大型LNG工廠能耗分析及節能措施

楊 遠 唐文潔 齊安彬 孫貴杰 朱 華 馬玉華

1.長江大學地球科學學院油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室2. 新疆油田公司石西油田作業區

大型LNG工廠能耗分析及節能措施

楊 遠1唐文潔2齊安彬2孫貴杰2朱 華2馬玉華2

1.長江大學地球科學學院油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室2. 新疆油田公司石西油田作業區

為了研究大型LNG工廠能耗組成，系統分析能耗情況并提出合理節能措施。結合GB/T 50441-2016《石油化工設計能耗計算標準》，運用某大型LNG工廠性能考核期間連續運轉數據進行核算，再利用層次分析法科學分析，最后提出節能降耗措施。研究表明，某大型工廠的主要用能為電能，在相同處理規模下降低工廠的用電量是節能的關鍵。單位能耗隨日處理量的增大而減小，工廠在高負荷運行下較優，滿載生產情況下最為節能。因此，協調充足的原料氣氣源，保持銷售渠道暢通，進行高負荷生產有利于降低單位產品的運行成本。

能耗分析 節能措施 單位能耗 負荷 LNG工廠

LNG工廠是低溫工程與化學工程的結合體，既有傳統化工企業生產流程復雜、過程管控嚴格等特點，又具備低溫工程領域對設備設施要求高、溫度控制精確等要求。而低溫LNG的獲取需透平機械與換熱器合理配合使用，所以能耗是LNG工廠的關鍵[1]。本文基于某大型LNG工廠50%～100%負荷下運行情況，結合GB/T 50441-2016《石油化工設計能耗計算標準》[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據支撐下做節能分析，最后通過專家決策庫提出解決方案(節能舉措)，并做出相應預測性建議。

1 工程簡介

某大型LNG工廠天然氣處理能力為500×104m3/d， LNG產量為120×104t/a，生產操作彈性為50%～100%，工藝、設備全部國產化，主要由脫碳、脫水、脫汞、液化、BOG、公用工程等部分組成，生產流程見圖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階式制冷工藝，最后一級改進為混合冷劑制冷，分別由丙烯、乙烯、甲烷3臺壓縮機提供動力。負荷由大到小依次為丙烯機、乙烯機、甲烷機。在換熱器部分，原料氣通過7個蒸發器和一個板翅式換熱器逐級降溫冷卻，直至液化。液化裝置同時設有重烴洗滌塔，脫除重烴，以防止最后一級冷箱凍堵[3-5]。

綜上所述，某大型LNG工廠制冷循環長，換熱器及其動設備較多，能耗分析工作艱巨，節能潛力大。

2 能耗核算與分析

能耗核算數據取自工廠性能考核期間連續性數據。投料開車產出合格產品，滿負荷運行，設備匹配調整至最佳狀態運行4 h后，分別調整生產負荷至50%、80%、100%。50%工況負荷數據采用當時的50%工況條件下數據，80%數據采用工況條件下連續穩定運行24 h，100%數據采用工況條件下至少連續穩定運行48 h；綜合能耗計算標準執行GB/T 50441-2016。

能耗分析選用層次分析法。將問題分解規整成目標、準則、方案3種層次，再帶入能耗核算數據進行定性、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，裝置各生產負荷運行下采集統計數據。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。其計算方法如下：

燃料氣能耗=24 h(燃料氣分配罐累計總量)× 33.81 MJ/m3

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

循環水能耗=24 h水表累計總量×6.28 MJ/t

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

綜合能耗計算結果見表1。

層次分析過程如下：

(1) 建立物理模型，建立結構模型圖(見圖2)。

(2) 依據能耗核算數據建立矩陣比較打分，比較值過大的引用數字1～9及其倒數作為標度來定義判斷矩陣A=(aji)nxn。同時，依次對建立矩陣進行層次合成計算與一次性檢驗：

(1)

其中，λmax為判斷矩陣的最大特征值[6]。

(2)

當CR<0.10時，認為通過了一次性檢驗，否則應作適當修正。

(3) 計算權重向量W，在此選用幾何平均法(方根法)。

(3)

計算步驟為：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5一次性檢驗均通過。將不同方案各準則要素的權重矩陣(見表2)Wi與各準則要素的相對權重矩陣(見表3～表5)Wi相乘，得到各方案層要素權重并排序(見表6)，經計算還能得到中間層要素權重并排序(見表7)。

表2 目標層A矩陣運算Table2 AmatrixoperationoftargetlayerAB1B2B3WiB119/59/50．4737B2110．2632B310．2632

表3 準則層B1矩陣運算Table3 B1matrixoperationofcriterionlayerB1C1C2C3WiC1121/80．1218C211/90．0738C310．8044

