左秋河

（中國(guó)石油天然氣股份有限公司天然氣銷售公司河北分公司）

1 能耗分析

在LNG 工廠裝置生產(chǎn)運(yùn)行過程中，能源實(shí)物消耗主要以天然氣和電為主。以某類典型中小型LNG工廠裝置為例，對(duì)LNG 加工過程氣耗進(jìn)行分析。

1.1 LNG 加工流程

原料氣首先通過過濾調(diào)壓進(jìn)入脫碳系統(tǒng)，在吸收塔中天然氣與胺液（MDEA）逆向而流、充分接觸，用胺液脫除天然氣中的二氧化碳和部分酸性氣體，然后節(jié)流降壓，將胺液吸收的重組分進(jìn)行閃蒸排放。脫酸合格之后進(jìn)入干燥系統(tǒng)，利用分子篩進(jìn)行脫水干燥；脫水干燥合格后進(jìn)行粉塵過濾，然后脫汞，再進(jìn)入脫重?zé)N系統(tǒng)對(duì)重組分脫除后再次過濾。凈化合格后的天然氣進(jìn)入冷劑換熱器（以下簡(jiǎn)稱“冷箱”）降溫液化，并在中部（重?zé)N分離罐）利用低溫再次對(duì)重組分進(jìn)行脫除，從冷箱出來的LNG 經(jīng)過節(jié)流降壓進(jìn)入氫氣閃蒸罐閃蒸氫氣，然后進(jìn)入LNG 儲(chǔ)罐儲(chǔ)存；儲(chǔ)罐中LNG 的閃蒸氣經(jīng)BOG壓縮機(jī)壓縮進(jìn)入冷箱再次液化，然后進(jìn)行氮?dú)忾W蒸回到LNG 儲(chǔ)罐[1-3]。

天然氣消耗主要用途為產(chǎn)品LNG、副產(chǎn)品重?zé)N、自用氣（燃料氣和長(zhǎng)明燈等）、各閃蒸罐的閃蒸放空氣和開車過程中不合格氣放空等。LNG 和重?zé)N都輸產(chǎn)品可進(jìn)行銷售，自用氣和閃蒸氣就是節(jié)能降耗的關(guān)鍵[4-5]。

1.2 同類工廠氣耗對(duì)比

隨機(jī)選取西北、西南和華北三個(gè)同類裝置LNG噸氣耗對(duì)比見圖1，發(fā)現(xiàn)在不同的負(fù)荷下，各個(gè)裝置的氣耗數(shù)據(jù)都是不一樣的，而且相差較大，雖然有氣源組分差異的因素，但是導(dǎo)致氣耗數(shù)據(jù)相差較大的主要原因是各個(gè)裝置自用氣量、各閃蒸罐的閃蒸放空氣量的不同。

圖1 LNG 噸氣耗對(duì)比Fig.1 Comparison of ton gas consumption for LNG

根據(jù)圖1a 可見LNG 的氣耗主要和生產(chǎn)負(fù)荷有直接關(guān)系，生產(chǎn)負(fù)荷越高，氣耗越低。所以要降低LNG 裝置氣耗，首先是要提裝置的運(yùn)行負(fù)荷；其次在同類工廠中，相同負(fù)荷情況下華北LNG 工廠氣耗最低，在70%的負(fù)荷下，與西北LNG 工廠相比，每噸LNG 氣耗相差84 m3。由此可見運(yùn)行情況不同導(dǎo)致氣耗也有所不同。根據(jù)圖1b 可見氣耗高的主要原因是自用氣和部分儲(chǔ)罐的閃蒸量太大造成的，平均自用氣占1.78%、閃蒸放空占1%，合計(jì)2.78%。所以要降低LNG 加工天然氣的消耗量，主要是要降低自用氣和閃蒸放空量。

