LNG接收站的能耗分析及生產優化研究

摘要：根據LNG接收站生產運營特點，通過對運營方式的深入了解，采集大量的相關數據，再運用先進的控制優化思想實現生產業務與信息技術的結合，從而使各項業務應用具有高度的使用性，合理安排生產調度計劃，優化生產流程，對裝置及設備進行能耗以及能耗影響因素進行關聯性的量化分析，挖掘節能降本的潛力，從而實現對LNG接收站生產運營的精細化管理，指導合理化運營。通過對LNG接收站的能耗分析及生產優化研究，為數字化LNG提供了技術及理論基礎，有效降低LNG接收站生產能耗及成本，挖掘LNG接收站生產潛能，實現降本增效。

關鍵詞：能耗分析；生產優化；精細化管理；降本增效

一、引言

液化天然氣（LNG）單位體積為同質量氣態天然氣體積的1/625，更易儲運，熱值高，性能高。LNG接收站作為海上引進天然氣的終端和陸上天然氣供應氣源，在液化天然氣產業鏈中至關重要，因而提高其運營效率、有效降低LNG生產成本對整個天然氣產業鏈的成本影響重大。通過對LNG接收站生產運營情況的分析和評估，進行LNG接收站能耗分析、運行優化方面的研究，建立一套適合LNG接收站的能耗分析及運行優化整體解決方案，提升LNG接收站運營效率，降低生產運營成本，實現LNG接收站降低能耗、優化生產的目的。

二、LNG接收站現狀及需求

LNG接收站的生產工藝比較簡單，氣態外輸時，氣化LNG所用的海水氣化器主要以自然界的海水為熱源，能源消耗主要在高壓泵、海水泵[1]；液態外輸時，直接向槽車裝罐LNG，能源消耗主要在低壓泵。此外，處理蒸發氣使用的是BOG壓縮機。這些輸送設備都是以電力為驅動的，因此LNG接收站絕大部分消耗在電力上。

功率最大的為高壓泵，其次為海水泵，但這兩種泵只是在執行氣態外輸時才開啟。而BOG壓縮機雖然功率小于以上兩種設備，但為了保證儲罐和管道不超壓，蒸發氣必須時刻進行處理，或者進入冷凝器冷凝，或者送入外輸管道，因此BOG壓縮機需要長時間開啟。對LNG接收站來說，高壓泵和BOG壓縮機幾乎占到全站設備用電的一半。

三、 整體方案設計

LNG接收站能耗分析及生產優化系統軟件平臺采用C/S + B/S混合模式來進行軟件部署，如：運行優化等計算類軟件模塊的離線建模過程采用C/S方式，運行優化模塊的在線功能以及其他功能模塊則采用B/S方式。

四、能耗與能效分析

本模塊通過分析裝置、設備的能耗特點，尋找影響能耗的主要影響因素，以指標系統為驅動，以實時數據庫的數據為基礎，對裝置、設備的能耗以及能耗影響因素進行關聯性的量化分析，為挖掘節能降本的潛力提供數據支撐。

（一）工序能耗分析

工序能耗分析根據工序的能耗特點，尋找影響工序能耗的主要影響因素，以指標系統為驅動，以實時數據庫的數據為基礎，對工序能耗以及工序能耗影響因素進行關聯性的量化分析。工序能耗分析包括工序能耗關聯分析、工序能耗對標分析、工序間能耗對比分析、工序開工率和同比、環比分析等。

（二）設備能效分析

通過實時采集主要耗能設備的進出口數據、設備負荷和關鍵工藝數據，建立相依的能效分析模型，實時計算設備的能效情況并進行監控，比對設備的能效界限設定值，進行實時能效報警，同時通過趨勢圖方式提供歷史能效數據的回溯和分析，并以重點設備能效日報的方式進行能效管理，為企業實現能源精細化管理提供有力支持。在實時計算設備的能耗和能效數據的基礎上，建立能耗、能效與運行參數的關聯模型，確定在不同負載率情況下的設備能效和能耗正常范圍，并實時判斷當前的能耗和能效數據是否在合理范圍內，跟蹤超出正常范圍的數據點，達到一定條件后將會觸發異常報警，找出能耗能效異常原因并及時解決問題，從而有效提高能效和降低能耗。

