劉剛，謝廣祿，齊飛

（中國石油大港油田天然氣公司，天津 300280）

某LNG工廠天然氣處理能力為30萬m3/d，裝置負(fù)荷調(diào)節(jié)能力為50%～110%。原料天然氣壓力為3.5 MPa。原料氣經(jīng)過濾分離后，進(jìn)入脫酸系統(tǒng)，采用MDEA溶液脫除氣體中二氧化碳，經(jīng)分子篩系統(tǒng)脫除天然氣中的飽和水，再經(jīng)脫汞后進(jìn)入高效板翅式換熱器，與混合冷劑換熱后液化成LNG產(chǎn)品。

近年來，天然氣消費(fèi)量持續(xù)增長，液化天然氣（LNG）由于運(yùn)輸靈活、貼近用戶按需服務(wù)、價(jià)格優(yōu)勢等受到市場熱捧，LNG工廠開車率逐步提升。LNG工廠開停車主要受裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性影響，因此，減少LNG生產(chǎn)過程中能源消耗至關(guān)重要。

1 LNG工廠能耗分析

LNG工廠能源消耗主要包括天然氣、電及水資源。脫水單元分子篩再生氣加熱爐和脫酸單元導(dǎo)熱油爐天然氣消耗為1 000～1 300 m3/d；液化單元冷劑壓縮機(jī)及循環(huán)水系統(tǒng)為主要耗電大戶，耗電量為13萬kW·h/d，其中冷劑壓縮機(jī)耗電占比約86%，循環(huán)水系統(tǒng)（水泵及閉式冷卻水塔）耗電占比7%，向脫酸氣冷卻器、貧胺冷卻器、再生氣冷卻器、冷劑壓縮機(jī)級(jí)間及出口冷卻器以及蒸發(fā)天然氣（以下簡稱BOG）壓縮機(jī)提供冷量；閉式循環(huán)水冷卻塔日均耗水150～300 m3。另外，裝置停車時(shí)需要消耗冷劑。LNG工廠能源消耗分析見圖1。

2 設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的節(jié)能技術(shù)

2.1 系統(tǒng)內(nèi)余熱利用技術(shù)

2.1.1 再生氣換熱技術(shù)

分子篩脫水系統(tǒng)采用三塔工藝，一塔吸附、一塔再生、一塔冷吹，再生氣加熱爐連續(xù)運(yùn)行。將進(jìn)加熱爐的再生氣（24℃）與再生塔出口的高溫氣（以260℃為例）進(jìn)行換熱。進(jìn)加熱爐的再生氣可提升至180℃，高溫氣則降低至120℃，可降低分子篩再生氣水冷器負(fù)荷。分子篩四塔流程再生氣、冷吹氣換熱器的應(yīng)用可參見李明的敘述[1]。

2.1.2 BOG換熱器

蒸發(fā)天然氣（BOG）是LNG在儲(chǔ)罐內(nèi)或工藝系統(tǒng)中因吸收外部熱量而氣化的氣體。將從脫水系統(tǒng)出來的原料天然氣（43℃）與BOG（-160℃）進(jìn)行換熱后進(jìn)入冷箱，原料天然氣的溫度降低至33℃，進(jìn)而降低了冷劑壓縮機(jī)負(fù)荷，BOG溫度一定程度上升，減少了復(fù)熱器功耗，為BOG壓縮機(jī)安全運(yùn)行提供保障。

圖1 LNG工廠能源消耗分布

2.1.3 貧富胺換熱器

將解析塔底高溫（104℃）的貧胺與富胺閃蒸罐出口胺液（45℃）進(jìn)行換熱，貧胺液溫度可降低至59℃，減小貧胺冷卻器的負(fù)荷；富胺液溫度可提升至97℃，減小導(dǎo)熱油爐熱負(fù)荷。

2.2 氣體及副產(chǎn)品回收技術(shù)

LNG工廠生產(chǎn)過中分子篩脫水單元再生氣（0.8 MPa）因較原料氣壓力下降需要回收，日均5萬m3，通常情形下需經(jīng)壓縮機(jī)增壓至原料氣壓力后返回工廠入口循環(huán)利用。因儲(chǔ)罐吸熱、充裝單元放空等因素產(chǎn)生了較大量的BOG，日均2～3萬m3，壓力25 kPa，通常情形下需經(jīng)壓縮機(jī)增壓后方可利用。LNG工廠產(chǎn)生的輕烴副產(chǎn)品需外運(yùn)至其他工廠深加工。

