中小型LNG 裝置節(jié)能降耗技術(shù)措施的應用與分析

左秋河

（中國石油天然氣股份有限公司天然氣銷售公司河北分公司）

1 能耗分析

在LNG 工廠裝置生產(chǎn)運行過程中，能源實物消耗主要以天然氣和電為主。以某類典型中小型LNG工廠裝置為例，對LNG 加工過程氣耗進行分析。

1.1 LNG 加工流程

原料氣首先通過過濾調(diào)壓進入脫碳系統(tǒng)，在吸收塔中天然氣與胺液（MDEA）逆向而流、充分接觸，用胺液脫除天然氣中的二氧化碳和部分酸性氣體，然后節(jié)流降壓，將胺液吸收的重組分進行閃蒸排放。脫酸合格之后進入干燥系統(tǒng)，利用分子篩進行脫水干燥；脫水干燥合格后進行粉塵過濾，然后脫汞，再進入脫重烴系統(tǒng)對重組分脫除后再次過濾。凈化合格后的天然氣進入冷劑換熱器（以下簡稱“冷箱”）降溫液化，并在中部（重烴分離罐）利用低溫再次對重組分進行脫除，從冷箱出來的LNG 經(jīng)過節(jié)流降壓進入氫氣閃蒸罐閃蒸氫氣，然后進入LNG 儲罐儲存；儲罐中LNG 的閃蒸氣經(jīng)BOG壓縮機壓縮進入冷箱再次液化，然后進行氮氣閃蒸回到LNG 儲罐[1-3]。

天然氣消耗主要用途為產(chǎn)品LNG、副產(chǎn)品重烴、自用氣（燃料氣和長明燈等）、各閃蒸罐的閃蒸放空氣和開車過程中不合格氣放空等。LNG 和重烴都輸產(chǎn)品可進行銷售，自用氣和閃蒸氣就是節(jié)能降耗的關鍵[4-5]。

1.2 同類工廠氣耗對比

隨機選取西北、西南和華北三個同類裝置LNG噸氣耗對比見圖1，發(fā)現(xiàn)在不同的負荷下，各個裝置的氣耗數(shù)據(jù)都是不一樣的，而且相差較大，雖然有氣源組分差異的因素，但是導致氣耗數(shù)據(jù)相差較大的主要原因是各個裝置自用氣量、各閃蒸罐的閃蒸放空氣量的不同。

圖1 LNG 噸氣耗對比Fig.1 Comparison of ton gas consumption for LNG

根據(jù)圖1a 可見LNG 的氣耗主要和生產(chǎn)負荷有直接關系，生產(chǎn)負荷越高，氣耗越低。所以要降低LNG 裝置氣耗，首先是要提裝置的運行負荷；其次在同類工廠中，相同負荷情況下華北LNG 工廠氣耗最低，在70%的負荷下，與西北LNG 工廠相比，每噸LNG 氣耗相差84 m3。由此可見運行情況不同導致氣耗也有所不同。根據(jù)圖1b 可見氣耗高的主要原因是自用氣和部分儲罐的閃蒸量太大造成的，平均自用氣占1.78%、閃蒸放空占1%，合計2.78%。所以要降低LNG 加工天然氣的消耗量，主要是要降低自用氣和閃蒸放空量。

1.3 LNG 加工過程電耗分析

LNG 加工主要采取的制冷方式為膨脹制冷、混合制冷和階式制冷三種制冷方式，為了降低裝置電耗，目前國內(nèi)的中小型LNG 工廠大多采用混合制冷工藝，混合制冷劑液化流程見圖2。在混合制冷工藝中，冷劑壓縮機為工廠用電量最高的設備，占比約為85%。所以要降低裝置電耗，首先是要降低冷劑壓縮機的電耗量。而導致能耗偏高的主要原因包括以下幾個方面：設計單位通常將液化裝置滿負荷運行作為最優(yōu)操作條件，而由于市場等原因，多數(shù)工廠裝置并不是穩(wěn)定在滿負荷運行；氣源條件的不斷變化造成設計工況和實際工況有一定的差別；冬夏環(huán)境溫度變化也會導致實際工況偏離設計值；在裝置頻繁發(fā)生負荷調(diào)整后，對冷劑循環(huán)量未進行對應調(diào)節(jié)[6-8]。