1.3 LNG 加工過程電耗分析

LNG 加工主要采取的制冷方式為膨脹制冷、混合制冷和階式制冷三種制冷方式，為了降低裝置電耗，目前國(guó)內(nèi)的中小型LNG 工廠大多采用混合制冷工藝，混合制冷劑液化流程見圖2。在混合制冷工藝中，冷劑壓縮機(jī)為工廠用電量最高的設(shè)備，占比約為85%。所以要降低裝置電耗，首先是要降低冷劑壓縮機(jī)的電耗量。而導(dǎo)致能耗偏高的主要原因包括以下幾個(gè)方面：設(shè)計(jì)單位通常將液化裝置滿負(fù)荷運(yùn)行作為最優(yōu)操作條件，而由于市場(chǎng)等原因，多數(shù)工廠裝置并不是穩(wěn)定在滿負(fù)荷運(yùn)行；氣源條件的不斷變化造成設(shè)計(jì)工況和實(shí)際工況有一定的差別；冬夏環(huán)境溫度變化也會(huì)導(dǎo)致實(shí)際工況偏離設(shè)計(jì)值；在裝置頻繁發(fā)生負(fù)荷調(diào)整后，對(duì)冷劑循環(huán)量未進(jìn)行對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)[6-8]。

圖2 混合制冷劑液化流程Fig.2 Liquefaction process of mixed refrigerant

2 節(jié)氣措施

2.1 閃蒸氣回收

在裝置運(yùn)行過程中，天然氣通過高壓低溫的吸收塔，與胺液逆向接觸，胺液吸收天然氣中的二氧化碳等酸性氣體，由于胺液還需要要重復(fù)利用，所以在經(jīng)過吸收塔后進(jìn)行節(jié)流降壓至胺液閃蒸罐，然后將胺液經(jīng)過吸收塔溶解的烴類物質(zhì)進(jìn)行閃蒸，然后調(diào)壓放空燃燒。經(jīng)分析，這部分閃蒸氣中甲烷含量在90%左右，閃蒸罐的運(yùn)行壓力為0.35 MPa。工廠燃料的運(yùn)行壓力為0.2～0.4 MPa，所以可增設(shè)氣液分離罐，將閃蒸氣中攜帶胺液進(jìn)行分離，然后通過管道將這一部分閃蒸氣引入燃料氣管網(wǎng)中，閃蒸氣外輸工藝流程見圖3，用于鍋爐的燃燒的自用氣，從而降低自用氣的使用量。經(jīng)初步計(jì)算，在裝置運(yùn)行期間每日可節(jié)約燃料氣約700 m3。

圖3 閃蒸氣外輸工藝流程Fig.3 Flow of transmission process for vapour

2.2 降低吹掃氣

自用氣主要包括燃料氣和火炬吹掃氣，燃料氣是根據(jù)裝置負(fù)荷大小進(jìn)行控制使用量。火炬吹掃氣是為了保證火炬氣排放管網(wǎng)的安全運(yùn)行，在火炬氣總管的上游最遠(yuǎn)端設(shè)有固定的吹掃系統(tǒng)，防止火炬出現(xiàn)負(fù)壓，一直保持投用。LNG 工廠的火炬吹掃系統(tǒng)之前設(shè)計(jì)用的吹掃氣是天然氣，但是天然氣作為火炬吹掃氣的成本高，故改為氮?dú)庾鳛榛鹁娲祾邭狻Ｔ谠O(shè)計(jì)中，PSA 氮?dú)猱a(chǎn)量為150 m3/h，在保證裝置系統(tǒng)用量情況下，富裕部分可作為火炬吹掃氣，若量不足，可用液氮作為補(bǔ)充?；鹁嬖谶\(yùn)行過程中，設(shè)計(jì)上采用天然氣進(jìn)行吹掃，上述某LNG 工廠火炬吹掃點(diǎn)為5 個(gè)，每天火炬吹掃氣天然氣耗量在3 240 m3左右。將火炬出掃氣由天然氣改為氮?dú)?，可以減少LNG 工廠天然氣的損耗，降低生產(chǎn)成本；增加氮?dú)獯祾吖芫€后，火炬吹掃系統(tǒng)中的天然氣和氮?dú)鈨陕反祾邭饪梢韵嗷溆茫玫乇ＷC了火炬排放的運(yùn)行安全；將火炬吹掃氣由天然氣改為氮?dú)?，既可以?jié)約天然氣，又可以減少碳排放。

