大型LNG工廠能耗分析及節(jié)能措施

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【摘要】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/T50441-2016《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.【期刊名稱】《石油與天然氣化工》【年(卷)，期】2017(046)004【總頁(yè)數(shù)】7頁(yè)(P103-108,114)【關(guān)鍵詞】能耗分析;節(jié)能措施;單位能耗;負(fù)荷;LNG工廠【作者】楊遠(yuǎn);唐文潔;齊安彬;孫貴杰;朱華;馬玉華【作者單位】長(zhǎng)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;新疆油田公司石西油田作業(yè)區(qū);新疆油田公司石西油田作業(yè)區(qū);新疆油田公司石西油田作業(yè)區(qū);新疆油田公司石西油田作業(yè)區(qū);新疆油田公司石西油田作業(yè)區(qū)【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TE683LNG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/T50441-2016《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(kù)提出解決方案（節(jié)能舉措），并做出相應(yīng)預(yù)測(cè)性建議。某大型LNG工廠天然氣處理能力為500x104m3/d,LNG產(chǎn)量為120x104t/a,生產(chǎn)操作彈性為50%~100%,工藝、設(shè)備全部國(guó)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(jí)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(jí)改進(jìn)為混合冷劑制冷，分別由丙烯、乙烯、甲烷3臺(tái)壓縮機(jī)提供動(dòng)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(gè)蒸發(fā)器和一個(gè)板翅式換熱器逐級(jí)降溫冷卻，直至液化。液化裝置同時(shí)設(shè)有重?zé)N洗滌塔，脫除重?zé)N，以防止最后一級(jí)冷箱凍堵［3-5］。綜上所述，某大型LNG工廠制冷循環(huán)長(zhǎng)，換熱器及其動(dòng)設(shè)備較多，能耗分析工作艱巨，節(jié)能潛力大。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4h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(shí)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24h,100%數(shù)據(jù)采用工況條件下至少連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行48h;綜合能耗計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB/T50441-2016。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(píng)價(jià)。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10.89MJ/kWh、新鮮水折算值為6.28MJ/t，燃料氣為33.81MJ/m3。其計(jì)算方法如下：燃料氣能耗=24h（燃料氣分配罐累計(jì)總量）x33.81MJ/m3總電耗=24h110kV變電站計(jì)量表總電量x10.89MJ/kWh循環(huán)水能耗=24h水表累計(jì)總量x6.28MJ/t單位綜合能耗=（燃料氣能耗+總電耗+循環(huán)水能耗片上游分輸站原料氣來(lái)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(lái)定義判斷矩陣A=（aji）nxn。同時(shí)，依次對(duì)建立矩陣進(jìn)行層次合成計(jì)算與一次性檢驗(yàn)：其中，入max為判斷矩陣的最大特征值［6］。當(dāng)CR<0.10時(shí)，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）。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(gè)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—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(duì)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）。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(gè)LNG工廠綜合能耗的關(guān)鍵，權(quán)重值達(dá)0.8044，遠(yuǎn)高于燃料氣與新鮮水消耗，下步應(yīng)針對(duì)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(huì)上升到一個(gè)定值，不會(huì)因?yàn)樘幚砹啃《芎牡?，所以能耗與處理量無(wú)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(duì)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(cè)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)日耗電量片進(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?jiǎn)卧蘸碾娏科嫌畏州斦驹蠚鈦?lái)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=110kV變電站計(jì)量表日累積量！上游分輸站原料氣來(lái)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。在工廠72h滿負(fù)荷運(yùn)行期間，液化裝置三機(jī)組的制冷電耗為0.24kWh/m3、主要工藝裝置區(qū)電耗為0.26kWh/m3、全廠的綜合電耗為0.29kWh/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(duì)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250x104m3/d、400x104m3/d與500x104m3/d時(shí)的全廠的綜合電耗分別為0.53kWh/m3、0.35kWh/m3、0.29kWh/m3。通過圖3所示的趨勢(shì)可知，單位能耗均隨日處理量的增大而減小，說(shuō)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。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(jiǎn)要過程如圖4所示。能耗分析各判斷矩陣如表10~表13所列。通過圖3與表11對(duì)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(shí)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(dòng)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(huì)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(duì)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?。òǘ啻螁C(jī)成功）會(huì)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(xiǎn)，所以此項(xiàng)應(yīng)謹(jǐn)慎執(zhí)行。通過圖3與表13對(duì)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(lái)源，所以BOG增壓?jiǎn)卧跐M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(shí)，需做好LNG潛液泵和LNG裝車需求的匹配，避免小流量裝車時(shí)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(shì)，采用低頻率、小流量運(yùn)行模式。經(jīng)核算，該廠1臺(tái)潛液泵可供5個(gè)裝車撬同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。裝車時(shí)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(shí)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(shí)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(huì)造成制冷劑放空等不必要物料損失。啟停機(jī)過程中對(duì)電力消耗大，若一次性啟機(jī)不成功，多次啟機(jī)還會(huì)對(duì)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。通過綜合分析得出通用性結(jié)論如下：LNG工廠的能耗主要集中在水、電、氣3個(gè)方面，在能耗分析核算時(shí)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。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(xiǎn)。LNG工廠在高負(fù)荷滿載運(yùn)行且連續(xù)性生產(chǎn)時(shí)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(duì)于整個(gè)系統(tǒng)生產(chǎn)工藝的可持續(xù)性評(píng)價(jià)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：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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。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。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(dòng)控制工作。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。⑸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(dòng)態(tài)控制三脫塔溫及貧液循環(huán)泵流量。E-mail:【相關(guān)文獻(xiàn)】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(guó)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(guó)石油工程建設(shè)協(xié)會(huì),2010.中國(guó)石化集團(tuán)洛陽(yáng)石油化工工程有限公司.石油化工設(shè)計(jì)能耗計(jì)算標(biāo)準(zhǔn):GB/T50441-2007[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2008.蒲黎明,李瑩珂,劉家洪，等.湖北500萬(wàn)方/天LNG工廠國(guó)產(chǎn)化示范工程主要技術(shù)方案選擇[J].廣東化工,2014,41(14):191-192.楊燁.數(shù)字化LNG工廠建設(shè)與應(yīng)用[J].天然氣與石油,2015,33(5):66-69.楊燁,肖傳桃,劉彬.基于灰色系統(tǒng)G