表4 準則層B2矩陣運算Table4 B2matrixoperationofcriterionlayerB1C1C2C3WiC1121/80．1218C211/90．0738C310．8044

表5 準則層B3矩陣運算Table5 B3matrixoperationofcriterionlayerB1C1C2C3WiC1121/80．1218C211/90．0738C310．8044

表6 方案層權重排序Table6 Weightorderingofschemelayer方案層C1C2C3權重0．12180．07380．8044排序231

表7 中間層權重排序Table7 Weightorderingofmiddlelayer中間層B1B2B3權重0．47370．26320．2632排序122

經以上運算分析，通過表1綜合能耗計算與表6方案層權重分析結果可得，電耗是整個LNG工廠綜合能耗的關鍵，權重值達0.804 4，遠高于燃料氣與新鮮水消耗，下步應針對裝置電耗做具體核算，找出節能降耗關鍵；通過表1綜合能耗計算與表7中間層權重分析可得，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，能耗就會上升到一個定值，不會因為處理量小而能耗低，所以能耗與處理量無關。

2.2 裝置電耗

依照以上綜合能耗計算分析結果，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，裝置各生產負荷運行下采用電力檢測系統統計數據[7]。

制冷系統裝置用能單位主要為：丙烯壓縮機、乙烯壓縮機及甲烷壓縮機三機組。制冷能耗計算方法為：制冷能耗=(丙烯壓縮機日耗電量+乙烯壓縮機日耗電量+甲烷壓縮機日耗電量)÷進冷箱天然氣流量計流量計日累計量。

工藝系統裝置用能單位主要為：“三脫”裝置單元(包括低壓貧液泵、貧液循環泵、再生氣壓縮機等)、液化裝置單元(包括丙烯壓縮機、乙烯壓縮機、甲烷壓縮機等壓縮機組和重烴回流泵等)和BOG增壓裝置單元(包括BOG壓縮機等)。工藝能耗計算方法為：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。全廠能耗計算方法：工藝能耗=110 kV變電站計量表日累積量÷上游分輸站原料氣來氣流量計日累積量。

用電量匯總見表8，電耗核算數據見表9。

表8 用電量匯總表Table8 Summarysheetofpowerconsumption序號時間天然氣進氣量/(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 電耗核算數據表Table9 Dataanalysisofpowerconsumption序號時間天然氣進氣量/(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滿負荷運行期間，液化裝置三機組的制冷電耗為0.24 kWh/m3、主要工藝裝置區電耗為0.26 kWh/m3、全廠的綜合電耗為0.29 kWh/m3，從各裝置情況看，液化裝置三機組能耗最大，BOG單元次之。而三機組轉速可調范圍小，還有制冷負荷、機組喘振等條件限制，故節能手段有限。但BOG壓縮機可調范圍大，能與大罐LNG潛液泵、裝車等要素負荷調控，優化工況。多余氣還能供給燃料氣系統使用，極具節能降耗潛力。

工廠負荷大小對于單方能耗影響較大，工廠在不同負荷下的能耗見圖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，說明該廠在高負荷運行下較優，滿載生產情況下最為節能。因此，協調充足的原料氣氣源，保持銷售渠道暢通，進行高負荷生產有利于降低單位產品的運行成本。

3 節能措施

綜上所述，工廠的主要用能為電能，在相同處理規模下降低工廠的用電量是節能的關鍵。通過裝置電耗分析結果，分別根據專家意見提出節能方案制定方案層，具體節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 目標層A矩陣運算Table10 AmatrixoperationoftargetlayerAB1B2B3WiB1131/70．1488B211/90．0658B310．7854

表11 準則層B1矩陣運算Table11 B1matrixoperationofcriterionlayerB1C1C3C6C7WiC111/31/51/70．0520C311/41/60．0991C611/40．2491C710．5998

表12 準則層B2矩陣運算Table12 B2matrixoperationofcriterionlayerB2C3C6WiC311/50．1667C610．8333

表13 準則層B3矩陣運算Table13 B3matrixoperationofcriterionlayerB3C1C2C4C5C6C7WiC11321/4140．1783C211/31/51/330．0701C411250．2077C51370．3620C6130．1415C710．0403

表14 方案層權重排序Table14 Weightorderingofschemelayer方案層C1C2C3C4C5C6C7權重0．14780．05510．02570．16320．28430．20310．1209排序3674125

通過圖3與表11對照分析可得，節水措施C1、C3、C6、C7四項中C7水質調節及外排權重最大，所以平時應加強藥劑控制。在低負荷運行和停工期間循環水低蒸發率情況下還應注意改變藥劑配方，根據濃縮倍數變化動態優化水質[9]；C6避免事故停車，提高一次性啟機成功率權重次之，此項與清洗預膜有關；C1優化三機組轉速與C2防喘振與調整三脫單元貧液循環泵與生產負荷有關，會間接影響耗水量，權重輕，影響小不做討論。

