?jī)H有30 m3/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以滿足用量需求，即說(shuō)明在日常情況下，液氮?dú)饣到y(tǒng)仍需向氮?dú)夤芫W(wǎng)供應(yīng)氮?dú)?，?dǎo)致日常液氮使用量偏大，影響經(jīng)濟(jì)效益。

表1 供氮系統(tǒng)性能參數(shù)供氮系統(tǒng)工作壓力/MPa氮?dú)饧兌?w)/%露點(diǎn)/℃產(chǎn)氮能力/(m3·h-1)PSA制氮系統(tǒng)0.69≥99.5≤-60100液氮?dú)饣到y(tǒng)0.69>99.9無(wú)水520 注:文中的產(chǎn)氮量及用氮量?jī)H適用于標(biāo)況條件下。

由于PSA制氮裝置的經(jīng)濟(jì)性變差，因此考慮利用液氮?dú)饣到y(tǒng)來(lái)代替PSA制氮系統(tǒng)為接收站日常供氮，具體供氮方案見(jiàn)圖4。

2.1 運(yùn)行成本計(jì)算模型

液氮?dú)饣o助PSA制氮系統(tǒng)供氮方案的運(yùn)行成本包括液氮采購(gòu)費(fèi)W1、設(shè)備折舊費(fèi)W2、電費(fèi)W3及維修保養(yǎng)費(fèi)W4，而液氮?dú)饣到y(tǒng)單獨(dú)供氮方案的運(yùn)行成本僅包括液氮采購(gòu)費(fèi)W1及設(shè)備折舊費(fèi)W2。

2.1.1 液氮采購(gòu)費(fèi)

液氮采購(gòu)費(fèi)W1按公式(1)計(jì)算：

W1=Q1d1

(1)

式中：Q1為液氮使用量，t；d1為液氮單價(jià),元/t。

2.1.2 設(shè)備折舊費(fèi)

設(shè)備折舊費(fèi)W2按公式(2)計(jì)算[22]：

W2=S0P1

(2)

式中：S0為固定資產(chǎn)原值,元；P1為折舊率，%。

2.1.3 電費(fèi)

電費(fèi)W3按公式(3)計(jì)算：

W3=Q2d2

(3)

式中：Q2為用電量，kW·h；d2為電費(fèi)單價(jià)，元/(kW·h)。

2.1.4 維修保養(yǎng)費(fèi)

維修保養(yǎng)費(fèi)W4一般需要根據(jù)設(shè)備的實(shí)際使用情況來(lái)確定。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某接收站PSA制氮系統(tǒng)的維修保養(yǎng)費(fèi)約為10萬(wàn)元/年，液氮?dú)饣到y(tǒng)的維修保養(yǎng)費(fèi)可忽略不計(jì)。

綜上，供氮方案的運(yùn)行成本計(jì)算公式見(jiàn)式(4)：

(4)

2.2 液氮?dú)饣o助PSA制氮系統(tǒng)供氮方案運(yùn)行成本

PSA制氮系統(tǒng)的產(chǎn)氮能力為100 m3/h，且氮?dú)饧兌冗_(dá)99.5%以上，而裝置近期在相同純度條件下的實(shí)際產(chǎn)氮量?jī)H有30 m3/h，即說(shuō)明接收站日常80 m3/h且純度需達(dá)98%以上的用氮量，仍需要由液氮?dú)饣到y(tǒng)供應(yīng)50 m3/h，折算成質(zhì)量流量為62.5 kg/h，則一年所需的液氮采購(gòu)費(fèi)為：

W1=Q1d1=62.5×10-3×24×365×800=43.8(萬(wàn)元)

而PSA制氮系統(tǒng)運(yùn)行成本主要為設(shè)備折舊費(fèi)、維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)、電費(fèi)。其中，PSA制氮系統(tǒng)的一次性投資為180萬(wàn)元，按10年折舊，不計(jì)殘值，則年折舊費(fèi)W2為18萬(wàn)元；維修保養(yǎng)費(fèi)W4為更換配件的費(fèi)用，約10萬(wàn)元/年；而1套PSA制氮裝置的功率為41 kW，則裝置持續(xù)運(yùn)行1年的用電量為：

Q2=41×24×365=35.9×104(kW·h)

考慮到深圳實(shí)施峰谷電價(jià)方案，具體見(jiàn)表2。

由于接收站涉及用電的設(shè)備較多，在此不考慮基本電費(fèi)。而1天用電的高峰時(shí)段、平時(shí)段、低谷時(shí)段的時(shí)長(zhǎng)分別為7 h、9 h、8 h，算得平均電價(jià)d2為0.55元/(kW·h)，則PSA制氮系統(tǒng)運(yùn)行1年的電費(fèi)為：

W3=Q2d2=35.9×104×0.55=19.7(萬(wàn)元)