2.3 BOG 外輸

某工廠屬于調(diào)峰型LNG 工廠，最初設(shè)計(jì)BOG回收工藝主要是BOG 壓縮再液化，在后期運(yùn)行過程中，發(fā)現(xiàn)冷箱的BOG 通道出現(xiàn)凍堵、BOG 濾芯凍堵等故障狀況后，冷箱需要復(fù)溫吹掃，導(dǎo)致BOG 不能進(jìn)行再液化，只能進(jìn)行放空燃燒。為了減少BOG放空燃燒，造成能源浪費(fèi)，在壓縮機(jī)后增加管線閥門，將BOG 外輸至城市管網(wǎng)。在LNG 裝置生產(chǎn)運(yùn)行狀態(tài)下，采取壓縮再液化工藝回收處理BOG；在LNG 裝置停產(chǎn)或BOG 系統(tǒng)出現(xiàn)凍堵或壓力過高時(shí)，BOG 壓縮后通過外輸管網(wǎng)輸送至城市低壓管網(wǎng)。

2.3.1 工藝介紹

BOG 壓縮再液化和外輸回收工藝對(duì)比見圖4。將大儲(chǔ)罐閃蒸出的BOG 氣體通過BOG 壓縮機(jī)增壓至1.2 MPa 后，進(jìn)入冷箱E 通道進(jìn)行再液化，E 通道出來的液化天然氣再經(jīng)過氮?dú)忾W蒸罐，脫除LNG 中的氮?dú)夂螅缓獨(dú)獾臍庀噙M(jìn)入燃料氣管網(wǎng)，液相LNG 產(chǎn)品通過液相控制閥輸送至LNG 儲(chǔ)罐；如圖4b 所示，將LNG 儲(chǔ)罐閃蒸出的BOG 氣體通過BOG壓縮機(jī)增壓至1.2 MPa 后，然后用汽化器進(jìn)行升溫，通過外輸管線將BOG 輸送至城市管網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐BOG 的回收利用。

圖4 BOG 壓縮再液化和外輸回收工藝對(duì)比Fig.4 Comparison between BOG compression liquefaction and transmission recovery process

上述兩種BOG 回收工藝，除了在正常運(yùn)行生產(chǎn)況下和停車狀態(tài)下減少BOG 的排放外，在生產(chǎn)運(yùn)行過程中發(fā)生故障時(shí)，通過特殊控制方法，也能有效地減少生產(chǎn)事故中的BOG 氣體排放，主要采取以下措施。

當(dāng)冷箱E 通道入口過濾器凍堵時(shí)，BOG 壓縮機(jī)出口壓力會(huì)增加，導(dǎo)致管道壓力過高和壓縮機(jī)電流過高，所以需停止BOG 壓縮機(jī)，對(duì)過濾器濾芯進(jìn)行清理，這時(shí)LNG 儲(chǔ)罐壓力升高后，只能將BOG 排放至火炬放散處理。采用BOG 外輸工藝，可以不用再停BOG 壓縮機(jī)，直接把再壓縮的BOG 通過閥門控制，將其輸送城市外輸管網(wǎng)，等過濾器濾芯清理后，恢復(fù)BOG 壓縮再液化工藝流程即可；當(dāng)冷箱A/B 通道入口過濾器凍堵時(shí)，需對(duì)A/B 通道進(jìn)行復(fù)溫操作，這時(shí)隨著A/B 通道溫度上升，冷箱底部溫度、LNG 產(chǎn)品溫度、E 通道溫度受到一連串影響，導(dǎo)致BOG 壓縮機(jī)負(fù)荷大、出口壓力過高的情況，甚至導(dǎo)致BOG 壓縮機(jī)停機(jī)，這時(shí)LNG 儲(chǔ)罐壓力由于LNG 產(chǎn)品溫度升高和BOG 壓縮機(jī)的停機(jī)而迅速升高，為保證LNG 儲(chǔ)罐的安全，只能將BOG 排放至火炬處理。采用BOG 外輸工藝，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)溫的實(shí)際情況，可以縮短停BOG 壓縮機(jī)的時(shí)間，或不停BOG 壓縮機(jī)，直接把再壓縮的BOG 輸送城市外輸管網(wǎng)，等A/B 通道復(fù)溫完成后，恢復(fù)BOG 壓縮再液化工藝流程即可；當(dāng)?shù)獨(dú)忾W蒸罐出現(xiàn)排液不暢或運(yùn)行壓力過高時(shí)，需要對(duì)氮?dú)忾W蒸罐壓力進(jìn)行排放至火炬處理，采用BOG 外輸工藝可以在BOG 再液化工藝的基礎(chǔ)上，同時(shí)適當(dāng)打開城市管網(wǎng)外輸閥門，雙向運(yùn)行，待氮?dú)忾W蒸罐壓力恢復(fù)正常后關(guān)閉外輸閥門。

