石油与天然气化工  2017, Vol. 46 Issue (4): 103-108, 114
大型LNG工厂能耗分析及节能措施
杨远 1, 唐文洁 2, 齐安彬 2, 孙贵杰 2, 朱华 2, 马玉华 2     
1. 长江大学地球科学学院油气资源与勘探技术教育部重点实验室;
2. 新疆油田公司石西油田作业区
收稿日期：2016-12-10；修改日期：2017-04-18
基金项目：长江大学科研发展基金(0709001)；长江大学发展基金(2011025)
作者简介：杨远(1990-)，女，长江大学地球科学学院2016级在读硕士研究生，专业为矿物学、岩石学、矿床学。E-mail：fengjiming@yeah.net.
摘要：为了研究大型LNG工厂能耗组成，系统分析能耗情况并提出合理节能措施。结合GB/T 50441-2016《石油化工设计能耗计算标准》，运用某大型LNG工厂性能考核期间连续运转数据进行核算，再利用层次分析法科学分析，最后提出节能降耗措施。研究表明，某大型工厂的主要用能为电能，在相同处理规模下降低工厂的用电量是节能的关键。单位能耗随日处理量的增大而减小，工厂在高负荷运行下较优，满载生产情况下最为节能。因此，协调充足的原料气气源，保持销售渠道畅通，进行高负荷生产有利于降低单位产品的运行成本。
关键词：能耗分析    节能措施    单位能耗    负荷    LNG工厂    
Energy consumption analysis and energy saving measures of large LNG plant
Yang Yuan1 , Tang Wenjie2 , Ji Anbin2 , Sun Guijie2 , Zhu Hua2 , Ma Yuhua2     
1. Key Laboratory of Exploration Technologies for Oil and Gas Resources (Yangtze University), Wuhan, Hubei, China;
2. Xinjiang Oilfield Company Shixi Oilfield Operation Areas, Xinjiang, China
Abstract: 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 50441-2007 Energy Consumption Calculation Standard for Design of Petrochemical Industry, 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.
Key Words: energy consumption analysis    energy saving measure    unit energy consumption    load    LNG plant    

LNG工厂是低温工程与化学工程的结合体，既有传统化工企业生产流程复杂、过程管控严格等特点，又具备低温工程领域对设备设施要求高、温度控制精确等要求。而低温LNG的获取需透平机械与换热器合理配合使用，所以能耗是LNG工厂的关键[1]。本文基于某大型LNG工厂50%~100%负荷下运行情况，结合GB/T 50441-2016《石油化工设计能耗计算标准》[2]，首先做综合能耗核算，然后通过层次分析法在能耗核算数据支撑下做节能分析，最后通过专家决策库提出解决方案(节能举措)，并做出相应预测性建议。

1 工程简介

某大型LNG工厂天然气处理能力为500×104 m3/d，LNG产量为120×104 t/a，生产操作弹性为50%~100%，工艺、设备全部国产化，主要由脱碳、脱水、脱汞、液化、BOG、公用工程等部分组成，生产流程见图 1。其中，液化装置采用多级单组分制冷液化工艺，该工艺总体上为传统阶式制冷工艺，最后一级改进为混合冷剂制冷，分别由丙烯、乙烯、甲烷3台压缩机提供动力。负荷由大到小依次为丙烯机、乙烯机、甲烷机。在换热器部分，原料气通过7个蒸发器和一个板翅式换热器逐级降温冷却，直至液化。液化装置同时设有重烃洗涤塔，脱除重烃，以防止最后一级冷箱冻堵[3-5]。

图 1     LNG工厂主要工艺流程 Figure 1     Main technological process of LNG plant

综上所述，某大型LNG工厂制冷循环长，换热器及其动设备较多，能耗分析工作艰巨，节能潜力大。

2 能耗核算与分析

能耗核算数据取自工厂性能考核期间连续性数据。投料开车产出合格产品，满负荷运行，设备匹配调整至最佳状态运行4 h后，分别调整生产负荷至50%、80%、100%。50%工况负荷数据采用当时的50%工况条件下数据，80%数据采用工况条件下连续稳定运行24 h，100%数据采用工况条件下至少连续稳定运行48 h；综合能耗计算标准执行GB/T 50441-2016。

