制氮裝置運行模式優化及節能

余偉++趙來++張明峰++李民星

摘 要：針對浙江LNG接收站制氮系統高壓機增壓時間過長、在氮氣高峰用氣時供應量不足的問題，立足于提高系統的可靠性，提出了增加一臺氮氣增壓機作為備用的改進方法。通過優化儀表空氣系統與制氮系統的工藝流程，將儀表空氣壓縮機與制氮裝置串聯，利用儀表空壓機過剩的產能為制氮裝置提供空氣，從而生產氮氣，并進行了能耗分析。

關鍵詞：制氮；空氣壓縮機；化學性質；卸船作業

中圖分類號：TU83 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.117

氮氣由于水露點低且化學性質穩定，被廣泛應用于石油天然氣行業。LNG接收站管道和設備在吹掃置換時短時間內需要大量的氮氣，比如在接收站卸船期間，卸料臂時吹掃易出現氮氣供應量不足的情況。由于浙江LNG接收站的氮氣增壓機性能較差且無備用，導致高壓氮氣增壓時間較長（約1.5 d），有時會影響卸船作業進度。而在非卸船期間，接收站的氮氣用量較小，空壓機組的產氣量過剩，空壓機運行時頻繁地加載和卸載，對整個系統的穩定運行造成了一定的影響。

1 制氮系統運行情況分析

1.1 制氮系統流程簡介

浙江LNG接收站制氮系統為變壓吸附制氮裝置，配備有2臺英格索蘭IRN45K-OF A/C型空氣壓縮機，2套杭州吉大空分生產的JSN-100B型PSA制氮機，1臺30 Nm3/h的氮氣增壓機，1個容積為50 m3氮氣儲氣罐。PSA制氮機單套能力為100 Nm3/h，氮氣純度大于等于98.0%，PSA制氮系統工藝流程如圖1所示。

1.2 制氮系統設計能力

浙江LNG接收站制氮系統設計的供氣能力為30～530 Nm3/h。氮氣主要有3個作用：①用于設備和管道的吹掃、置換，為設備和管道的投用、檢修提供條件；②作為密封氣，用于旋轉接頭、火炬放空筒、電氣接線箱等設備，防止空氣進入密封件導致結冰或進入接線箱形成爆炸性氣體；③用作BOG壓縮機負荷調節的驅動氣源以及氣動閥門的動力氣源。

1.3 不同工況下的氮氣用量測試

1.3.1 PSA系統制氮能力

為了全面了解接收站PSA制氮系統的能力，現對PSA制氮裝置進行產能測試（測試期間未運行增壓機）：將氮氣空壓機的目標壓力設置為0.92 MPaG，運行2臺空氣壓縮機和2套制氮機，測試時保持氮氣管網用氮量維持在200 Nm3/h左右。測試過程中觀測到空壓機出口壓力維持在0.80～0.86 MPaG運行，PSA制氮機的出口壓力為0.72～0.78 MPaG，單套制氮機的出口流量（金屬管浮子流量計）為75～110 Nm3/h，氮氣管網的壓力維持在0.69 MPaG。單套制氮機的兩個變壓吸附塔的切換時間為1 min，切換時，單套制氮機的產量在75～110 Nm3/h間波動。

測試結果表明，2臺PSA制氮機的制氮能力為150～220 Nm3/h，當下游用戶的氮氣用量為200 Nm3/h時，氮氣管網的壓力維持在0.69 MPaG左右，制氮系統運行穩定。

1.3.2 非卸船工況下的氮氣用量測試

運行1臺空氣壓縮機和1套制氮機對設備制氮能力進行測試，裝置供應的氮氣滿足用戶的需求。測試期間氮氣使用對象主要有卸料臂、槽車裝車臂旋轉接頭密封、7臺低壓泵、5臺高壓泵電氣接線盒密封、高壓壓縮機填料密封、火炬筒密封、槽車裝車臂吹掃。

1.3.3 卸船工況下的氮氣用量測試

卸船期間，LNG接收站對4條卸料臂進行了吹掃置換，在短時間內需要用到大量氮氣。此時，用氮量達到峰值，通過DCS系統記錄卸料臂吹掃時氮氣用量，圖2為吹掃1條液相臂時氮氣流量趨勢圖。