2.3.2 開車工藝氣回收

LNG 工廠在開車過程中會(huì)產(chǎn)生一部分指標(biāo)不合格的天然氣放空燃燒。開車期間不合格天然氣產(chǎn)生的主要原因是在開車前期，脫酸區(qū)胺液需加熱再生、脫水區(qū)的分子篩和脫重?zé)N區(qū)的活性炭需進(jìn)行活化，在此期間，不能夠正常脫酸、脫水和脫重?zé)N。為了避免冷鮮出現(xiàn)水和二氧化碳凍堵，導(dǎo)致停車，所以天然氣進(jìn)入冷箱前進(jìn)行放空燃燒。由于在脫水區(qū)的再生氣就是在進(jìn)入冷箱前取得，然后加熱再生，然后通過再生氣壓縮機(jī)，將再生返回脫水區(qū)入口。所以根據(jù)工廠的實(shí)際運(yùn)行情況，可將不合格的天然氣通過再生氣壓縮增壓后，加裝閥門管線，將不合格的天然氣進(jìn)行回收至外輸氣管網(wǎng)，節(jié)約開車成本。開車工藝氣外輸見圖5，從工廠脫水區(qū)再生氣壓縮機(jī)出口V-208 連接管線、氣液分離器和流量計(jì)，將不合格的天然氣輸至城市管網(wǎng)。當(dāng)合格的天然氣進(jìn)入冷箱后，在重?zé)N分離罐溫度為降到脫離重?zé)N的溫度時(shí)，此部分天然氣不能進(jìn)入冷箱底部，所以也需要進(jìn)行放空燃燒，在重?zé)N分離罐頂部增加調(diào)節(jié)閥門，根據(jù)重?zé)N分離儲(chǔ)罐的壓力，對(duì)未達(dá)到脫離重?zé)N的天然氣回收外輸至城市管網(wǎng)；在天然氣進(jìn)入冷箱底部后，由于底部溫度未達(dá)到LNG 儲(chǔ)存溫度，不能直接進(jìn)入LNG 儲(chǔ)罐，所以此部分天然氣也加裝調(diào)節(jié)閥門進(jìn)行外輸。

圖5 開車工藝氣外輸Fig.5 Transmission of start-up process gas

3 節(jié)電措施

由于冷劑壓縮機(jī)的電耗量，主要根據(jù)冷劑的循環(huán)量進(jìn)行調(diào)整，冷劑循環(huán)量越大，冷劑壓縮機(jī)電流越高，在確保安全運(yùn)行的基礎(chǔ)上，用歷史操作記錄分析冷劑壓縮機(jī)及冷箱的操作范圍，根據(jù)壓縮機(jī)性能曲線，分析冷劑流量及壓力對(duì)性能的影響優(yōu)化冷箱內(nèi)部的熱交換，有效減小低溫段的換熱溫差確定最佳冷劑操作條件（壓力、組成及流量），有效降低天然氣液化過程的冷劑壓縮機(jī)功耗。主要采用以下方法：混合冷劑組成可通過補(bǔ)充或?qū)С霾糠掷鋭﹣韺?shí)現(xiàn)；冷劑壓縮機(jī)入口壓力可通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度來實(shí)現(xiàn)；冷劑流量可通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥開度及補(bǔ)充或?qū)С霾糠掷鋭﹣韺?shí)現(xiàn)[9-10]。

