液化天然氣接收站節(jié)能指標(biāo)方法*

劉國豪 侯磊 李云杰 趙一樺 潘騰 李東陽

（1.中國石油大學(xué)（北京）機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院；2.國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道公司管道科技研究中心；3.中石油長慶油田分公司第五凈化廠）

1 現(xiàn)狀

天然氣作為清潔能源越來越受到青睞，液化天然氣（LNG）以其運(yùn)輸成本低、終端簡單、安全、可靠等優(yōu)勢，很多國家都將LNG列為首選燃料。液化天然氣接收站主要功能是將船運(yùn)LNG儲(chǔ)存、氣化然后往外輸送天然氣，在將液化天然氣進(jìn)行儲(chǔ)存、氣化、外輸?shù)倪^程中，LNG接收站自身各類耗能設(shè)備也消耗一部分能源，且消耗量較大[1]。隨著國內(nèi)LNG 接收站數(shù)量的增多，其自身能耗總量急劇上升，但是目前相關(guān)規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)主要集中在生產(chǎn)運(yùn)行領(lǐng)域，沒有適合LNG接收站的節(jié)能指標(biāo)和考核方法的研究和相關(guān)文獻(xiàn)，極大影響了能源管理部門進(jìn)行節(jié)能量下達(dá)和進(jìn)一步考核。為了加強(qiáng)對(duì)LNG接收站能耗管理，需要制定一套科學(xué)、合理的液化天然氣接收站節(jié)能考核評(píng)價(jià)體系，填補(bǔ)國內(nèi)空白，指導(dǎo)各類節(jié)能技措的實(shí)施，提高節(jié)能工作精細(xì)化水平。

LNG 接收站主要耗能設(shè)備包括低壓泵、高壓泵、BOG 壓縮機(jī)、海水泵和燃燒式加熱氣化器（SCV）[2]，LNG 接收站主要設(shè)備配置情況見表1。LNG 接收站全部的能源消耗種類有天然氣、電能、柴油、水、液氮。其中，天然氣消耗主要是火炬常明燈耗氣、SCV 耗氣。電能消耗主要用于低壓泵、高壓泵、BOG壓縮機(jī)、海水泵的運(yùn)行，用水消耗主要是輔助生產(chǎn)和站內(nèi)生活用水。液氮是指需要LNG接收站外部提供的液氮用量。柴油作為站內(nèi)備用柴油發(fā)電機(jī)的燃料，年使用次數(shù)少，僅維護(hù)期啟動(dòng)使用，用量極小。

表1 LNG接收站主要設(shè)備配置情況

圖1、圖2 分別是北方、南方某接收站能源消耗種類及各自比例圖。從能耗構(gòu)成上看，接收站的主要能耗為耗天然氣和耗電，兩者所占百分比均達(dá)到了99%以上，其它能耗所占比例僅占不到1%，可以忽略。因此，LNG接收站節(jié)能指標(biāo)考慮耗氣量和耗電量情況即可滿足考核要求。

圖1 北方某接收站2018年全年能耗種類及占比

圖2 南方某接收站2018年全年能耗種類及占比

2 氣化方法的影響

LNG接收站選擇不同氣化方法對(duì)站內(nèi)能耗情況影響很大，目前常見的氣化方法有浸沒燃燒式氣化器和開架式海水氣化器（ORV）兩種[3-4]。為了探討這種影響，從近年某LNG接收站的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)中選取兩組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)包括氣化量相近、并且氣化方法不同的兩天第一組：僅開啟SCV氣化的3月2日和僅開啟ORV氣化的7月15日；第二組：僅開啟SCV氣化的1月29日和僅開啟ORV氣化的8月22日，能耗情況見表2。

通過表2的比較可看出，氣化量相同時(shí)，開啟ORV氣化的能耗量與開啟SCV氣化的能耗量相差很大；氣化方法相同時(shí)，氣化量翻番則能耗量也翻番。因此，確定能耗指標(biāo)的第一步必須區(qū)分不同的氣化方法。

