混合冷劑制冷式LNG工廠節(jié)能模式探討

況發(fā)斌

目前國內(nèi)LNG工廠生產(chǎn)工藝主要采用混合冷劑循環(huán)壓縮制冷，而對于混合冷劑循環(huán)制冷工藝的LNG工廠而言，電能屬于主要能耗來源。近年來國家對進(jìn)口LNG的總量每年呈上升趨勢，國內(nèi)LNG工廠數(shù)量也在短短的幾年內(nèi)成倍增長，在LNG銷售市場競爭日益激烈的大環(huán)境下，如何節(jié)省電能，節(jié)省運(yùn)行成本，挖潛增效，成為了全國各大LNG工廠管理的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

一、LNG工廠能耗組成

1.電能

LNG工廠主要用電設(shè)備為離心壓縮機(jī)、原料氣壓縮機(jī)、BOG壓縮機(jī)、空氣壓縮機(jī)，除了各種壓縮機(jī)外，還有少量機(jī)泵、風(fēng)機(jī)等。在這些用電設(shè)備中，以離心壓縮機(jī)為代表的大功率型用電設(shè)備，是一個(gè)混合制冷工藝的LNG工廠用電的主要來源。以一個(gè)原料氣處理量100萬方/天的LNG工廠為例，如果采用變頻離心壓縮機(jī)為混合冷劑提供壓縮動(dòng)力，該離心壓縮機(jī)功率一般在10000kw-20000kw之間，滿負(fù)荷生產(chǎn)條件下，僅僅是該離心壓縮機(jī)每天用電量能達(dá)到300MWh-400MWh，而工廠的原料氣壓縮機(jī)、BOG壓縮機(jī)功率往往在1000kw以下，所有用電設(shè)備總功率還不到離心壓縮機(jī)功率的一半。

2.水能

在混合冷劑循環(huán)制冷工藝中，為了使冷箱內(nèi)部冷凝效果達(dá)到最佳，混合冷劑離心壓縮機(jī)往往采用多級壓縮，按照冷凝溫度的不同要求分別進(jìn)入冷箱。而冷劑壓縮機(jī)的每一級壓縮出口都為壓縮之后的高溫混合冷劑設(shè)計(jì)了級間換熱器，用以冷卻混合冷劑，為天然氣提供冷量。正是這些級間換熱器，成為了工廠的“用水大戶”，在高負(fù)荷生產(chǎn)時(shí)，每一臺(tái)級間換熱器每小時(shí)用水量可達(dá)上千立方，一個(gè)混合冷劑離心壓縮機(jī)的多臺(tái)級間換熱器每小時(shí)用水量可占到全廠用水量的80%-90%。

除了這些“用水大戶”之外，因生產(chǎn)工藝的需要，工廠還有其他換熱器需要用到冷卻水，但用量都不大，每小時(shí)最大用水量往往不超過100立方。

3.熱能

熱能主要用來給加熱爐提供熱量，目前國內(nèi)的主流混合制冷工藝中都用到了導(dǎo)熱油，導(dǎo)熱油用在吸收酸性氣體的富溶劑（通常是胺液）的再生、天然氣脫水工藝中分子篩的再生。導(dǎo)熱油溫升需要的熱能由燃料氣提供。

由于工廠每天的水能和熱能幾乎是固定用量，且節(jié)能空間跟電能來說相對較小，這里主要討論電能的節(jié)能方式。

二、各種設(shè)備的電能節(jié)能方式

1.離心壓縮機(jī)

在離心壓縮機(jī)的調(diào)節(jié)上，可通過調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速達(dá)到節(jié)能目的。比如在保證產(chǎn)量和生產(chǎn)工藝不受影響下，降低其轉(zhuǎn)速，單位時(shí)間內(nèi)的電耗就相應(yīng)降低。

變頻式離心壓縮機(jī)可通過調(diào)節(jié)各種冷劑配比的方式，降低離心壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速來降低電耗。但調(diào)節(jié)冷劑配比很復(fù)雜，需要考慮的因素也較多，除了壓縮機(jī)進(jìn)出口壓力和冷劑的出口溫度，還要視壓縮機(jī)喘振曲線是否有偏離。該操作有一定風(fēng)險(xiǎn)，尤其對于經(jīng)驗(yàn)不足的操作工，如果調(diào)節(jié)不當(dāng)，往往有造成壓縮機(jī)喘振的風(fēng)險(xiǎn)，一旦離心壓縮機(jī)發(fā)生喘振，當(dāng)量產(chǎn)品的電耗必將大幅度上升。

另一方面，通過調(diào)節(jié)離心壓縮機(jī)的方式來降低電耗效果也非常明顯，由此給工廠帶來的利潤效果提升也相當(dāng)可觀，哪怕僅僅是將其轉(zhuǎn)速下降1%，當(dāng)量產(chǎn)品的非原料成本也會(huì)下降3%以上。

