LNG接收站气化外输单位能耗计算

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LNG接收站气化外输单位能耗计算

李鑫 ¹, 陈帅 ²

1. 新疆华隆油田科技股份有限公司;
2. 中石油大连液化天然气有限公司

收稿日期：2015-10-28

作者简介：李鑫(1983-)，女，双硕士研究生，助理工程师，毕业于澳大利亚卧龙岗大学。现就职于新疆华隆油田科技股份有限公司，主要从事生产管理、油田开发工艺、数字油田及液化天然气等相关领域工程技术研究。E-mail：hanhan_417@163.com.

通讯作者：陈帅(1986-)，男，大学本科，工程师，测控技术与仪器专业。现就职于中石油大连液化天然气有限公司，主要从事LNG接收站运营、管理工作。E-mail:64336992@qq.com.

摘要：由于气化外输单位能耗不仅是LNG接收站重要运行指标，也是节能研究的基础，因此展开了接收站气化外输单位能耗的研究。首先，介绍了气化外输涉及的工艺和设备, 然后计算了低压泵、高压泵、海水泵等耗电设备的电功率，并求得火炬长明灯和SCV的气耗。之后，求得夏季以ORV作为气化器最小外输工况，气化外输1 t天然气，单位能耗为4.625 kgce/t(1 kgce的热值为20 938 kJ)；冬季以SCV作为气化器最大外输工况的单位能耗为25.83 kgce/t。对比发现，运行SCV的单位能耗远大于运行ORV。最后，通过计算机编程确定外输天然气流量与单位能耗对应数据，并作出关系曲线，找到气化外输最低单位能耗为1.946 kgce/t，与之对应的外输天然气流量为690 t/h。同时发现，从整体考虑，随着外输天然气流量的增加，单位能耗呈下降趋势，但增加运行设备的瞬间，单位能耗则会反向快速增加。

关键词：LNG接收站气化外输单位能耗电功率气耗外输天然气流量

A calculation on the unit energy of the vaporization-transportation at LNG terminal

Li Xin¹ , Chen Shuai²

1. Xinjiang Hualong Oilfield Technology Company Limited, Karamay 83400, China;
2. PetroChina Dalian Liquefied Natural Gas Company Limited, Dalian 116600, China

Abstract: The unit energy consumption of vaporization-transportation is not only an important operation indicator, but also the basis of energy-saving study at LNG terminal. This paper addressed the issue in the following process: Firstly, the process and equipment involved was introduced; subsequently, the electric power of low-pressure pump, high-pressure pump, seawater pump and other power consumption equipments were calculated, as well as the gas-consumption of torch ever-burning lamps and SCV. After that, the unit energy consumption was obtained as 4.625 kgce/t if 1 t natural gas was vaporized and transported in the minimum transportation conditions with ORV as vaporizer in summer, and the value shifted to be 25.83 kgce/t in the maximum transportation conditions with SCV as vaporizer in winter. It was found in the comparison that the unit energy consumption of running SCV was much higher than the running ORV. Finally, the relationship between the natural gas flow of transportation and the unit energy consumption was determined by computer program, as showing in the curve. From the curve, it was found that the minimum unit energy consumption about vaporization-transportation was 1.946 kgce/t, while the corresponding natural gas flow of transportation was 690 t/h. Besides, the unit energy consumption decreased while natural gas flow of transportation increased, but the unit energy consumption would increase rapidly reversely at the moment of adding running equipments.

Key Words: LNG terminal vaporization-transportation unit energy consumption electric power gas-consumption natural gas flow of transportation

LNG接收站(以下简称“接收站”)主要用于接收、储存和气化LNG，并通过外输天然气管网向用户提供天然气，图 1为LNG接收站气化外输工艺流程^[1-6]。

图 1 LNG接收站汽化外输工艺 Figure 1 Process of vaporization-transportation at LNG terminal

(1) 低压泵将储罐内LNG经一次加压输送至低压输送总管(S1)，S1中低压LNG一部分进入码头循环管线进行码头管线保冷，另一部分经再冷凝器完成蒸发气体(BOG)的冷凝、混合；冷凝混合后，LNG一部分用于低压排净管线(S11)保冷，另一部分经高压泵二次加压进入高压输送总管(S2)。

