董龍偉 王厚銳 （國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)液化天然氣接收站管理公司）

液化天然氣LNG（Liquefied Natural Gas） 作為一種清潔能源被廣泛應(yīng)用于電力、冶煉、交通運(yùn)輸?shù)刃袠I(yè)。2021 年國(guó)內(nèi)LNG 進(jìn)口量1 089×108m3，同比增長(zhǎng)18.3%[1]。伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，天然氣的消耗量快速增長(zhǎng)[2]。LNG 接收站作為天然氣的存儲(chǔ)、加工及轉(zhuǎn)輸站被廣泛的應(yīng)用和建設(shè)，截至2021 年國(guó)內(nèi)已建設(shè)投產(chǎn)23 座LNG 接收站。LNG 接收站既是清潔能源的提供者，同時(shí)也是電能、天然氣能源的消耗者[3]。如何在“雙碳”目標(biāo)下建設(shè)運(yùn)行低碳型LNG 接收站，成為當(dāng)前LNG 接收站運(yùn)營(yíng)者所面臨的問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)LNG 接收站節(jié)能方法進(jìn)行了大量的研究[4]。REDDY 建立了BOG （Boil-Off Gas）壓縮機(jī)流量與功率的計(jì)算模型，用于模擬計(jì)算壓縮機(jī)的功率，提高其運(yùn)行效率[5]。HARSHA 利用非線性規(guī)劃公式（NLP）計(jì)算優(yōu)化BOG 的處理能耗[6]。葉振成建立了MINLP 模型用于確定低壓泵和BOG 壓縮機(jī)的運(yùn)行模式，減少外輸能耗[7]。王詩(shī)航利用HYSYS 軟件模擬LNG 接收站工藝流程參數(shù)優(yōu)化，降低LNG 接收站總能耗[8]。楊勇等人對(duì)公用工程空壓機(jī)、儀表氣和氮?dú)庀到y(tǒng)進(jìn)行了節(jié)能優(yōu)化改造，在保障氣源穩(wěn)定供應(yīng)的同時(shí)減少空壓機(jī)運(yùn)行時(shí)間，降低輔助生產(chǎn)的用電量[9]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)LNG 接收站能耗的研究多集中于BOG 的處理能耗的研究[10]，為此，文中重點(diǎn)應(yīng)用E-P 法研究LNG 接收站主要耗能工序，建立LNG 接收站外輸量與能耗的關(guān)系式，預(yù)測(cè)LNG 接收站月度能耗量。研究成果可為國(guó)內(nèi)其他LNG 接收站進(jìn)行能耗預(yù)測(cè)提供參考。

1 E-P 分析法

E-P 分析法是由陸忠武教授為解決鋼鐵企業(yè)綜合能耗分析與統(tǒng)計(jì)提出的一種分析法。通過(guò)對(duì)E-P能耗分析法的單位進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以便于更好地用于LNG 接收站能耗的分析。在E-P 能耗分析法中，影響能耗的因素分為兩類(lèi)：產(chǎn)品比系數(shù)、工序能耗[11]。

1.1 產(chǎn)品比系數(shù)

LNG 接收站產(chǎn)品比系數(shù)，是指統(tǒng)計(jì)期內(nèi)LNG 接收站各工序加工天然氣的量與同期內(nèi)該LNG 接收站加工天然氣總量的比值。產(chǎn)品比系數(shù)計(jì)算公式為：

式中：pi為產(chǎn)品比系數(shù)；V為L(zhǎng)NG 接收站加工天然氣的總量，104m3；Vi為L(zhǎng)NG 接收站第i道工序加工天然氣的量，104m3。

LNG 接收站產(chǎn)品比系數(shù)是評(píng)價(jià)LNG 接收站氣化外輸情況主要指標(biāo)，能夠反映LNG 接收站加工天然氣的主要方式，其數(shù)值的大小將直接影響天然的產(chǎn)品單耗。

1.2 工序能耗

LNG 接收站工序能耗，是指在統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)某一天然氣加工工序生產(chǎn)單位萬(wàn)方天然氣所消耗的電能。工序能耗計(jì)算公式為：

式中：ei為工序能耗，kWh/104m3；Wi為天然氣加工某一工序所消耗的電量，kWh。

LNG 接收站工序能耗是評(píng)價(jià)LNG 接收站氣化外輸能耗的主要指標(biāo)，能夠反映LNG 接收站某一工序加工天然氣為主要耗能過(guò)程，也是影響氣化外輸能耗的重要因素之一。