2.3 液氮?dú)饣到y(tǒng)單獨(dú)供氮方案運(yùn)行成本

液氮?dú)饣到y(tǒng)運(yùn)行成本主要為液氮采購(gòu)費(fèi)、設(shè)備折舊費(fèi)。在正常工況下，接收站的日常平均用氮量為80 m3/h，折算成質(zhì)量流量為100 kg/h。當(dāng)PSA制氮系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，則該部分的氮?dú)饬烤梢旱獨(dú)饣a(chǎn)生。而液氮的價(jià)格一般為600～1000 元/噸，取中間值為800 元/噸。則1年所需的液氮采購(gòu)費(fèi)為：

W1=Q1d1=100×10-3×24×365×800=70.1(萬(wàn)元)

而液氮?dú)饣到y(tǒng)的一次性投資為50萬(wàn)元，按10年折舊且不計(jì)殘值，即年折舊率為10%，則設(shè)備年折舊費(fèi)為：

W2=S0P1=50×10%=5(萬(wàn)元)

綜上，對(duì)兩種供氮方案的運(yùn)行成本進(jìn)行比較，具體情況見(jiàn)表3。

表3 供氮方案的運(yùn)行成本比較萬(wàn)元/年供氮方案液氮采購(gòu)費(fèi)年折舊費(fèi)電費(fèi)維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)運(yùn)行成本液氮?dú)饣o助PSA制氮系統(tǒng)供氮方案43.81819.71091.5液氮?dú)饣到y(tǒng)單獨(dú)供氮方案70.15--75.1

顯然，液氮?dú)饣到y(tǒng)單獨(dú)供氮方案運(yùn)行成本相對(duì)較低，反映了在PSA制氮系統(tǒng)產(chǎn)能低的情況下，利用液氮?dú)饣到y(tǒng)來(lái)代替PSA制氮系統(tǒng)為接收站日常供氮，在經(jīng)濟(jì)上是可行的。如果考慮重新購(gòu)置制氮裝置投入運(yùn)行，需要慎重考慮裝置的實(shí)際使用壽命及投資回收期。

近期，考慮到成本原因，將PSA制氮系統(tǒng)關(guān)停，不再投入運(yùn)行，僅保留液氮?dú)饣到y(tǒng)為接收站供氮。

3 液氮?dú)饣到y(tǒng)單獨(dú)供氮方案的可行性分析

液氮?dú)饣到y(tǒng)是由2個(gè)20 m3的液氮儲(chǔ)罐以及4臺(tái)空溫式氣化器及分配管道組成，每個(gè)空溫氣化器的氣化能力為520 m3/h。通常情況下，1個(gè)液氮儲(chǔ)罐連接2個(gè)并聯(lián)的空溫式氣化器，即每套液氮?dú)饣b置的最大氣化能力可達(dá)到1 040 m3/h，而氮?dú)庾畲蟠祾吡繛樾洞磳⒔Y(jié)束時(shí)的卸料臂吹掃(4個(gè)液相臂和1個(gè)氣相臂)及日常消耗量的總和，約為580 m3/h，故1套液氮?dú)饣b置的供氮能力在理論上就滿足接收站氮?dú)庥昧扛叻逍枨蟆?/p>

但考慮到卸料臂吹掃時(shí)要求氮?dú)夤?yīng)速度要快，故接收站一般采用氮?dú)饩彌_罐儲(chǔ)存一定量較高壓力的氮?dú)膺M(jìn)行補(bǔ)充供氮。當(dāng)?shù)獨(dú)饩彌_罐(20 m3)的壓力從1.6 MPa降至0.9 MPa時(shí)，可供氮?dú)饬繛椋?/p>

=130(m3)

(5)

從現(xiàn)場(chǎng)觀察記錄發(fā)現(xiàn)，液氮?dú)饣到y(tǒng)能夠單獨(dú)平穩(wěn)供氮，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備也無(wú)異常情況。具體供氮情況見(jiàn)圖5。

4 結(jié)論

上述方案實(shí)施后，通過(guò)觀察液氮?dú)饣到y(tǒng)的近期運(yùn)行情況發(fā)現(xiàn)，液氮?dú)饣到y(tǒng)供氮正常。同時(shí)，利用液氮?dú)饣到y(tǒng)單獨(dú)供氮的運(yùn)行成本較購(gòu)買液氮?dú)饣o助PSA制氮低。由此說(shuō)明，在PSA制氮系統(tǒng)產(chǎn)能低的情況下，通過(guò)液氮?dú)饣到y(tǒng)單獨(dú)為接收站供氮是可行的。倘若液氮的冷能能夠得到有效利用，該方案的經(jīng)濟(jì)效益將會(huì)顯著提高,且對(duì)于類似該供氮方案的接收站具有一定的借鑒意義。