(2) S2中高压LNG一部分用于高压排净管线(S12)保冷，另一部分经气化器气化为天然气进入天然气输送总管(S3)。而开架式气化器(ORV)以海水泵提供的海水作为换热介质气化LNG，浸没燃烧式气化器(SCV)则使用燃料气燃烧加热水浴气化LNG；同时，气化器运行通常选择首先运行ORV，当ORV无法运行(如海水温度低于5.5 ℃)或ORV气化能力无法满足外输天然气需求时，才运行SCV。

(3) 若SCV运行且利用天然气作为燃料气时，S3中天然气一部分经天然气作燃料气输送管线(S8)为SCV气化LNG提供燃料气，另一部分经计量撬输送至外输管网；若未以天然气作SCV燃料，则S3中天然气全部外输。

(4) 站内BOG经BOG压缩机加压进入压缩BOG输送总管(S4)，S4中压缩BOG一部分经火炬长明灯燃料气输送管线(S6)为长明灯提供燃料, 另一部分经压缩BOG作燃料气输送管线(S7)为SCV提供燃料气(SCV运行且利用压缩BOG作为燃料气；若未利用，则此部分进入再冷凝器)；剩余部分经冷凝BOG输送总管(S5)进入再冷凝器冷凝为LNG。

从以上描述可以看出，气化外输需要消耗电能的设备包括低压泵、高压泵、BOG压缩机、海水泵和SCV；而燃料气消耗(以下简称“气耗”)则包括长明灯和SCV。除此之外，接收站辅助系统(如氮气系统、风系统、水系统、照明系统、消防系统、DCS系统、PLC系统等)运行也需要消耗电能。

1 电功率计算

1.1 拟合低压泵电功率与出口流量关系式

某接收站共建造3座LNG储罐，每个储罐设置4台低压泵(共计12台)。单台低压泵最小出口流量为84 t/h，最大为248 t/h，并通过实际运行测得电功率与出口流量对应数据(见表 1)。

表 1 低压泵电功率与出口流量数据 Table 1 Electric power and outlet flow of the low-pressure pump

由表 1数据，通过1stOpt软件^[7-9]，采用“通用全局优化法”拟合出低压泵电功率与出口流量的关系式(见式(1))，拟合式相关系数为0.999 8，且最大相对误差为0.32%。

$ \begin{array}{l} P{o_{{\rm{lp}}}} = {p_1} + {p_2} \times {F_{{\rm{lp}}}} + {p_3} \times F_{{\rm{lp}}}^{0.5} + {p_4}/F_{{\rm{lp}}}^{1.5} + \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{p_5}/F_{{\rm{lp}}}^2 \end{array} $

(1)

式中：Po_lp为低压泵电功率，kW；F_lp为低压泵出口流量，t/h；p_1~5为拟合参数。

1.2 拟合高压泵电功率与出口流量关系式

某接收站共设置4台高压泵，单台高压泵最小出口流量为76 t/h，最大为235 t/h。并通过实际运行测得电功率与出口流量对应数据(见表 2)。

表 2 高压泵电功率与出口流量数据 Table 2 Electric power and outlet flow of the high-pressure pump

由表 2数据，通过1stOpt软件，采用“通用全局优化法”拟合出高压泵电功率与出口流量的关系式(见式(2))，拟合式相关系数为0.999 9，且最大相对误差为0.02%。

$ \begin{array}{l} P{o_{{\rm{hp}}}} = {p_1} + {p_2} \times {F_{{\rm{hp}}}} + {p_3} \times F_{{\rm{hp}}}^{1.5} + {p_4} \times F_{{\rm{hp}}}^{0.5} + \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{p_5}/F_{{\rm{hp}}}^{1.5} \end{array} $

(2)

式中：Po_hp为高压泵电功率，kW；F_hp为高压泵出口流量，t/h；p_1~5为拟合参数。

1.3 确定BOG压缩机不同负荷电功率

某接收站共设置了3台BOG压缩机，单台BOG压缩机最大能力为6.9 t/h，且具有5种负荷，分别为0%、25%、50%、75%和100%。但实际只能在50%、75%和100% 3种负荷下运行。因此，通过实际运行测得此3种负荷下的电功率(见表 3)。

