LNG工廠能耗分析及節能措施探討

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，裝置負荷調節能力為50%～110%。原料天然氣壓力為3.5 MPa。原料氣經過濾分離后，進入脫酸系統，采用MDEA溶液脫除氣體中二氧化碳，經分子篩系統脫除天然氣中的飽和水，再經脫汞后進入高效板翅式換熱器，與混合冷劑換熱后液化成LNG產品。

近年來，天然氣消費量持續增長，液化天然氣（LNG）由于運輸靈活、貼近用戶按需服務、價格優勢等受到市場熱捧，LNG工廠開車率逐步提升。LNG工廠開停車主要受裝置運行的經濟性影響，因此，減少LNG生產過程中能源消耗至關重要。

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熱油爐天然氣消耗為1 000～1 300 m3/d；液化單元冷劑壓縮機及循環水系統為主要耗電大戶，耗電量為13萬kW·h/d，其中冷劑壓縮機耗電占比約86%，循環水系統（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、冷劑壓縮機級間及出口冷卻器以及蒸發天然氣（以下簡稱BOG）壓縮機提供冷量；閉式循環水冷卻塔日均耗水150～300 m3。另外，裝置停車時需要消耗冷劑。LNG工廠能源消耗分析見圖1。

2 設計環節的節能技術

2.1 系統內余熱利用技術

2.1.1 再生氣換熱技術

分子篩脫水系統采用三塔工藝，一塔吸附、一塔再生、一塔冷吹，再生氣加熱爐連續運行。將進加熱爐的再生氣（24℃）與再生塔出口的高溫氣（以260℃為例）進行換熱。進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荷。分子篩四塔流程再生氣、冷吹氣換熱器的應用可參見李明的敘述[1]。

2.1.2 BOG換熱器

蒸發天然氣（BOG）是LNG在儲罐內或工藝系統中因吸收外部熱量而氣化的氣體。將從脫水系統出來的原料天然氣（43℃）與BOG（-160℃）進行換熱后進入冷箱，原料天然氣的溫度降低至33℃，進而降低了冷劑壓縮機負荷，BOG溫度一定程度上升，減少了復熱器功耗，為BOG壓縮機安全運行提供保障。

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℃）進行換熱，貧胺液溫度可降低至59℃，減小貧胺冷卻器的負荷；富胺液溫度可提升至97℃，減小導熱油爐熱負荷。

2.2 氣體及副產品回收技術

LNG工廠生產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，通常情形下需經壓縮機增壓至原料氣壓力后返回工廠入口循環利用。因儲罐吸熱、充裝單元放空等因素產生了較大量的BOG，日均2～3萬m3，壓力25 kPa，通常情形下需經壓縮機增壓后方可利用。LNG工廠產生的輕烴副產品需外運至其他工廠深加工。

某LNG工廠在選址時，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，直接銷售。可將輕烴副產品利用工廠重烴分離器（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；可將BOG氣體優先用于工廠燃料氣系統，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，節約LNG工廠能耗。

2.3 混合冷劑配方優化設計

混合冷劑技術具有流程簡單、機組設備少、投資少、能耗低等特點，目前世界上80%的基本負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耗能水平。某LNG工廠根據各冷劑組分存在特定的制冷溫區特點及冷劑壓縮機各級壓力匹配情況，選擇了 N2、CH4、C2H4、C3H8、C5H12作為冷劑的基本組成，使液化單元壓縮機耗能控制在合理水平。但混合冷劑配方的確定需要設計者較為熟練地使用相關軟件，根據工況參數進行模擬計算并不斷優化。因此，在設計階段，建設單位應盡量準確地提供工況參數，確保計算結果與實際貼近。

2.4 循環水系統優化設計

循環水冷卻效果影響冷劑壓縮機的運行，因此該環節的設計需考慮水冷器經過一段時間運行后效率可能下降，略留富裕量。同時，對于北方地區，應考慮先空冷后水冷的方式，適當降低循環水溫度，減小蒸發損失，達到節能節水的目的。