某LNG工廠在選址時(shí)，將LNG工廠與LPG回收裝置合建，則可將工廠再生氣以及裝置開車氣體返回LPG外輸氣管網(wǎng)，直接銷售。可將輕烴副產(chǎn)品利用工廠重?zé)N分離器（3.28 MPa）與LPG裝置脫乙烷塔（1.4 MPa）的壓差輸送至LPG裝置脫乙烷塔內(nèi)；可將BOG氣體優(yōu)先用于工廠燃料氣系統(tǒng)，剩余的氣體由25 kPa壓縮至0.2 MPa后管輸至LPG裝置低壓分離器中，節(jié)約LNG工廠能耗。

2.3 混合冷劑配方優(yōu)化設(shè)計(jì)

混合冷劑技術(shù)具有流程簡單、機(jī)組設(shè)備少、投資少、能耗低等特點(diǎn)，目前世界上80%的基本負(fù)荷型天然氣液化裝置都采用了混合冷劑液化流程[2]。冷劑中重組分如C5H12的耗能小但制冷效果差，輕組分如N2、CH4的制冷效果好但耗能大。因此，混合冷劑配方的選擇將較大程度影響冷劑壓縮機(jī)耗能水平。某LNG工廠根據(jù)各冷劑組分存在特定的制冷溫區(qū)特點(diǎn)及冷劑壓縮機(jī)各級(jí)壓力匹配情況，選擇了 N2、CH4、C2H4、C3H8、C5H12作為冷劑的基本組成，使液化單元壓縮機(jī)耗能控制在合理水平。但混合冷劑配方的確定需要設(shè)計(jì)者較為熟練地使用相關(guān)軟件，根據(jù)工況參數(shù)進(jìn)行模擬計(jì)算并不斷優(yōu)化。因此，在設(shè)計(jì)階段，建設(shè)單位應(yīng)盡量準(zhǔn)確地提供工況參數(shù)，確保計(jì)算結(jié)果與實(shí)際貼近。

2.4 循環(huán)水系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

循環(huán)水冷卻效果影響冷劑壓縮機(jī)的運(yùn)行，因此該環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)需考慮水冷器經(jīng)過一段時(shí)間運(yùn)行后效率可能下降，略留富裕量。同時(shí)，對于北方地區(qū)，應(yīng)考慮先空冷后水冷的方式，適當(dāng)降低循環(huán)水溫度，減小蒸發(fā)損失，達(dá)到節(jié)能節(jié)水的目的。

3 管理環(huán)節(jié)的節(jié)能技術(shù)

3.1 分子篩脫水環(huán)節(jié)節(jié)能

分子篩工藝可選擇兩塔、三塔、四塔工藝，劉剛提出在成本費(fèi)用較為緊張的情形下選擇兩塔工藝，在產(chǎn)量任務(wù)繁重的情形下選擇三塔工藝。李明等人研究得出在處理量達(dá)到一定規(guī)模的情況下，四塔方案的設(shè)備投資、再生氣用量及操作費(fèi)用均少于三塔方案及兩塔方案[1]。新建裝置應(yīng)充分對比兩塔、三塔、四塔工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及能耗差異，并選擇合適裝機(jī)容量。

再生環(huán)節(jié)為耗能環(huán)節(jié)，需要重點(diǎn)考慮。分子篩再生氣流量是根據(jù)脫水負(fù)荷、再生周期、再生溫度、再生氣比熱及焓值、分子篩及吸附塔比熱及質(zhì)量等參數(shù)計(jì)算得到。但在實(shí)際生產(chǎn)過程中由于生產(chǎn)負(fù)荷的變化、氣質(zhì)組分的變化等原因，再生氣量可比設(shè)計(jì)值低，生產(chǎn)管理時(shí)需根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整再生氣量以減少分子篩加熱爐燃?xì)庀?。對再生氣流量可以采取“提溫變量”控制方法，即?dāng)分子篩再生氣出口溫度達(dá)到180℃后，結(jié)合脫水后露點(diǎn)情況適當(dāng)降低再生氣量，可實(shí)現(xiàn)節(jié)約10%以上的燃?xì)猓〗ǔ蒣3]提出過以上方法的具體應(yīng)用。

另外，因再生氣（0.8 MPa）與引氣原料氣系統(tǒng)（3.5 MPa）壓差較大，該過程造成了壓力能的損失，若0.8 MPa的再生氣可就地銷售輸送給用戶，則其流量的增大只是小幅增加燃?xì)庀模蝗?.8 MPa的再生氣壓力能過低而需要增壓并入高壓輸氣管網(wǎng)銷售，則應(yīng)盡量減小再生氣量，以減少電耗。以0.8 MPa的天然氣壓縮至4.0 MPa為例，壓縮單耗約為0.08 kW·h/m3；將再生氣流量減少500 m3/h可減少耗電960 kW·h。