能耗分析选用层次分析法。将问题分解规整成目标、准则、方案3种层次，再带入能耗核算数据进行定性、定量综合评价。

2.1 综合能耗

此部分主要包括各装置电耗、燃料气消耗、水消耗，装置各生产负荷运行下采集统计数据。其中, 电量折算值为10.89 MJ/kWh、新鲜水折算值为6.28 MJ/t，燃料气为33.81 MJ/m3。其计算方法如下：

燃料气能耗＝24 h(燃料气分配罐累计总量)×33.81 MJ/m3

总电耗=24 h 110 kV变电站计量表总电量×10.89 MJ/kWh

循环水能耗=24 h水表累计总量×6.28 MJ/t

单位综合能耗=(燃料气能耗+总电耗+循环水能耗)÷上游分输站原料气来气流量计日累积量

综合能耗计算结果见表 1。

表 1    综合能耗计算表 Table 1    Calculation of comprehensive energy consumption

层次分析过程如下：

(1) 建立物理模型，建立结构模型图(见图 2)。

图 2     能耗分析结构模型图 Figure 2     Structure model diagram of energy consumption analysis

(2) 依据能耗核算数据建立矩阵比较打分，比较值过大的引用数字1~9及其倒数作为标度来定义判断矩阵A=(aji)nxn。同时，依次对建立矩阵进行层次合成计算与一次性检验：

$ CI=\frac{{{\lambda }_{\max }}-n}{n-a} $ (1)

其中，λmax为判断矩阵的最大特征值[6]。

$ CR=\frac{CI}{RI} $ (2)

当CR＜0.10时，认为通过了一次性检验，否则应作适当修正。

(3) 计算权重向量W，在此选用几何平均法(方根法)。

$ {{W}_{i}}=\frac{{{\left( \prod _{j=1}^{n}{{a}_{ij}} \right)}^{\frac{1}{n}}}}{\sum{_{i=1}^{n}}{{\left( \prod _{j=1}^{n}{{a}_{ij}} \right)}^{\frac{1}{n}}}}, i=1, 2, \cdots, n $ (3)

计算步骤为：①A的元素按行相乘得一新向量；②将新向量的每个分量开n次方；③将所得向量归一化即为权重向量。

能耗分析各判断矩阵如表 2~表 5所列。

表 2    目标层A矩阵运算 Table 2    A matrix operation of target layer

表 3    准则层B1矩阵运算 Table 3    B1 matrix operation of criterion layer

表 4    准则层B2矩阵运算 Table 4    B2 matrix operation of criterion layer

表 5    准则层B3矩阵运算 Table 5    B3 matrix operation of criterion layer

表 2~表 5一次性检验均通过。将不同方案各准则要素的权重矩阵(见表 2)Wi与各准则要素的相对权重矩阵(见表 3~表 5)Wi相乘，得到各方案层要素权重并排序(见表 6)，经计算还能得到中间层要素权重并排序(见表 7)。

表 6    方案层权重排序 Table 6    Weight ordering of scheme layer

表 7    中间层权重排序 Table 7    Weight ordering of middle layer

经以上运算分析，通过表 1综合能耗计算与表 6方案层权重分析结果可得，电耗是整个LNG工厂综合能耗的关键，权重值达0.804 4，远高于燃料气与新鲜水消耗，下步应针对装置电耗做具体核算，找出节能降耗关键；通过表 1综合能耗计算与表 7中间层权重分析可得，综合能耗值与水、电、气各分部分消耗不随处理量变化而显著变化。通常情况，只要工厂开产，能耗就会上升到一个定值，不会因为处理量小而能耗低，所以能耗与处理量无关。