2.原料氣壓縮機(jī)

在原料氣壓縮機(jī)的調(diào)節(jié)上，可根據(jù)其出口壓力的大小控制回流比，回流越少，壓縮機(jī)做無用功越少，就越省電。如果上游的原料氣進(jìn)口壓力足夠高，高過天然氣臨界壓力（4.5MPa），此時(shí)可關(guān)閉原料氣壓縮機(jī)，讓原料氣跨過原料氣壓縮機(jī)直接進(jìn)入凈化工序。

3.BOG壓縮機(jī)

在BOG壓縮機(jī)的調(diào)節(jié)上，可視LNG儲(chǔ)罐閃蒸BOG之后的儲(chǔ)罐壓力大小，選擇間歇性運(yùn)行BOG壓縮機(jī)。比如LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力為20kpa，放空壓力設(shè)計(jì)為15kpa，而此時(shí)如果LNG儲(chǔ)罐運(yùn)行壓力始終維持在10kpa或者更低，便可對BOG壓縮機(jī)進(jìn)行停機(jī)處理。停運(yùn)BOG壓縮機(jī)之后，隨著LNG儲(chǔ)罐壓力不斷上升，當(dāng)其上升到12kpa時(shí)再重新啟動(dòng)BOG壓縮機(jī)，這樣既避免了BOG的放空浪費(fèi)，又節(jié)省了BOG壓縮機(jī)這段時(shí)間的運(yùn)行電耗。

4.冷卻風(fēng)機(jī)

在開式的冷卻塔中，循環(huán)水的冷卻風(fēng)機(jī)往往有多臺(tái)。在冬季溫度較低的情況下，可選擇停運(yùn)一臺(tái)冷卻風(fēng)機(jī)，但這取決于冷劑壓縮機(jī)級間換熱器冷劑的出口溫度。如果停運(yùn)一臺(tái)風(fēng)機(jī)，循環(huán)冷卻水從冷卻水塔的出水溫度就會(huì)升高，相應(yīng)的，級間換熱器冷劑的出口溫度也會(huì)升高，如果冷劑溫度高到達(dá)不到進(jìn)入冷箱的條件，那此時(shí)就必須重啟停掉的冷卻風(fēng)機(jī)。

5.級間換熱器

級間換熱器本身不是用電設(shè)備，但是卻可以通過優(yōu)化它的運(yùn)行參數(shù)來間接優(yōu)化冷劑壓縮機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。在水質(zhì)不好尤其是硬度較高的冷卻水工廠中，運(yùn)行多年后會(huì)發(fā)現(xiàn)換熱器換熱效果不好，這往往是換熱器內(nèi)部水質(zhì)結(jié)垢后堵塞換熱管束，造成單位時(shí)間內(nèi)給混合冷劑換熱的冷卻水流量下降，換熱效率降低。如果級間換熱器換熱效率下降，冷劑達(dá)不到進(jìn)入冷箱的溫度要求，會(huì)使冷劑壓縮機(jī)做更多無用功，間接增加了冷劑壓縮機(jī)電耗。因此，維護(hù)好級間換熱器的運(yùn)行，也是一種間接提升冷劑壓縮機(jī)運(yùn)行效率和全廠省電的方式。

級間換熱器管束結(jié)垢嚴(yán)重時(shí)需要全廠停產(chǎn)檢修，對換熱器進(jìn)行拆卸清洗。為避免此類非計(jì)劃停車，工廠往往采用對冷卻水加酸來降低其硬度的方式來處理。

三、結(jié)論

混合冷劑循環(huán)制冷的LNG工廠節(jié)能方式雖然較多，但每種方式都有一定的局限性，調(diào)節(jié)冷劑配比需要不斷摸索，冷劑配比也并非嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)單位提供的平衡表，該方法效果最好但難度最大;停用原料氣壓縮機(jī)要視上游原料氣壓力，不具備主動(dòng)權(quán);間歇式啟停BOG壓縮機(jī)要視LNG儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的放空壓力與運(yùn)行壓力的彈性空間，且不斷啟停BOG壓縮機(jī)對設(shè)備壽命有一定影響;停運(yùn)冷卻水風(fēng)機(jī)要視混合冷劑的換熱溫度與冷卻水出水溫度，在環(huán)境溫度較低的冬季可適時(shí)選用。

由于離心壓縮機(jī)是工廠電耗的主要用電設(shè)備，變頻離心壓縮機(jī)一旦降低轉(zhuǎn)速，全廠電耗下降非常明顯，帶來的經(jīng)濟(jì)效益也非?？捎^，因此如何調(diào)節(jié)離心壓縮機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，如何優(yōu)化混合冷劑的工藝配比，成為了混合冷劑制冷式LNG工廠節(jié)約能耗的主流方式。

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