1.3 工藝能耗

LNG 接收站工藝能耗，是指是在統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)LNG 接收站加工所消耗的總電量與同期內(nèi)該LNG 接收站天然氣總的外輸量的比值。工藝能耗計(jì)算公式為：

式中：E為L(zhǎng)NG 接收站工藝能耗，kWh/104m3；W在統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)LNG 接收站加工所消耗的總電量，kWh。

由公式計(jì)算LNG 接收站工藝能耗無(wú)法真實(shí)體現(xiàn)LNG 加工成天然氣過(guò)程中各個(gè)環(huán)節(jié)的多種因素對(duì)其影響。為此將LNG 接收站工藝能耗的定義式展開(kāi)，用于詳細(xì)分析天然氣加工過(guò)程的影響因素。假設(shè)接收站將LNG 加工成天然氣有n道生產(chǎn)工序，其中第i道生產(chǎn)工序的產(chǎn)品比系數(shù)為pi，工序能耗為ei，LNG 接收站工藝能耗E為：

由于LNG 加工成天然氣過(guò)程中，除了直接加工消耗的電量，還應(yīng)包括生產(chǎn)輔助設(shè)備正常運(yùn)行所消耗的電量。生產(chǎn)輔助設(shè)備正常運(yùn)行所消耗的電量不隨每日加工量的變化而變化，其每日消耗的電量較為固定。為了便于用E-P 分析法對(duì)LNG 接收站加工能耗進(jìn)行預(yù)測(cè)，將E-P 分析法進(jìn)行部分修正。修正后的工藝能耗E為：

式中：p為L(zhǎng)NG 接收站經(jīng)歸一化后的天然氣的外輸量，104m3；e為經(jīng)歸一化后單位天然氣外輸量所消耗的電量，104kWh/104m3；Wf為基本能耗，104kWh。

2 LNG 接收站工藝流程

以廣西某LNG 接收站為例，對(duì)其工藝流程進(jìn)行介紹。目前，該LNG 接收站擁有4 座16×104m3的LNG 儲(chǔ)罐、16 臺(tái)低壓泵、7 臺(tái)高壓輸送泵、7 臺(tái)開(kāi)架式海水氣化器ORV（Open Rack Vaporizer）、5 臺(tái)海水泵、20 臺(tái)裝車(chē)橇。LNG 接收站工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 LNG 接收站工藝流程Fig.1 Process flow of LNG receiving terminal

LNG 船到達(dá)卸船碼頭通過(guò)卸料臂將LNG 輸送到岸側(cè)，岸側(cè)將LNG 通過(guò)卸料總管卸貨進(jìn)LNG 儲(chǔ)罐。LNG 進(jìn)入儲(chǔ)罐后置換出的蒸發(fā)氣BOG（Boil-Off Gas），通過(guò)氣相返回臂返回到LNG 運(yùn)輸船的儲(chǔ)艙中，以保持系統(tǒng)的壓力平衡[12]。在運(yùn)行過(guò)程中，LNG 蒸發(fā)產(chǎn)生的BOG 通過(guò)BOG 壓縮機(jī)壓縮后送入再冷凝器或者直接外輸至下游用戶[13]。儲(chǔ)罐內(nèi)的LNG 一部分經(jīng)低壓泵加壓后輸送至低壓總管，由低壓總管分輸至槽車(chē)區(qū)，由裝車(chē)橇裝車(chē)后進(jìn)行外運(yùn)；另一部分LNG 輸送至高壓外輸泵入口，與冷凝后的LNG 匯合，經(jīng)高壓輸送泵增壓后輸送至ORV，利用海水泵抽取的海水將LNG 氣化至0 ℃以上，氣化后的NG（Natural Gas）經(jīng)計(jì)量單元計(jì)量后外輸至下游用戶[14]。

3 LNG 接收站工藝能耗E-P 分析

采用E-P 分析法對(duì)廣西某LNG 接收站1、2 月份的能耗進(jìn)行分析。該LNG 接收站進(jìn)行外輸所涉及到的重點(diǎn)用能設(shè)備包括高壓泵、低壓泵、海水泵、BOG 壓縮機(jī)。以1、2 月份該接收站重點(diǎn)用能設(shè)備的用電量為例，對(duì)該LNG 接收站工藝能耗進(jìn)行E-P分析。重點(diǎn)用能設(shè)備用電量見(jiàn)表1。