五、運行優化

通過“能耗與能效分析”模塊對LNG接收站能耗的使用情況進行分析，發現有一定節能降本空間的潛力點后，利用“運行優化”模塊對LNG接收站的生產運行進行優化指導和調度，提升LNG接收站運營效率，降低生產運行能耗和成本。

（一）多設備組合運行優化

當多臺設備共同執行一定的輸送任務，且該輸送任務小于所有設備最大出力的總和時，由于各臺設備的效率不同，存在每一個設備出力多少的分配策略問題。此外，當有備用設備或者輸送任務較小不需要全部設備開啟時，還存在各設備開啟或關閉的選擇問題。因此，可以根據單臺設備的效率的差異，對各設備的啟停和出力進行優化組合，實現節能目標。

多設備組合運行優化模型為混合整數規劃（線性或非線性）模型，如果是非線性模型，需要采用高效的方法將其轉化成混合整數線性規劃模型，然后利用系統給出的算法進行求解。多設備組合運行優化模型由目標函數、約束條件和操作變量構成。多設備組合運行優化模型的目標函數為：

（1）

E—總能量消耗；

ki—0、1變量，第i臺設備開關變量，0表示關機，1表示開機；

Ei—第i臺設備能量消耗。

多設備組合運行優化模型的約束條件包括輸送任務約束、能量需求約束、開停機約束和設備約束等。

輸送任務約束：

（2）

T—總輸送任務；

ti—第i臺設備的輸送量。

能量需求約束：

（3）

f i（ ）—第i臺設備的輸送量與能量消耗的函數。

開停機約束：

ki=0 or 1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

ki—第i臺設備開關變量，只能取0或1。

設備約束：

（5）

—第i臺設備輸送能力的最小值

—第i臺設備輸送能力的最大值（或額定值）

（二）生產調度優化

LNG接收站作為來料加工企業，其生產受到上游（LNG原料的到站）、下游（客戶需求、管網調度等）和自身運行狀況的影響。生產計劃調度優化技術用于指導在線生產計劃的排程與調度，該技術基于生產任務、訂單等信息，以計劃和調度周期內能源消耗最少、生產成本最低為最優目標，將現場可調節的手段（如安排槽車集中灌裝、提前或延后設備檢修等）作為決策變量，將現場必須滿足的條件作為約束條件，建立計劃調度優化模型。該模型為混合整數線性規劃模型。

生產計劃調度優化模型的核心思想是以未來一段時間內的運行成本最低為目標，通過優化低壓泵開啟時間、裝車撬開啟臺數和開啟時間、設備檢修時間等，減少用電量的消耗，減少電價峰時段的設備運行時間，實現節能減排、降本增效的目標。

生產計劃調度優化模型由目標函數、約束條件和操作變量構成。生產計劃調度優化模型的目標函數為：

（6）

C—在u時段內生產計劃執行成本；

ci—單位時間執行第i項生產任務產生的成本；

ti—第i項生產任務執行的時間；

pi—單位時間第i項生產任務未按時執行的罰值；

tpi—第i項生產任務未按時執行的時間。

等式右邊第一項計算了執行完各項生產任務所產生的成本，第二項確保各項生產任務盡量按計劃完成。整個目標函數表示計劃調度優化的目的是為了使計劃執行時總的成本為最小。

生產計劃調度優化模型的約束條件包括任務互斥約束、任務執行順序約束、任務執行時間約束、操作約束和裝置約束等。

任務互斥約束：

（7）

ki，kj—第i、j項任務執行與否變量，只能取0或1，0表示不執行，1表示執行。上式表明當兩項任務不能同時執行時，只能選擇其中一個執行。比如檢修人員在進行設備檢修時，不可能同時檢修A設備的同時又檢修B設備，只能選擇A和B之一進行檢修。