表2 兩種氣化方法的能耗比較

LNG接收站氣化設(shè)備的能源消耗量與當(dāng)?shù)睾Ｋ疁囟让芮邢嚓P(guān)（海水溫度越高，氣化所需能源消耗量越少），而且站內(nèi)能耗與氣化設(shè)備的能耗密切相關(guān)。一般而言，緯度越低，海水溫度越高，開啟ORV為主；緯度越高，海水溫度越低，開啟SCV為主。因此LNG接收站能耗指標(biāo)制定的思路是采用不同季節(jié)（不同海水溫度）、不同緯度地區(qū)分別制定節(jié)能指標(biāo)。本文分別選擇北方、南方典型的LNG接收站各一座進(jìn)行分析，即北方某LNG接收站和南方某LNG接收站分別制定耗能定額。

3 氣化量臺(tái)階劃分

3.1 劃分標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)LNG接收站設(shè)計(jì)的氣化配置方案要求，每年4月—11月氣化方式運(yùn)行以O(shè)RV為主，SCV為緊急備用；12月—次年3月氣化方式以O(shè)RV、SCV聯(lián)合運(yùn)行。因此，能耗指標(biāo)區(qū)分不同的氣化方法，將月份區(qū)間分為夏秋季（4 月—11 月）和冬春季（12月—次年3月），確定不同的氣化量臺(tái)階QN及對(duì)應(yīng)的氣化設(shè)備運(yùn)行數(shù)量。

在4月—11月的夏秋季，南方和北方LNG接收站均主要運(yùn)行ORV 進(jìn)行氣化，單臺(tái)ORV 的氣化能力均為600×104m3/d。因此，夏秋季以每日運(yùn)行ORV 臺(tái)數(shù)為階梯，多臺(tái)ORV 氣化能力依次為600×104、1 200×104、1 800×104m3/d。北方某LNG接收站和南方某LNG接收站的夏秋季氣化量階梯相同。

3.2 冬春季氣化量臺(tái)階

在12月—次年3月的冬春季，LNG接收站根據(jù)海水溫度的變化實(shí)施節(jié)能技措管理，優(yōu)先開啟ORV氣化，當(dāng)日輸量超出ORV 氣化能力時(shí)再使用ORV、SCV 聯(lián)合運(yùn)行。由于冬季的海水溫度偏低，單臺(tái)ORV 的氣化能力下降；而且北方某LNG 接收站海水溫度比南方某LNG接收站更低，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，南方某LNG 接收站單臺(tái)ORV 氣化能力為300×104m3/d，北方某LNG接收站單臺(tái)ORV氣化能力僅為180×104m3/d，應(yīng)分別劃定氣化量階梯。

北方某LNG 接收站和南方某LNG 接收站均配置3 臺(tái)ORV，該站在氣化量超出3 臺(tái)540×104m3處理量時(shí)需聯(lián)合運(yùn)行SCV氣化；南方某LNG接收站在氣化量超出3 臺(tái)900×104m3處理量時(shí)需聯(lián)合運(yùn)行SCV氣化，單臺(tái)SCV氣化能力依然為600×104m3/d。因此，冬春季北方某LNG接收站的氣化量階梯依次劃分為180×104、360×104、540×104、1 140×104、1 740×104m3；南方某LNG接收站的氣化量階梯依次劃分為 300、600、900、1 500、2 100×104m3。冬春季氣化量階梯劃分別見表3、表4。

表3 北方某LNG接收站12月—次年3月氣化量階梯劃分及氣化設(shè)備運(yùn)行情況

表4 南方某LNG接收站12月—次年3月氣化量階梯劃分及氣化設(shè)備運(yùn)行情況

4 定額指標(biāo)的確定

4.1 夏秋季耗電指標(biāo)

接收站內(nèi)的主要耗電設(shè)備高壓泵、低壓泵、海水泵、BOG壓縮機(jī)，這些耗電設(shè)備均為工頻定速運(yùn)行[5-6]，運(yùn)行時(shí)的耗電量固定，一條600×104m3/d的氣化生產(chǎn)線，包括1 臺(tái)高壓泵、1 臺(tái)低壓泵、1 臺(tái)ORV順序串聯(lián)運(yùn)行，單生產(chǎn)線的耗電量包括全部用電設(shè)備的耗電總量。