圖2 混合制冷劑液化流程Fig.2 Liquefaction process of mixed refrigerant

2 節(jié)氣措施

2.1 閃蒸氣回收

在裝置運行過程中，天然氣通過高壓低溫的吸收塔，與胺液逆向接觸，胺液吸收天然氣中的二氧化碳等酸性氣體，由于胺液還需要要重復利用，所以在經(jīng)過吸收塔后進行節(jié)流降壓至胺液閃蒸罐，然后將胺液經(jīng)過吸收塔溶解的烴類物質(zhì)進行閃蒸，然后調(diào)壓放空燃燒。經(jīng)分析，這部分閃蒸氣中甲烷含量在90%左右，閃蒸罐的運行壓力為0.35 MPa。工廠燃料的運行壓力為0.2～0.4 MPa，所以可增設氣液分離罐，將閃蒸氣中攜帶胺液進行分離，然后通過管道將這一部分閃蒸氣引入燃料氣管網(wǎng)中，閃蒸氣外輸工藝流程見圖3，用于鍋爐的燃燒的自用氣，從而降低自用氣的使用量。經(jīng)初步計算，在裝置運行期間每日可節(jié)約燃料氣約700 m3。

圖3 閃蒸氣外輸工藝流程Fig.3 Flow of transmission process for vapour

2.2 降低吹掃氣

自用氣主要包括燃料氣和火炬吹掃氣，燃料氣是根據(jù)裝置負荷大小進行控制使用量?；鹁娲祾邭馐菫榱吮ＷC火炬氣排放管網(wǎng)的安全運行，在火炬氣總管的上游最遠端設有固定的吹掃系統(tǒng)，防止火炬出現(xiàn)負壓，一直保持投用。LNG 工廠的火炬吹掃系統(tǒng)之前設計用的吹掃氣是天然氣，但是天然氣作為火炬吹掃氣的成本高，故改為氮氣作為火炬吹掃氣。在原設計中，PSA 氮氣產(chǎn)量為150 m3/h，在保證裝置系統(tǒng)用量情況下，富裕部分可作為火炬吹掃氣，若量不足，可用液氮作為補充。火炬在運行過程中，設計上采用天然氣進行吹掃，上述某LNG 工廠火炬吹掃點為5 個，每天火炬吹掃氣天然氣耗量在3 240 m3左右。將火炬出掃氣由天然氣改為氮氣，可以減少LNG 工廠天然氣的損耗，降低生產(chǎn)成本；增加氮氣吹掃管線后，火炬吹掃系統(tǒng)中的天然氣和氮氣兩路吹掃氣可以相互備用，更好地保證了火炬排放的運行安全；將火炬吹掃氣由天然氣改為氮氣，既可以節(jié)約天然氣，又可以減少碳排放。

2.3 BOG 外輸

某工廠屬于調(diào)峰型LNG 工廠，最初設計BOG回收工藝主要是BOG 壓縮再液化，在后期運行過程中，發(fā)現(xiàn)冷箱的BOG 通道出現(xiàn)凍堵、BOG 濾芯凍堵等故障狀況后，冷箱需要復溫吹掃，導致BOG 不能進行再液化，只能進行放空燃燒。為了減少BOG放空燃燒，造成能源浪費，在壓縮機后增加管線閥門，將BOG 外輸至城市管網(wǎng)。在LNG 裝置生產(chǎn)運行狀態(tài)下，采取壓縮再液化工藝回收處理BOG；在LNG 裝置停產(chǎn)或BOG 系統(tǒng)出現(xiàn)凍堵或壓力過高時，BOG 壓縮后通過外輸管網(wǎng)輸送至城市低壓管網(wǎng)。

2.3.1 工藝介紹

BOG 壓縮再液化和外輸回收工藝對比見圖4。將大儲罐閃蒸出的BOG 氣體通過BOG 壓縮機增壓至1.2 MPa 后，進入冷箱E 通道進行再液化，E 通道出來的液化天然氣再經(jīng)過氮氣閃蒸罐，脫除LNG 中的氮氣后，富含氮氣的氣相進入燃料氣管網(wǎng)，液相LNG 產(chǎn)品通過液相控制閥輸送至LNG 儲罐；如圖4b 所示，將LNG 儲罐閃蒸出的BOG 氣體通過BOG壓縮機增壓至1.2 MPa 后，然后用汽化器進行升溫，通過外輸管線將BOG 輸送至城市管網(wǎng)，實現(xiàn)儲罐BOG 的回收利用。