從卸料臂吹掃時用氮量測試記錄可知，卸船期間接收站氮氣用量峰值可達600 Nm3/h左右，用氮量范圍在250～600 Nm3/h，平均用量約為350 Nm3/h。正常情況下，卸料臂吹掃時間為1.5 h左右，則吹掃卸料臂的氮氣用量為525 Nm3。卸船期間，接收站的總氮氣用量為623.4 Nm3。氮氣增壓罐壓力從2.5MPaG降低到0.8MPaG時，可以釋放出的氮氣為850 Nm3。

2 運行模式優化方案

2.1 新增一臺氮氣增壓機

根據制氮系統的運行情況，為確保系統運行穩定性，考慮新增一套能力為60Nm3/h的氮氣增壓機，從制氮裝置出口總管上新增一條1〞的管道，與原增壓機進行并聯，新增氮氣增壓機出口與高壓氮氣儲罐入口相連，兩臺增壓機即能獨自運行，又能同時運行，兩者互為備用，提高了氮氣系統的穩定性。

2.2 儀表空氣壓縮機與制氮裝置串聯運行

儀表空氣系統包括2臺工頻無油螺桿空氣壓縮機和2臺干燥裝置，單臺空壓機的產能為27.41 m3/min，運行1套空壓機生產儀表風即可滿足需求，但其產能嚴重過剩。通過改造和優化，將儀表空氣系統中的空壓機與2臺PSA制氮機串聯，日常運行1臺儀表空壓機、1臺干燥裝置和1臺PSA制氮機生產儀表風和氮氣。

3 運行模式優化后的效果

3.1 新增氮氣增壓機的運行效果

氣增壓機安裝后，LNG接收站可以在9.4 h內完成對50 m3的氮氣儲罐的充裝，與單臺增壓機所需時間28.3 h相比，縮短了18.9 h，大幅度提高了氮氣使用效率，且解決了1臺增壓機出故障后無法進行增壓的問題，提高了氮氣系統供氮的穩定性。

3.2 儀表空氣壓縮機的運行情況

圖3為更改流程前、后的儀表空壓機加載、卸載壓力趨勢圖。

在圖3中，10：20之前儀表空壓機的加載值為6.3 Barg。在卸載值為9.0 Barg的情況下，周期約為5min，10：20打開跨接并將加載值改為7.3 Barg，周期由之前的5 min變為15 min，空壓機運行較為平穩。優化后避免了空壓機較為頻繁的加載和卸載，減少了儀表空壓機和氮氣空壓機內排水電磁閥、入口進氣閥、出口排氣閥及各類元器件頻繁的動作，延長了各類部件的更換周期和空壓機的使用壽命。在串聯運行的過程中，儀表空氣用量保持在18 m3/h左右，下游氮氣用量穩定在約100Nm3/h，儀表空氣系統和氮氣系統運行正常。

3.3 運行模式優化后的節能分析

新的工藝流程中改用儀表空壓機為PSA供應壓縮空氣，省去了IRN45K-OF A/C型氮氣空壓機的使用。這不僅降低了氮氣空壓機的使用頻率，節約了氮氣空壓機的維修維護成本，也節省了生產用電。與儀表空氣系統、氮氣系統獨立運行的模式相比，儀表空壓機帶1套干燥裝置和1套PSA制氮裝置運行時每小時可節電26 kW·h，全年可節省生產用電約210 000 kW·h。

4 結束語

從儀表空氣壓縮機與制氮裝置串聯運行的運行效果和能耗的分析比較中可以看出，該項優化充分發揮了儀表空壓機的產能優勢，避免了其頻繁的加載與卸載，有利于設備的穩定運行，延長了儀表空壓機的使用壽命。運行模式優化后，降低了氮氣系統中空氣壓縮機的運行頻率，減少了運行能耗，每小時可節電26 kW·h，有效降低了生產成本，起到了很好的節能效果。

參考文獻

[1]萬常忠，王菊花，金美玲.空分制氮設備的選擇[J].2008（07）.

[2]吳衛，石紹軍.變壓吸附分離技術在氮氣生產中的應用[J].2010（03）.

編輯：張思楠