對(duì)夏秋季600×104m3/d的氣化量階梯內(nèi)的歷史能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，計(jì)算出日實(shí)際耗電量。考慮到SCV 作為緊急備用（如海水泵檢修時(shí)運(yùn)行SCV 氣化）時(shí)的耗氣、長明燈耗氣等增加夏秋季能耗值，現(xiàn)場一般采用擴(kuò)大系數(shù)法處理日耗電量數(shù)據(jù)。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，擴(kuò)大系數(shù)取為0.03，由擴(kuò)大系數(shù)法得到單生產(chǎn)線的實(shí)際耗電量。如果氣化量較大，需要開動(dòng)多條生產(chǎn)線，根據(jù)生產(chǎn)線的運(yùn)行情況，用倍數(shù)法來計(jì)算耗電量指標(biāo)。例如：當(dāng)日氣化量在600×104~1 200×104m3時(shí)需要運(yùn)行兩條生產(chǎn)線，耗電量為單生產(chǎn)線耗電指標(biāo)的2倍。根據(jù)定額方法，分別確定兩家LNG接收站的耗電量指標(biāo)，見表5。

表5 北方、南方某LNG接收站4月—11月耗電量指標(biāo)

4.2 冬春季耗電指標(biāo)

在冬春季的月份區(qū)間內(nèi)，優(yōu)先開啟ORV 氣化，超出ORV 氣化能力時(shí)再開啟SCV，使用ORV和SCV 聯(lián)合運(yùn)行。在僅開啟ORV 氣化時(shí)，耗電量數(shù)據(jù)和夏秋季相同，仍采用倍數(shù)法計(jì)算耗電量指標(biāo)。當(dāng)氣化量超過ORV 最大氣化量，使用ORV 和SCV 聯(lián)合氣化，不同氣化量的實(shí)際工況比較復(fù)雜，各類耗電設(shè)備運(yùn)行臺(tái)數(shù)不同；為了便于統(tǒng)計(jì)和制定指標(biāo)，由氣化量階梯內(nèi)典型工況下設(shè)備運(yùn)行臺(tái)次計(jì)算耗電量定額指標(biāo)，具體設(shè)備運(yùn)行臺(tái)次及對(duì)應(yīng)的耗電量見表6。

表6 北方、南方某LNG接收站12月—次年3月部分氣化量階梯的設(shè)備運(yùn)行臺(tái)數(shù)及耗電量指標(biāo)

4.3 耗氣量定額指標(biāo)的確定

在12月—次年3月期間，ORV、SCV聯(lián)合氣化運(yùn)行。當(dāng)運(yùn)行SCV 氣化，天然氣燃燒放出熱量，LNG吸收熱量被氣化。由于天然氣的熱值以及LNG單位氣化量所需的熱量可視為定值，因此，SCV的耗氣量與氣化量成正比，也就是說，萬方氣輸量所消耗的燃料氣量為一定值。根據(jù)北方某LNG接收站僅運(yùn)行SCV氣化的歷史能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出，萬方氣輸量的SCV耗氣量約為150 m3。因此，在12月—次年3 月的月份區(qū)間運(yùn)行SCV 氣化時(shí)耗氣量單耗為150×104m3/d氣。

5 綜合能耗指標(biāo)定額確定方法

5.1 北方某LNG接收站綜合能耗指標(biāo)定額

北方某LNG 接收站在4 月—11 月僅開啟ORV氣化，其總能耗全部為耗電。在12月—次年3月的日氣化量低于540×104m3時(shí)，僅開啟ORV 氣化；在超出540×104m3時(shí)，聯(lián)合開啟OCV、SCV 氣化，因此在低于540×104m3/d的氣化量時(shí)，總能耗全部為耗電；在高于540×104m3/d的氣化量時(shí)，先計(jì)算耗電和耗氣量，然后折算為綜合能耗。統(tǒng)計(jì)該接收站2017年1月—2018年8月的能耗數(shù)據(jù)，并按照耗電量指標(biāo)、耗氣量指標(biāo)定額折算為綜合能耗的方法，綜合能耗指標(biāo)見表7和表8。