需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況對(duì)冷劑配比、壓縮入口壓力和流量進(jìn)行調(diào)節(jié)優(yōu)化。在操作時(shí)，綜合考慮冷劑操作條件對(duì)壓縮機(jī)性能的影響，根據(jù)天然氣處理負(fù)荷調(diào)節(jié)壓縮機(jī)進(jìn)口壓力及流量，冷劑流量不能低于喘振線上的最小流量，處理負(fù)荷過低時(shí)需補(bǔ)充冷劑循環(huán)以滿足最小流量。

在裝置確定運(yùn)行負(fù)荷且運(yùn)行平穩(wěn)后，觀察冷劑壓縮機(jī)、冷箱運(yùn)行狀態(tài)和重?zé)N分離器的運(yùn)行狀態(tài)，首先在保證LNG 產(chǎn)品溫度合格、重?zé)N分離效果的條件下，調(diào)整節(jié)流閥的開度，降低冷劑的整體流量，在降低冷劑流量的過程中，保證冷劑流量不能低于PLC 喘振線上設(shè)定的最小流量，壓縮機(jī)一段實(shí)際質(zhì)量流量與設(shè)定質(zhì)量流量差值應(yīng)大于800 kg/h，二段實(shí)際質(zhì)量流量與設(shè)定質(zhì)量流量差應(yīng)大于300 kg/h。如果在調(diào)節(jié)過程中發(fā)現(xiàn)冷劑系統(tǒng)整體冷量偏多，可以進(jìn)行冷劑的導(dǎo)出，在導(dǎo)出的過程中觀察冷箱溫度分布，可以通過冷劑的導(dǎo)出和補(bǔ)充將冷箱溫度分布調(diào)至最佳狀態(tài)，冷箱溫度梯度的分布可以參考天然氣組分的變化進(jìn)行調(diào)整。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

通過回收閃蒸氣和降低自用氣兩項(xiàng)措施，在裝置開車期間，每日可減少排放天然氣約3 940 m3；通過BOG 外輸和開車工藝氣回收，在主裝置停產(chǎn)期間和裝置開車期間，能夠?qū)OG 和開車工藝氣進(jìn)行外輸，平均可減少排放天然氣約90×104m3/a；以上技術(shù)改造費(fèi)用約為60 萬元，只需一次性投資，根據(jù)目前幾家工廠的實(shí)際運(yùn)行情況，投資回收期只需1 a 即可。某工廠通過優(yōu)化冷劑配比，平均每年可減少用電量278×104kWh。通過以上節(jié)能降耗措施，不僅可以有效降低LNG 工廠的生產(chǎn)成本，而且可以大幅減少LNG 工廠的碳排放量。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過分析LNG 工廠涉及到的主要能耗量，天然氣消耗量和電耗量，確定LNG 工廠實(shí)際運(yùn)行過程中，能夠?qū)崿F(xiàn)回收利用或降低消耗的能耗量，主要為各種儲(chǔ)罐的閃蒸氣、吹掃氣和開車調(diào)試用氣，可進(jìn)行回收利用。然后通過技術(shù)改造，將工廠目前的放空燃燒的天然氣進(jìn)行回收利用，降低加工的成本；根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，調(diào)整冷劑配比、流量和壓力，降低壓縮機(jī)電耗量。通過以上4 項(xiàng)節(jié)能技術(shù)，降低LNG 工廠的天然氣消耗量，平均每年減少天然氣消耗量約為190×104m3；通過調(diào)節(jié)冷劑配比，每年降低電量消耗約為278×104kWh。