2.2 装置电耗

依照以上综合能耗计算分析结果，对装置电耗做具体核算。此部分主要包括各装置电耗、制冷能耗、工艺能耗、全厂能耗，装置各生产负荷运行下采用电力检测系统统计数据[7]。

制冷系统装置用能单位主要为：丙烯压缩机、乙烯压缩机及甲烷压缩机三机组。制冷能耗计算方法为：制冷能耗=(丙烯压缩机日耗电量+乙烯压缩机日耗电量+甲烷压缩机日耗电量)÷进冷箱天然气流量计流量计日累计量。

工艺系统装置用能单位主要为：“三脱”装置单元(包括低压贫液泵、贫液循环泵、再生气压缩机等)、液化装置单元(包括丙烯压缩机、乙烯压缩机、甲烷压缩机等压缩机组和重烃回流泵等)和BOG增压装置单元(包括BOG压缩机等)。工艺能耗计算方法为：工艺能耗=(“三脱”装置单元日耗电量+液化装置单元日耗电量+BOG增压单元日耗电量)÷上游分输站原料气来气流量计日累积量[8]。

全厂能耗装置用能单位为全厂所有装置用电量。全厂能耗计算方法：工艺能耗=110 kV变电站计量表日累积量÷上游分输站原料气来气流量计日累积量。

用电量汇总见表 8，电耗核算数据见表 9。

表 8    用电量汇总表 Table 8    Summary sheet of power consumption

表 9    电耗核算数据表 Table 9    Data analysis of power consumption

在工厂72 h满负荷运行期间，液化装置三机组的制冷电耗为0.24 kWh/m3、主要工艺装置区电耗为0.26 kWh/m3、全厂的综合电耗为0.29 kWh/m3，从各装置情况看，液化装置三机组能耗最大，BOG单元次之。而三机组转速可调范围小，还有制冷负荷、机组喘振等条件限制，故节能手段有限。但BOG压缩机可调范围大，能与大罐LNG潜液泵、装车等要素负荷调控，优化工况。多余气还能供给燃料气系统使用，极具节能降耗潜力。

工厂负荷大小对于单方能耗影响较大，工厂在不同负荷下的能耗见图 3。

图 3     LNG工厂不同负荷条件下的能耗 Figure 3     Energy consumption of LNG plant under different load conditions

工厂处理量为250×104 m3/d、400×104 m3/d与500×104 m3/d时的全厂的综合电耗分别为0.53 kWh/m3、0.35 kWh/m3、0.29 kWh/m3。通过图 3所示的趋势可知，单位能耗均随日处理量的增大而减小，说明该厂在高负荷运行下较优，满载生产情况下最为节能。因此，协调充足的原料气气源，保持销售渠道畅通，进行高负荷生产有利于降低单位产品的运行成本。

3 节能措施

综上所述，工厂的主要用能为电能，在相同处理规模下降低工厂的用电量是节能的关键。通过装置电耗分析结果，分别根据专家意见提出节能方案制定方案层，具体节能举措同样通过层次分析得出，简要过程如图 4所示。

图 4     节能措施结构模型图 Figure 4     Structure model diagram of energy saving measures

能耗分析各判断矩阵如表 10~表 13所列。

表 10    目标层A矩阵运算 Table 10    A matrix operation of target layer

表 11    准则层B1矩阵运算 Table 11    B1 matrix operation of criterion layer

表 12    准则层B2矩阵运算 Table 12    B2 matrix operation of criterion layer

表 13    准则层B3矩阵运算 Table 13    B3 matrix operation of criterion layer

通过图 3与表 11对照分析可得，节水措施C1、C3、C6、C7四项中C7水质调节及外排权重最大，所以平时应加强药剂控制。在低负荷运行和停工期间循环水低蒸发率情况下还应注意改变药剂配方，根据浓缩倍数变化动态优化水质[9]；C6避免事故停车，提高一次性启机成功率权重次之，此项与清洗预膜有关；C1优化三机组转速与C2防喘振与调整三脱单元贫液循环泵与生产负荷有关，会间接影响耗水量，权重轻，影响小不做讨论。