圖4 BOG 壓縮再液化和外輸回收工藝對比Fig.4 Comparison between BOG compression liquefaction and transmission recovery process

上述兩種BOG 回收工藝，除了在正常運行生產(chǎn)況下和停車狀態(tài)下減少BOG 的排放外，在生產(chǎn)運行過程中發(fā)生故障時，通過特殊控制方法，也能有效地減少生產(chǎn)事故中的BOG 氣體排放，主要采取以下措施。

當冷箱E 通道入口過濾器凍堵時，BOG 壓縮機出口壓力會增加，導致管道壓力過高和壓縮機電流過高，所以需停止BOG 壓縮機，對過濾器濾芯進行清理，這時LNG 儲罐壓力升高后，只能將BOG 排放至火炬放散處理。采用BOG 外輸工藝，可以不用再停BOG 壓縮機，直接把再壓縮的BOG 通過閥門控制，將其輸送城市外輸管網(wǎng)，等過濾器濾芯清理后，恢復BOG 壓縮再液化工藝流程即可；當冷箱A/B 通道入口過濾器凍堵時，需對A/B 通道進行復溫操作，這時隨著A/B 通道溫度上升，冷箱底部溫度、LNG 產(chǎn)品溫度、E 通道溫度受到一連串影響，導致BOG 壓縮機負荷大、出口壓力過高的情況，甚至導致BOG 壓縮機停機，這時LNG 儲罐壓力由于LNG 產(chǎn)品溫度升高和BOG 壓縮機的停機而迅速升高，為保證LNG 儲罐的安全，只能將BOG 排放至火炬處理。采用BOG 外輸工藝，根據(jù)現(xiàn)場復溫的實際情況，可以縮短停BOG 壓縮機的時間，或不停BOG 壓縮機，直接把再壓縮的BOG 輸送城市外輸管網(wǎng)，等A/B 通道復溫完成后，恢復BOG 壓縮再液化工藝流程即可；當?shù)獨忾W蒸罐出現(xiàn)排液不暢或運行壓力過高時，需要對氮氣閃蒸罐壓力進行排放至火炬處理，采用BOG 外輸工藝可以在BOG 再液化工藝的基礎上，同時適當打開城市管網(wǎng)外輸閥門，雙向運行，待氮氣閃蒸罐壓力恢復正常后關閉外輸閥門。

2.3.2 開車工藝氣回收

LNG 工廠在開車過程中會產(chǎn)生一部分指標不合格的天然氣放空燃燒。開車期間不合格天然氣產(chǎn)生的主要原因是在開車前期，脫酸區(qū)胺液需加熱再生、脫水區(qū)的分子篩和脫重烴區(qū)的活性炭需進行活化，在此期間，不能夠正常脫酸、脫水和脫重烴。為了避免冷鮮出現(xiàn)水和二氧化碳凍堵，導致停車，所以天然氣進入冷箱前進行放空燃燒。由于在脫水區(qū)的再生氣就是在進入冷箱前取得，然后加熱再生，然后通過再生氣壓縮機，將再生返回脫水區(qū)入口。所以根據(jù)工廠的實際運行情況，可將不合格的天然氣通過再生氣壓縮增壓后，加裝閥門管線，將不合格的天然氣進行回收至外輸氣管網(wǎng)，節(jié)約開車成本。開車工藝氣外輸見圖5，從工廠脫水區(qū)再生氣壓縮機出口V-208 連接管線、氣液分離器和流量計，將不合格的天然氣輸至城市管網(wǎng)。當合格的天然氣進入冷箱后，在重烴分離罐溫度為降到脫離重烴的溫度時，此部分天然氣不能進入冷箱底部，所以也需要進行放空燃燒，在重烴分離罐頂部增加調(diào)節(jié)閥門，根據(jù)重烴分離儲罐的壓力，對未達到脫離重烴的天然氣回收外輸至城市管網(wǎng)；在天然氣進入冷箱底部后，由于底部溫度未達到LNG 儲存溫度，不能直接進入LNG 儲罐，所以此部分天然氣也加裝調(diào)節(jié)閥門進行外輸。