表 3 BOG压缩机电功率与负荷数据 Table 3 Electric power and load data of the BOG compressor

1.4 海水泵电功率及ORV最大LNG流量计算

某接收站共设置4台海水泵和3台ORV，并采用一台海水泵额定流量运转为一台ORV提供海水的运行模式。因此，ORV运行台数与海水泵运行台数相同。其中，海水泵额定流量为9 180 t/h，此流量下的电功率为1 000 kW；而此额定海水流量下单台ORV最大LNG流量还受到ORV入口LNG压力(表压，以下所有压力均为表压)及海水温度影响(见表 4)^[10]。

表 4 ORV最大LNG流量与LNG压力及海水温度数据 Table 4 Maximum LNG flow and LNG pressure of the ORV and seawater temperature

由表 4数据，通过1stOpt软件，采用“通用全局优化法”拟合出ORV最大LNG流量与LNG压力及海水温度的关系式(见式(3))，拟合式相关系数为0.994 5，且最大相对误差为1.20%。

$ \begin{array}{l} {F_{{\rm{orv\_max}}}} = {p_1} + {p_2} \times {P_{{\rm{LNG}}}} + {p_3} \times {P_{{\rm{LNG}}}^3} + {p_4} \times {P_{{\rm{LNG}}}^4} + \\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;{p_5}/{{\rm{T}}_{{\rm{sw}}}} + {p_6}/{T_{{\rm{sw}}}^2} + {p_7}/{T_{{\rm{sw}}}^3} + {p_8}/{T_{{\rm{sw}}}^4} + {p_9}/{T_{{\rm{sw}}}^5} \end{array} $

(3)

式中：F_{orv_max}为单台ORV最大LNG流量，t/h；P_LNG为ORV入口LNG压力，MPa；T_sw为海水温度，℃；p_1~9为拟合参数。

1.5 SCV电功率及辅助系统电功率求解

1.5.1 SCV电功率

某LNG接收站设置了4台SCV，单台SCV气化LNG能力为190 t/h。其运行时除了消耗燃料气外，还会产生电耗。而电耗主要来自助燃风机、冷却风机和冷却水泵，其功率已在表 5中列出。从表 5可以看出，SCV电功率为462.8 kW。

表 5 SCV设备电功率 Table 5 Electric power of the SCV

1.5.2 辅助系统电功率

通常，接收站都设置了每日电耗自动结算系统，而每日电耗是由以上设备运行电能之和加上辅助系统电耗。因此，用每日自动结算电耗除以24，再减去以上设备电功率方可求得辅助系统电功率(辅助系统电功率=每日自动结算电耗÷24－设备运行电功率之和)。

下面以某接收站外输天然气流量为120 t/h为例来计算此接收站辅助系统的电功率。表 6列出了外输天然气流量为120 t/h接收站设备运行情况。根据表 6及以上设备电功率的计算，接收站统计了此外输天然气流量下15天的每日自动结算电耗，并求出了辅助系统电功率(见表 7)，最后以其平均值557.39 kW作为辅助系统电功率。

表 6 接收站设备运行情况 Table 6 Operation conditions of the equipments at the LNG terminal

表 7 设备及辅助系统电功率 Table 7 Electric power of the equipments and auxiliary systems

2 气耗求解

接收站气耗主要来自于火炬长明灯和SCV运行燃烧的燃料气(即天然气)。某接收站长明灯燃料气日消耗为252 m³，即1 h长明灯气耗为10.5 m³；而SCV消耗的燃料气则与SCV气化的LNG量成正比，具体为：每气化1 t LNG需燃烧燃料气17.66 m³(0.012 5 t)^[11]，即SCV气化1 t LNG的气耗为17.66 m³。

为了电耗及气耗能够进行统一计算，电耗单位kW·h按0.122 9 kgce/ (kW·h)的折标准煤系数转化为综合能耗单位kgce(1 kgce的热值为20 938 kJ)；气耗单位m³按1.33 kgce/m³的折标准煤系数也转化为综合能耗单位kgce^[12]。

3 气化外输单位能耗实例计算

对于LNG接收站而言，最小外输及最大外输是非常重要的运行工况^[13-14]。同时，最低单位能耗(气化外输1 t天然气的综合能耗)对应外输天然气流量也尤为重要。因此，实例计算中将对某接收站最小外输、最大外输工况单位能耗展开计算。同时，对最低单位能耗对应外输天然气流量进行求解。

3.1 夏季最小外输工况单位能耗计算

通常接收站夏季外输需求较小，因此最小外输工况单位能耗计算选择为夏季。此接收站夏季最小外输天然气流量为110 t/h，而夏季由于海水温度较高(大于5.5 ℃)，因此运行ORV气化LNG。同时，根据图 1流程可以看出：