3 管理環節的節能技術

3.1 分子篩脫水環節節能

分子篩工藝可選擇兩塔、三塔、四塔工藝，劉剛提出在成本費用較為緊張的情形下選擇兩塔工藝，在產量任務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到一定規模的情況下，四塔方案的設備投資、再生氣用量及操作費用均少于三塔方案及兩塔方案[1]。新建裝置應充分對比兩塔、三塔、四塔工藝技術經濟指標及能耗差異，并選擇合適裝機容量。

再生環節為耗能環節，需要重點考慮。分子篩再生氣流量是根據脫水負荷、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量等參數計算得到。但在實際生產過程中由于生產負荷的變化、氣質組分的變化等原因，再生氣量可比設計值低，生產管理時需根據生產實際情況及時調整再生氣量以減少分子篩加熱爐燃氣消耗。對再生氣流量可以采取“提溫變量”控制方法，即當分子篩再生氣出口溫度達到180℃后，結合脫水后露點情況適當降低再生氣量，可實現節約10%以上的燃氣，丁建成[3]提出過以上方法的具體應用。

另外，因再生氣（0.8 MPa）與引氣原料氣系統（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氣消耗；若0.8 MPa的再生氣壓力能過低而需要增壓并入高壓輸氣管網銷售，則應盡量減小再生氣量，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LNG工廠與LPG裝置合建時，則更為節約的方法是將LNG工廠再生氣引自LPG裝置重接觸塔頂調節閥前，以5萬m3/d的再生氣量計，可減少耗電4 000 kW·h/d。

3.2 BOG回收環節節能

LNG工廠BOG的產生主要包括儲罐蒸發、LNG產品裝車、生產過程如再生氣分水罐、分子篩出口過濾器排污等。通常LNG儲罐的日蒸發率約為0.3%[4]，以某廠5 000 m3LNG儲罐實際運行情形看，日蒸發率約為0.13%，主要原因為該儲罐較新，保溫設施良好，儲罐溫度變化小，另外適當提升儲罐的運行壓力，某2萬m3LNG儲罐壓力從112 kPa提升至115 kPa后減少BOG量2 000 m3/d[5]。此外，應優化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 循環水系統節能

循環水系統向脫酸氣冷卻器、解吸塔頂冷卻器、貧胺冷卻器、再生氣冷卻器、冷劑壓縮機級間及出口冷卻器以及BOG壓縮機提供冷量，總體熱負荷較大。該系統主要由冷卻塔、循環水泵、軟化水裝置、噴淋泵、軟化水補水管道等組成，設計循環水流量為1 350 m3/h。耗電設備主要為循環水泵（2臺132 kW電機運行）、冷卻塔噴淋泵（16臺3.7 kW電機運行）、冷卻水塔風機（8臺15 kW電機運行），耗電量主要取決于設備運行數量，而設備運行數量取決于熱負荷需求。冷卻水塔水的損耗主要為蒸發損失，隨循環水進塔溫度和流量變化，即隨熱負荷變化。因此，循環水系統的節能體現在輕微調整熱負荷，包括根據原料氣中二氧化碳含量適當降低解析塔底溫度；定期清洗各水冷器，清除水垢確保冷卻效果；根據季節特點，調整冷卻水塔噴淋泵及風機運行數量。

3.4 提升裝置運行平穩率

LNG工廠停車后造成冷劑放空損失，同時恢復正常運行時間較長，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，因此應加強生產運行管理，減少設備故障停車概率；并協調上游電力系統提高可靠性。

4 節能效果

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 結論

LNG生產過程中能耗、水耗較LPG、CNG等裝置均高，尤其要注重設計時做好裝置系統內余熱、余壓的利用，達到節約燃氣、電力的目的。此外，在日常運行過程中，需要注重管理細節，精細調整各項參數，注重設備維護保養，及時根據裝置負荷情況優化裝置運行，降低裝置能耗、水耗。