當(dāng)LNG工廠與LPG裝置合建時(shí)，則更為節(jié)約的方法是將LNG工廠再生氣引自LPG裝置重接觸塔頂調(diào)節(jié)閥前，以5萬m3/d的再生氣量計(jì)，可減少耗電4 000 kW·h/d。

3.2 BOG回收環(huán)節(jié)節(jié)能

LNG工廠BOG的產(chǎn)生主要包括儲(chǔ)罐蒸發(fā)、LNG產(chǎn)品裝車、生產(chǎn)過程如再生氣分水罐、分子篩出口過濾器排污等。通常LNG儲(chǔ)罐的日蒸發(fā)率約為0.3%[4]，以某廠5 000 m3LNG儲(chǔ)罐實(shí)際運(yùn)行情形看，日蒸發(fā)率約為0.13%，主要原因?yàn)樵搩?chǔ)罐較新，保溫設(shè)施良好，儲(chǔ)罐溫度變化小，另外適當(dāng)提升儲(chǔ)罐的運(yùn)行壓力，某2萬m3LNG儲(chǔ)罐壓力從112 kPa提升至115 kPa后減少BOG量2 000 m3/d[5]。此外，應(yīng)優(yōu)化LNG充裝車輛銜接，減少放空量；做好各LNG管路的保冷工作，減小熱量損失。

3.3 循環(huán)水系統(tǒng)節(jié)能

循環(huán)水系統(tǒng)向脫酸氣冷卻器、解吸塔頂冷卻器、貧胺冷卻器、再生氣冷卻器、冷劑壓縮機(jī)級(jí)間及出口冷卻器以及BOG壓縮機(jī)提供冷量，總體熱負(fù)荷較大。該系統(tǒng)主要由冷卻塔、循環(huán)水泵、軟化水裝置、噴淋泵、軟化水補(bǔ)水管道等組成，設(shè)計(jì)循環(huán)水流量為1 350 m3/h。耗電設(shè)備主要為循環(huán)水泵（2臺(tái)132 kW電機(jī)運(yùn)行）、冷卻塔噴淋泵（16臺(tái)3.7 kW電機(jī)運(yùn)行）、冷卻水塔風(fēng)機(jī)（8臺(tái)15 kW電機(jī)運(yùn)行），耗電量主要取決于設(shè)備運(yùn)行數(shù)量，而設(shè)備運(yùn)行數(shù)量取決于熱負(fù)荷需求。冷卻水塔水的損耗主要為蒸發(fā)損失，隨循環(huán)水進(jìn)塔溫度和流量變化，即隨熱負(fù)荷變化。因此，循環(huán)水系統(tǒng)的節(jié)能體現(xiàn)在輕微調(diào)整熱負(fù)荷，包括根據(jù)原料氣中二氧化碳含量適當(dāng)降低解析塔底溫度；定期清洗各水冷器，清除水垢確保冷卻效果；根據(jù)季節(jié)特點(diǎn)，調(diào)整冷卻水塔噴淋泵及風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)量。

3.4 提升裝置運(yùn)行平穩(wěn)率

LNG工廠停車后造成冷劑放空損失，同時(shí)恢復(fù)正常運(yùn)行時(shí)間較長，開車過程中造成原料天然氣壓力能損耗及液化前序單耗耗能，因此應(yīng)加強(qiáng)生產(chǎn)運(yùn)行管理，減少設(shè)備故障停車概率；并協(xié)調(diào)上游電力系統(tǒng)提高可靠性。

4 節(jié)能效果

通過采取以上措施，該裝置能耗為16.7 tce/d，單位能耗約為0.06 kgce/m3，與其他裝置比對詳見表1。從表1可知，該裝置天然氣、新鮮水消耗較低；電力消耗受原料氣壓力影響較大，壓力越高，電耗越低，有條件應(yīng)選擇壓力較高的氣源附近建工廠。

表1 主要能耗比對分析

5 結(jié)論

LNG生產(chǎn)過程中能耗、水耗較LPG、CNG等裝置均高，尤其要注重設(shè)計(jì)時(shí)做好裝置系統(tǒng)內(nèi)余熱、余壓的利用，達(dá)到節(jié)約燃?xì)?、電力的目的。此外，在日常運(yùn)行過程中，需要注重管理細(xì)節(jié)，精細(xì)調(diào)整各項(xiàng)參數(shù)，注重設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)，及時(shí)根據(jù)裝置負(fù)荷情況優(yōu)化裝置運(yùn)行，降低裝置能耗、水耗。