(1) ORV气化LNG流量即为外输天然气流量110 t/h，并且由表 4可判断：110 t/h必定小于单台ORV最大LNG流量，因此只需运行1台ORV(即1台海水泵)。

(2) 高压泵出口流量为ORV气化LNG流量与高压排净管线保冷流量之和，即为110+15=125 t/h，此流量小于单台高压泵最大LNG流量235 t/h，因此只需运行1台高压泵。

(3) 接收站BOG产生量几乎为一定值10.35 t/h，受外输量及环境温度影响较小，以下各计算中BOG压缩机出口流量取值均为10.35 t/h，即2台BOG压缩机提供150%负荷，各占75%。

(4) 低压泵出口流量=高压泵出口流量+低压排净管线保冷流量+码头循环管线保冷流量－冷凝BOG流量(由于长明灯燃料气流量很小，所以直接以BOG压缩机出口流量作为冷凝BOG流量来计算)，即为125+10+25-10.35=149.65 t/h。此流量小于单台低压泵最大LNG流量248 t/h，因此只需运行1台低压泵。

根据以上分析及“1电功率计算”，列出最小外输工况设备电耗(见表 8)。

表 8 最小外输工况设备电耗 Table 8 Electric-consumption of the equipments in the minimum transportation conditions

从表 8可以看出，最小外输工况下，气化外输每吨天然气的单位电耗为4.498 kgce/t。而气化外输每吨天然气长明灯的单位气耗=10.5×1.33/110=0.127 kgce/t。将单位电耗与单位气耗相加，便求得夏季最小外输工况下，气化外输每吨天然气的单位能耗为4.625 kgce/t。

3.2 冬季最大外输工况单位能耗计算

由于冬季用户对天然气需求较大，所需接收站最大外输通常发生在冬季。因此，最大外输工况单位能耗计算选择为冬季。冬季由于海水温度较低(小于5.5 ℃)，所以只能使用SCV气化LNG。而SCV运行，燃料气的选取方式通常为：首先使用压缩BOG作为其燃料气，当压缩BOG无法满足SCV燃料气需求时，再以天然气作为其燃料气补充。

3.2.1 确定冬季最大外输天然气流量

为了计算冬季最大外输天然气流量，表 9列出了相关设备外输能力。从表 9可以得出：

表 9 接收站设备外输能力 Table 9 Transportation capacity of the equipments at the LNG terminal

(1) 低压泵能力远远大于高压泵及SCV能力，而高压泵能力940 t/h减去高压排净管线保冷流量15 t/h为925 t/h，明显大于SCV能力760 t/h，因此冬季最大外输天然气流量就为SCV能力760 t/h。

(2) 同时SCV气化760 t/h的LNG所需的燃料气流量为13 418.08 m³/h(9.5 t/h)，小于此接收站正常运行压缩BOG流量10.35 t/h，所以SCV只需使用压缩BOG作为其燃料气。

3.2.2 最大外输工况能耗计算

根据图 1工艺流程及表 9可以得出：

(1) 冬季最大外输流量为760 t/h，即4台SCV运行，单台流量为190 t/h。

(2) 高压泵出口流量为760+15=775 t/h，需运行4台高压泵，单台高压泵流量为193.75 t/h。

(3) 低压泵出口流量为775+10+25－(10.35－9.5)=809.15 t/h，需运行4台低压泵，单台低压泵流量为202.29 t/h。

(4) BOG压缩机出口流量为10.35 t/h，运行台数为2台，单台运行负荷为75%。

根据以上分析及各设备电功率计算方法，列出最大外输工况设备电耗(见表 10)。

表 10 最大外输工况设备电耗 Table 10 Electric-consumption of the equipments in the maximum transportation conditions

从表 10可以看出，冬季最大外输工况下，气化外输天然气的单位电耗为2.33 kgce/t；而气化外输天然气的单位气耗= (13 418.08+10.5)×1.33/760=23.500 kgce/t。将单位电耗与单位气耗相加，便求得最大外输工况下，气化外输天然气的单位能耗为25.83 kgce/t。