任務執行順序約束：

（8）

a—執行時間段；

?t—上一個任務執行完后，下一個任務執行的時間

上式表明前一個任務執行完畢后，后續任務必須跟進執行。保證任務之間的銜接必須及時。

任務執行時間約束：

（9）

S—一組任務完成的時間；

上式表明一組任務必須在規定時間內完成。

父任務與子任務約束：

（10）

上式表明子任務執行時間不能超父任務執行時間。比如槽車灌裝必須在低壓泵啟動之后才能灌裝，而且灌裝時間必然小于低壓泵開啟時間，作為父任務（低壓泵開啟）執行時間必須大于子任務（槽車灌裝）執行時間。

（三）輸送優化

LNG接收站的電能消耗是主要能耗，電費占LNG接收站運行費用的很大一部分。因此，節約電耗，同時節約用電成本，是促進LNG接收站降本增效的有效手段。

為了提高用電效率，很多地區采取了調峰的措施[2]。LNG接收站的主管道比較長，有一定的管存量。在電價的谷時段適當增加設備出力，提高管道壓力增加管存量。在電價的高平時段適當降低設備出力，而利用多余的管存量進行外輸。這樣利用電價的峰谷平和管道的管存來調節生產節奏，采取錯時用電的措施以節約用電成本。

根據峰谷平電價的時間段結合管道壓力升降速率，并合理利用管道內的管存，將輸送計劃按照最佳的執行時段進行分段。在滿足負荷要求的情況下，優化設備輸送量，最大限度地降低用電費用。此外，如果輸送量較大需要多臺設備同時運行時，結合前述“多設備組合運行優化”模塊功能，還可將分段好的輸送計劃優化分解為各設備（泵）的輸送任務。

輸送優化模型由目標函數、約束條件和操作變量組成。

目標函數：

（11）

C—輸送成本；

ci—各時段輸送成本，分為峰、平、谷三個時段。

約束條件：

輸送成本約束：

（12）

u—該時段內的電價；

e—該時段內的執行輸送任務的用電量。

用電量約束：

e=f（Q）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （13）

Q—設備輸送量；

f（）—用電量與設備輸送量的函數

管道壓力約束：

（14）

—執行輸送任務后的管道壓力；

p—執行輸送任務前的管道壓力；

L—輸送負荷；

y—執行輸送任務前的管存量；

t—執行輸送任務的時間；

?t—管道升降壓時間；

f（）—執行輸送任務后的管道壓力與執行輸送任務前的管道壓力、輸送負荷、設備輸送量、執行輸送任務前的管存量、執行輸送任務的時間、執行輸送任務的時間的函數；

pmin—管道壓力最小值；

pmax—管道壓力最大值。

六、海水用量優化

開架式氣化器（ORV）用于液化天然氣的加熱氣化。根據環保要求，海水換熱前后最大溫差不超過5℃，為達到這一指標，通常以最大限度地保證海水的供給，導致供應的海水使用量過大，海水泵常常處于高負荷運行狀態，造成大量的電能浪費[3]。

基于傳熱原理、物性模型及設備模型，結合工藝要求、實時工況等工藝參數，計算出ORV實際所需的海水量，進而科學調節海水泵的負荷，以達到節電降耗的目的。通過開架式氣化器的結構參數，工藝操作參數得到各種傳熱系數，然后通過換熱基本方程得到在保證海水進出口溫度差小于5℃的情況下，當前氣化的LNG所需實際的海水量，將此結果輸出給現場操作人員以供其對海水量進行調整。

七、結束語

通過上述研究，建立了包括能耗及能效分析模型、計劃調度優化模型、輸送優化模型、海水氣化器換熱優化模型在內的多個LNG接收站能耗分析及生產優化數學模型，建立了一套具備能耗分析、運行優化等多重功能的LNG接收站整體解決方案，同時該系統在落地點LNG接收站投運應用良好，加強了生產管控能力，降低了生產運營成本，實現電能耗降低2%的目標，研究成果具有較好的推廣應用價值。

作者單位：楊雪松? 中海油信息科技有限公司天津分公司

參? 考? 文? 獻

[1] 蘇陽.基于LNG接收站氣化外輸單位電耗計算的生產模型探討[J].廣東化工，2020（17）：45.

[2] 李圣彥.長三角地區儲氣庫、LNG與管網調峰策略[J].北京石油管理干部學院學報，2021（03）：42-43.

[3] 唐永娜.唐山LNG接收站海水泵運行優化方案研究[J].科學管理，2016（04）：204.