表1 重點(diǎn)用能設(shè)備用電量Tab.1 Power consumption of key energy-consuming equipment104 kWh

根據(jù)LNG 接收站的工藝情況不同，一般將LNG接收站外輸情況分為三類(lèi)，即NG 高壓外輸、槽車(chē)外運(yùn)、BOG 外輸。LNG 接收站的外輸量見(jiàn)表2。

表2 LNG 接收站的外輸量Tab.2 Export volume of LNG receiving terminal108 m3

3.1 工藝能耗E-P 分析

如圖1 所示，在LNG 接收站中NG 高壓外輸需要分別運(yùn)行低壓泵、高壓泵、海水泵等重點(diǎn)用能設(shè)備。 NG 高壓外輸所消耗的電量為低壓泵、高壓泵、海水泵所消耗電量之和。槽車(chē)外輸僅需運(yùn)行低壓泵。槽車(chē)外輸消耗的電量為低壓泵的電量（低壓總管將LNG 分別輸送給裝車(chē)橇、高壓泵，在計(jì)算槽車(chē)所用電量時(shí)可以將低壓泵的總電量按照NG 高壓外輸量、槽車(chē)外輸量的比例進(jìn)行拆分）。BOG 外輸需要運(yùn)行BOG 壓縮機(jī)。BOG 外輸消耗的電量為BOG 壓縮機(jī)消耗電量之和。LNG 接收站的工藝能耗見(jiàn)表3，將表1、表2 中的數(shù)據(jù)代入公式（1） ～（3）計(jì)算NG 高壓外輸工序能耗及產(chǎn)品比系數(shù)、槽車(chē)外輸工序能耗及產(chǎn)品比系數(shù)、BOG 外輸工序能耗及產(chǎn)品比系數(shù)以及LNG 接收站工藝能耗。

表3 LNG 接收站的工藝能耗Tab.3 Process energy consumption of LNG receiving terminal

分析表3 可知，該LNG 接收站工藝能耗2 月份低于1 月份。在工序能耗分析環(huán)節(jié)可知：NG 高壓外輸工序能耗1 月份及2 月份基本持平；槽車(chē)外輸工序能耗1 月份低于2 月份；BOG 外輸工序能耗2月份低于1 月份；BOG 外輸為該接收站主要耗能工序。由上述結(jié)果分析并結(jié)合LNG 接收站工藝班組日常操作可知：2 月份槽車(chē)外輸?shù)蛪罕玫倪\(yùn)行與裝車(chē)橇的匹配程度較差，存在部分低壓泵出口回流較大的現(xiàn)象，低壓泵的運(yùn)行效率較低；BOG 受下游用戶管道壓力的影響，1 月份管線壓力高，BOG 壓縮機(jī)負(fù)荷由100%下調(diào)至75%，導(dǎo)致BOG 壓縮機(jī)運(yùn)行效率較低。

3.2 LNG 接收站E-P 能耗分析預(yù)測(cè)

通過(guò)E-P 分析法建立LNG 接收站經(jīng)歸一化的外輸量與能耗關(guān)系式，接收站現(xiàn)場(chǎng)的能耗可以分別表示為基本能耗和可變能耗兩種。擬合后的關(guān)系式能夠用于預(yù)測(cè)接收站的外輸能耗。測(cè)算方法如下：①將每日高壓泵、海水泵、低壓泵各自的總的用電量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；②槽車(chē)單位外輸量電耗=（NG 外輸總量+槽車(chē)外輸總量）/低壓泵的總用電量；③NG 單位外輸量電耗=NG 外輸?shù)目偭?(高壓泵+海水泵)總的用電量+槽車(chē)單位外輸量電耗；④能耗比=NG 單位外輸量電耗/槽車(chē)單位外輸量電耗+槽車(chē)單位外輸量電耗；⑤每日總的外輸量（此外將槽車(chē)的外輸量進(jìn)行歸一化處理）=（槽車(chē)外輸總量/能耗比）+NG外輸?shù)目偭浚虎迣⒔邮照久刻斓目偟碾娏窟M(jìn)行統(tǒng)計(jì)；⑦將每日總的用電量及每日歸一化后的總外輸量進(jìn)行一次函數(shù)的擬合。以廣西某LNG 接收站1 月份的外輸數(shù)據(jù)及能耗數(shù)據(jù)為例，建立E-P 分析法能耗關(guān)系式。外輸量與消耗電量的關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 外輸量與消耗電量關(guān)系Fig.2 Relation between export volume and energy consumption