3.3 最低单位能耗对应外输天然气流量计算

3.3.1 最低单位能耗对应ORV最大LNG流量确定

对比最小外输(运行ORV)及最大外输(运行SCV)工况单位能耗可以看出，SCV气化LNG的单位能耗远大于ORV气化LNG的单位能耗。因此，最低单位能耗必然出现在ORV作为气化器时。同时，由表 4可以看出，当海水温度一定，单台ORV最大LNG流量随ORV入口LNG压力的增大而增加；当ORV入口LNG压力一定，海水温度为10 ℃时，单台ORV最大LNG流量达到最大值。因此，最低单位能耗外输量计算对应的ORV入口LNG压力为10.36 MPa，海水温度为10 ℃，单台ORV最大LNG流量为252.2 t/h(即接收站3台ORV能力为756.6 t/h)。

3.3.2 最低单位能耗对应外输天然气流量范围确定

为了保证接收站正常运行，外输天然气流量不得小于接收站最小外输量。因此，最低单位能耗对应外输天然气流量下限值为接收站夏季最小外输天然气流量110 t/h。同时，根据图 1流程和表 9列出的高压泵、低压泵能力可以看出，ORV能力756.6 t/h+高压排净管线保冷流量15 t/h=771.6 t/h，明显低于高压泵能力940 t/h。因此，最低单位能耗对应外输天然气流量上限值即为ORV能力756.6 t/h。

3.3.3 最低单位能耗对应外输天然气流量求解

为了求解最低单位能耗对应外输天然气流量，可按图 2流程编程求解。首先确定最低单位能耗对应外输天然气流量范围内各数据点的单位能耗，然后在其中找出最低单位能耗对应的外输天然气流量即为所求流量。

图 2 外输天然气流量对应单位能耗求解流程 Figure 2 Solving procedure to establish the relationship between the natural gas flow of transportation and the unit energy consumption

程序执行步骤：

(1) 给定外输天然气流量下限值110 t/h作为初始值。

(2) 判定此外输天然气流量值是否大于上限值756.6 t/h，若大于，程序结束运行；若小于，继续执行以下步骤。

(3) 求出高压泵、低压泵出口总流量，ORV气化LNG总流量，BOG压缩机、辅助系统单位电耗和长明灯单位气耗。

(4) 根据高压泵、低压泵、ORV(海水泵)总流量及单台最大流量计算各设备运行台数。

(5) 根据高压泵、低压泵、ORV(海水泵)总流量及运行台数计算各设备单台流量。

(6) 根据高压泵、低压泵单台流量计算其电功率。

(7) 根据高压泵、低压泵电功率和运行台数计算高压泵、低压泵单位电耗，同时根据ORV运行台数(即海水泵运行台数)和海水泵电功率计算海水泵单位电耗。

(8) 将所有单位电耗与单位气耗相加，求得此外输天然气流量下的单位能耗。

(9) 将气化外输流量增加0.5 t/h，然后循环执行(2)~(8)步骤，直到气化外输流量大于756.6 t/h，程序自动结束。

通过以上程序求出不同外输天然气流量对应的单位能耗数据，利用此数据作出单位能耗随外输天然气流量变化的曲线图(见图 3)。从图 3可以看出：

图 3 不同外输天然气流量对应单位能耗 Figure 3 Unit energy consumption corresponding to different natural gas flow of transportation

(1) 不考虑增加设备运行台数的情况，单位能耗随外输天然气流量增加而降低。

(2) 当运行设备台数增加的瞬间，单位能耗会反向增加。

(3) 外输天然气流量为690 t/h时，单位能耗取得最低值1.946 kgce/t，即最低单位能耗对应外输天然气流量为690 t/h，同时在表 11中列出了最低单位能耗主要设备运行情况。

表 11 最低单位能耗设备运行情况 Table 11 Operation condition of the equipments at the minimum unit energy consumption

4 结论

(1) 通过实例计算求得：夏季最小外输工况，气化外输1 t天然气单位能耗为4.625 kgce/t；冬季最大外输工况，单位能耗为25.83 kgce/t。并且获得单位能耗最低值1.946 kgce/t对应的外输天然气流量为690 t/h。

(2) 随着外输天然气流量的增加，单位能耗呈下降趋势；但增加运行设备的瞬间，单位能耗反而会快速上升。

(3) 接收站冬季运行SCV气化LNG的单位能耗远大于夏季运行ORV的单位能耗。因此，探索冬季海水低温(小于5.5 ℃)运行ORV气化LNG的可能性，是接收站降低气化外输单位能耗的主要研究方向。

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