通过图 3与表 12对照分析可得，节气措施C3、C6中C6避免事故停车，提高一次性启机成功率权重最大，全厂用气主要为导热油供热系统，其加温慢。若烧至额定温度做好准备后，事故停车或开工启机失败(包括多次启机成功)会导致系统热量浪费，从而消耗燃料气(因为非正常生产或停产系统不需要足够热量)。虽然导热油热量主要供给三脱装置，但C3调整三脱单元塔温权重过小，虽可起到一定节气作用，但微乎其微还有影响脱碳效果的风险，所以此项应谨慎执行。

通过图 3与表 13对照分析可得，节电措施C1、C2、C4、C5、C6、C7六项中C5优化BOG运行方式与C4优化LNG潜液泵运行方式权重最大。而具体执行上C4、C5可协同节能。由于装车和LNG潜液泵运行是产生BOG的主要来源，所以BOG增压单元在满负荷工况下可采用“两用一备”运行，在低负荷工况下可采用“一用两备”运行。同时，需做好LNG潜液泵和LNG装车需求的匹配，避免小流量装车时出现LNG潜液泵大流量循环、造成BOG增多，应在夜间充分利用LNG变频泵优势，采用低频率、小流量运行模式。经核算，该厂1台潜液泵可供5个装车撬同时运转。装车时应合理调度，最大限度减少BOG(晚间装车完毕后注意调整提高BOG压缩机进口温度，防止机体冻坏)。因为装车时BOG量大，返回BOG机体的温度高。而装车完毕后，返回BOG机体的天然气温度突然降低，特别是大规模装车后此情况最易发生；C1优化三机组转速与防喘振与C6避免事故停车，提高一次性启机成功率权重次之。液化装置中应及时调整三机组的转速和防喘振阀，在设备安全运行的前提下降低制冷三机组电流量和轴功率，而异常停车和多次启机会造成制冷剂放空等不必要物料损失。启停机过程中对电力消耗大，若一次性启机不成功，多次启机还会对变频设备造成冲击；C2调整三脱单元贫液循环泵，能在脱碳装置在保证净化质量的前提下，降低贫胺液循环量，采取“一用两备”的贫胺液泵运行模式。C7水质调节及外排能在停工期间停运循环水泵，充入氮气保护循环水管网，防止腐蚀。但以上两条节能效果有限。

最后通过表 14方案层权重排序做综合分析，优选各节能措施先后顺序为：C5＞C6＞C1＞C4＞C7＞C2＞C3，使用注意事项与效果见表 15。

表 14    方案层权重排序 Table 14    Weight ordering of scheme layer

表 15    各节能措施效果 Table 15    Effect of energy saving measures

4 结论

通过综合分析得出通用性结论如下：

(1) LNG工厂的能耗主要集中在水、电、气3个方面，在能耗分析核算时需取各工况下稳定运行参数进行数理化分析，保证其核算结果的准确性。

(2) AHP法可运用当前能耗核算数据，将模糊定性的节能降耗方案量化为科学权重，有效解决因分析资料有限而造成的决策瓶颈，降低调控风险。

(3) LNG工厂在高负荷满载运行且连续性生产时能耗最省，并有效避免设备和物料的损耗。易于管理和调控，实现工厂综合盈利。LNG产品能耗分析对于整个系统生产工艺的可持续性评价具有重要意义。

通过以上分析，归纳得出以下有效节能措施：

(1) 协调充足气源，保持销售渠道畅通。维持工厂高负荷满载运行，降低单位产品运行成本，增加市场竞争力。

(2) 加强操作管理，提高员工素质。避免事故停车，增大一次性启机成功率，降低物料损耗。

(3) 优化装车频次，控制BOG产生量。合理做好LNG潜液泵运行-装车-BOG压缩机反输联动控制工作。

(4) 优化三机组转速，在满足工况需求情况下合理利用防喘振调节节能。

(5) 做好不同负荷生产情况下循环冷却水水质调节。注意更换调整药剂，优化循环水泵工作频率。

(6) 根据工况与胺液情况动态控制三脱塔温及贫液循环泵流量。

参考文献
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