圖5 開車工藝氣外輸Fig.5 Transmission of start-up process gas

3 節(jié)電措施

由于冷劑壓縮機的電耗量，主要根據(jù)冷劑的循環(huán)量進行調(diào)整，冷劑循環(huán)量越大，冷劑壓縮機電流越高，在確保安全運行的基礎上，用歷史操作記錄分析冷劑壓縮機及冷箱的操作范圍，根據(jù)壓縮機性能曲線，分析冷劑流量及壓力對性能的影響優(yōu)化冷箱內(nèi)部的熱交換，有效減小低溫段的換熱溫差確定最佳冷劑操作條件（壓力、組成及流量），有效降低天然氣液化過程的冷劑壓縮機功耗。主要采用以下方法：混合冷劑組成可通過補充或?qū)С霾糠掷鋭﹣韺崿F(xiàn)；冷劑壓縮機入口壓力可通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度來實現(xiàn)；冷劑流量可通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度及補充或?qū)С霾糠掷鋭﹣韺崿F(xiàn)[9-10]。

需要根據(jù)實際運行情況對冷劑配比、壓縮入口壓力和流量進行調(diào)節(jié)優(yōu)化。在操作時，綜合考慮冷劑操作條件對壓縮機性能的影響，根據(jù)天然氣處理負荷調(diào)節(jié)壓縮機進口壓力及流量，冷劑流量不能低于喘振線上的最小流量，處理負荷過低時需補充冷劑循環(huán)以滿足最小流量。

在裝置確定運行負荷且運行平穩(wěn)后，觀察冷劑壓縮機、冷箱運行狀態(tài)和重烴分離器的運行狀態(tài)，首先在保證LNG 產(chǎn)品溫度合格、重烴分離效果的條件下，調(diào)整節(jié)流閥的開度，降低冷劑的整體流量，在降低冷劑流量的過程中，保證冷劑流量不能低于PLC 喘振線上設定的最小流量，壓縮機一段實際質(zhì)量流量與設定質(zhì)量流量差值應大于800 kg/h，二段實際質(zhì)量流量與設定質(zhì)量流量差應大于300 kg/h。如果在調(diào)節(jié)過程中發(fā)現(xiàn)冷劑系統(tǒng)整體冷量偏多，可以進行冷劑的導出，在導出的過程中觀察冷箱溫度分布，可以通過冷劑的導出和補充將冷箱溫度分布調(diào)至最佳狀態(tài)，冷箱溫度梯度的分布可以參考天然氣組分的變化進行調(diào)整。

4 經(jīng)濟效益分析

通過回收閃蒸氣和降低自用氣兩項措施，在裝置開車期間，每日可減少排放天然氣約3 940 m3；通過BOG 外輸和開車工藝氣回收，在主裝置停產(chǎn)期間和裝置開車期間，能夠?qū)OG 和開車工藝氣進行外輸，平均可減少排放天然氣約90×104m3/a；以上技術(shù)改造費用約為60 萬元，只需一次性投資，根據(jù)目前幾家工廠的實際運行情況，投資回收期只需1 a 即可。某工廠通過優(yōu)化冷劑配比，平均每年可減少用電量278×104kWh。通過以上節(jié)能降耗措施，不僅可以有效降低LNG 工廠的生產(chǎn)成本，而且可以大幅減少LNG 工廠的碳排放量。

5 結(jié)束語

通過分析LNG 工廠涉及到的主要能耗量，天然氣消耗量和電耗量，確定LNG 工廠實際運行過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)回收利用或降低消耗的能耗量，主要為各種儲罐的閃蒸氣、吹掃氣和開車調(diào)試用氣，可進行回收利用。然后通過技術(shù)改造，將工廠目前的放空燃燒的天然氣進行回收利用，降低加工的成本；根據(jù)實際運行情況，調(diào)整冷劑配比、流量和壓力，降低壓縮機電耗量。通過以上4 項節(jié)能技術(shù)，降低LNG 工廠的天然氣消耗量，平均每年減少天然氣消耗量約為190×104m3；通過調(diào)節(jié)冷劑配比，每年降低電量消耗約為278×104kWh。