通過圖3與表12對照分析可得，節氣措施C3、C6中C6避免事故停車，提高一次性啟機成功率權重最大，全廠用氣主要為導熱油供熱系統，其加溫慢。若燒至額定溫度做好準備后，事故停車或開工啟機失敗(包括多次啟機成功)會導致系統熱量浪費，從而消耗燃料氣(因為非正常生產或停產系統不需要足夠熱量)。雖然導熱油熱量主要供給三脫裝置，但C3調整三脫單元塔溫權重過小，雖可起到一定節氣作用，但微乎其微還有影響脫碳效果的風險，所以此項應謹慎執行。

通過圖3與表13對照分析可得，節電措施C1、C2、C4、C5、C6、C7六項中C5優化BOG運行方式與C4優化LNG潛液泵運行方式權重最大。而具體執行上C4、C5可協同節能。由于裝車和LNG潛液泵運行是產生BOG的主要來源，所以BOG增壓單元在滿負荷工況下可采用“兩用一備”運行，在低負荷工況下可采用“一用兩備” 運行。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LNG潛液泵大流量循環、造成BOG增多，應在夜間充分利用LNG變頻泵優勢，采用低頻率、小流量運行模式。經核算，該廠1臺潛液泵可供5個裝車撬同時運轉。裝車時應合理調度，最大限度減少BOG(晚間裝車完畢后注意調整提高BOG壓縮機進口溫度，防止機體凍壞)。因為裝車時BOG量大，返回BOG機體的溫度高。而裝車完畢后，返回BOG機體的天然氣溫度突然降低，特別是大規模裝車后此情況最易發生；C1優化三機組轉速與防喘振與C6避免事故停車，提高一次性啟機成功率權重次之。液化裝置中應及時調整三機組的轉速和防喘振閥，在設備安全運行的前提下降低制冷三機組電流量和軸功率，而異常停車和多次啟機會造成制冷劑放空等不必要物料損失。啟停機過程中對電力消耗大，若一次性啟機不成功，多次啟機還會對變頻設備造成沖擊；C2調整三脫單元貧液循環泵，能在脫碳裝置在保證凈化質量的前提下，降低貧胺液循環量，采取“一用兩備”的貧胺液泵運行模式。C7水質調節及外排能在停工期間停運循環水泵，充入氮氣保護循環水管網，防止腐蝕。但以上兩條節能效果有限。

最后通過表14方案層權重排序做綜合分析，優選各節能措施先后順序為：C5>C6>C1>C4>C7>C2 >C3，使用注意事項與效果見表15。

表15 各節能措施效果Table15 Effectofenergysavingmeasures排序單元節能措施備注節能效果1BOG優化BOG運行方式C5與C4結合顯著2全廠避免事故停車，提高一次性啟機成功率C6此項會引起泄壓放空損耗物料，并造成環境問題顯著3液化優化三機組轉速與防喘振C1此項必須與工況負荷調整相結合，防止事故停機有效4儲罐優化LNG潛液泵運行方式C4與C5結合顯著5公用工程水質調節及外排C7根據不同工況下濃縮倍數調節有效6三脫調整三脫單元貧液循環泵C2注意脫碳效果效果一般7三脫調整三脫單元塔溫C3注意胺液再生效果效果有限

4 結 論

通過綜合分析得出通用性結論如下：

(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定運行參數進行數理化分析，保證其核算結果的準確性。

(2) AHP法可運用當前能耗核算數據，將模糊定性的節能降耗方案量化為科學權重，有效解決因分析資料有限而造成的決策瓶頸，降低調控風險。

(3) LNG工廠在高負荷滿載運行且連續性生產時能耗最省，并有效避免設備和物料的損耗。易于管理和調控，實現工廠綜合盈利。LNG產品能耗分析對于整個系統生產工藝的可持續性評價具有重要意義。

通過以上分析，歸納得出以下有效節能措施：

(1) 協調充足氣源，保持銷售渠道暢通。維持工廠高負荷滿載運行，降低單位產品運行成本，增加市場競爭力。

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

(3) 優化裝車頻次，控制BOG產生量。合理做好LNG潛液泵運行-裝車-BOG壓縮機反輸聯動控制工作。

(4) 優化三機組轉速，在滿足工況需求情況下合理利用防喘振調節節能。

(5) 做好不同負荷生產情況下循環冷卻水水質調節。注意更換調整藥劑，優化循環水泵工作頻率。

(6) 根據工況與胺液情況動態控制三脫塔溫及貧液循環泵流量。

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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

長江大學科研發展基金(0709001)；長江大學發展基金(2011025)。

楊遠(1990-)，女，長江大學地球科學學院2016級在讀碩士研究生，專業為礦物學、巖石學、礦床學。

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