通過(guò)分析圖2 可知，LNG 接收站的外輸量與接收站消耗的電量呈一次函數(shù)關(guān)系，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合獲得該一次函數(shù)的斜率和截距。該一次函數(shù)的斜率可以作為單位外輸量消耗電量即為可變能耗，截距可以作為基本能耗。擬合的一次函數(shù)為：

E=0.012 29p+4.073 81（7）

通過(guò)對(duì)比式（1）中一次函數(shù)的斜率和截距可以判斷該LNG 接收站在不同月份可變能耗與基本能耗的消耗情況，并由此判斷該LNG 接收站能耗消耗最小的月份，有效避免了因氣液比、外輸量的差異導(dǎo)致產(chǎn)品單耗的波動(dòng)。另外，在工藝班組操作程序不變、外輸工況不變的情況下，可以用該方法預(yù)測(cè)次月的能耗。以某LNG 接收站2 月份每日的能耗和外輸量數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，代入式（7）可以預(yù)測(cè)2月份的消耗電量為283.56×104kWh，與表1 中2 月份的總電量偏差率為2.62%，較為真實(shí)地預(yù)測(cè)了LNG 接收站月度用電量。

3.3 LNG 接收站E-P 分析外輸量

LNG 接收站在NG 高壓外輸僅通過(guò)ORV 進(jìn)行氣化的工況下，LNG 接收站主要的能耗種類(lèi)為電能，其他能耗可以忽略不計(jì)。年度單位產(chǎn)品單耗設(shè)定14.1 kgce/104m3(標(biāo)況)的目標(biāo)的前提下，建立槽車(chē)與NG 高壓外輸?shù)年P(guān)系式為：

式中：a為每日NG 外輸量，104m3；b為每日槽車(chē)外輸量，104m3，1.229 表示的是電能的折標(biāo)煤系數(shù)，為固定值；14.1 表示目標(biāo)產(chǎn)品單耗；9.323 表示NG 高壓外輸與槽車(chē)外輸?shù)哪芎谋取?/p>

結(jié)合式（7）～式（9）獲得槽車(chē)與NG 高壓外輸?shù)年P(guān)系式：

廣西某LNG 接收站，1 月份NG 高壓外輸量及槽車(chē)外輸量的關(guān)系圖見(jiàn)圖3。

圖3 1 月份NG 高壓外輸量及槽車(chē)外輸量的關(guān)系Fig.3 Relationship between NG high-pressure export volume and tanker export volume in January

分析圖3 可知，該LNG 接收站在1 月份能夠滿足單位產(chǎn)品單耗14.1 kgce/104m3(標(biāo)況)目標(biāo)的外輸工況僅為3 d。通過(guò)關(guān)系式可知，在設(shè)定LNG 接收站單位產(chǎn)品單耗目標(biāo)時(shí)，需同時(shí)考慮NG 高壓外輸量、槽車(chē)外輸量以及該LNG 接收站基本能耗與可變能耗的情況。單位產(chǎn)品單耗目標(biāo)設(shè)定后，為完成該目標(biāo)，生產(chǎn)上通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)降低基本能耗與可變能耗，商務(wù)上可以通過(guò)商務(wù)溝通增加槽車(chē)的外輸量。

4 結(jié)論

根據(jù)LNG 接收站氣、液態(tài)外輸形式的特點(diǎn)和能耗類(lèi)型，提出了LNG 接收站能耗控制指標(biāo)：基本能耗、可變能耗。由能耗指標(biāo)建立了LNG 接收站外輸系統(tǒng)的能耗E-P 分析法，采用該方法對(duì)廣西某LNG接收站進(jìn)行了月度能耗E-P 分析與預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果偏差率為2.62%。

首次應(yīng)用E-P 分析法對(duì)LNG 接收站的外輸量進(jìn)行分析，提出了通過(guò)生產(chǎn)工藝優(yōu)化、商務(wù)溝通等方式完成產(chǎn)品單耗指標(biāo)。E-P 分析法在LNG 接收站能耗預(yù)測(cè)的成功應(yīng)用為國(guó)內(nèi)LNG 接收站能耗分析及預(yù)測(cè)提供了一種新思路，未來(lái)可為國(guó)內(nèi)外其他LNG 接收站運(yùn)行能耗的分析及預(yù)測(cè)提供參考依據(jù)。