表7 北方某LNG接收站4月—11月綜合能耗指標(biāo)

表8 北方某LNG接收站12月—次年3月綜合能耗指標(biāo)

5.2 南方某LNG接收站綜合能耗指標(biāo)定額

南方某LNG 接收站在4 月—11 月僅開啟ORV氣化，其總能耗全部為耗電。在冬季12月—次年3月的日氣化量低于900×104m3時(shí)，僅開啟OCV 氣化；在日氣化量超出900×104m3時(shí)，聯(lián)合開啟OCV、SCV 氣化。因此在低于900×104m3/d 的氣化量時(shí)，總能耗全部為耗電；在高于900×104m3/d的氣化量時(shí)，總能耗包括耗電和耗氣。

根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況，由于在12月上半月和3月下半月海水溫度與夏季差異小，ORV的氣化能力仍取600×104m3/臺(tái)；考慮到簡化計(jì)算，將3月下半月和12 月上半月合為12 月全月計(jì)算，12 月全月的ORV 氣化能力取600×104m3/臺(tái)。聯(lián)合開啟SCV 氣化時(shí)，ORV和海水泵開啟臺(tái)次仍為3臺(tái)，此時(shí)不能按生產(chǎn)線倍乘法計(jì)算耗電量指標(biāo)，而應(yīng)根據(jù)表9的設(shè)備開啟臺(tái)次和額定消耗確定耗電量指標(biāo)。按照耗電量指標(biāo)、耗氣量指標(biāo)方法以及12月—次年3月的典型工況耗電量計(jì)算，綜合能耗指標(biāo)見表9 和表10。

表9 南方某LNG接收站4月—12月綜合能耗指標(biāo)

表10 南方某LNG接收站12月—次年3月綜合能耗指標(biāo)

6 指標(biāo)驗(yàn)證

根據(jù)上述的接收站綜合能耗指標(biāo)，將北方某LNG接收站和南方某LNG接收站某時(shí)間段內(nèi)的能耗預(yù)測值與能耗實(shí)際值作比較，驗(yàn)證能耗指標(biāo)的適用性和匹配度。統(tǒng)計(jì)北方某LNG接收站和南方某LNG接收站分別在2018年6月—2019年5月的生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)，將每月的氣化量平均得到日氣化量QN。由運(yùn)行時(shí)長（每月的天數(shù)）和指標(biāo)值，分別得到各月的耗電量和耗氣量，并折算為綜合能耗（標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量值），最終得到綜合能耗預(yù)測值，并與綜合能耗實(shí)際值比較。

由表11 可知，北方某LNG 接收站在2018 年6月—2019 年5 月期間的能耗預(yù)測值為21 410.498 t。該站在此期間實(shí)際能耗為21 250 t。分析可知，綜合能耗預(yù)測值與實(shí)際值僅相差0.7%，預(yù)測準(zhǔn)確且滿足誤差要求。

表11 北方、南方某LNG接收站2018年6月—2019年5月綜合能耗預(yù)測表

由上表11 可知，南方某LNG 接收站2018 年6月—2019年5月的能耗預(yù)測值為32 534.027 t。該站在此期間實(shí)際能耗為32 916.6 t。分析可知，綜合能耗預(yù)測值與實(shí)際值相差1.16%，預(yù)測準(zhǔn)確且滿足誤差要求。

7 結(jié)論

根據(jù)LNG接收站業(yè)務(wù)特點(diǎn)和耗能類型，按照不同的氣化方法，分地域、分季節(jié)制定LNG接收站的耗電量、耗氣量以及綜合能耗量，具有科學(xué)性和合理性。根據(jù)制定的綜合能耗定額推算與實(shí)際能耗值的對(duì)比結(jié)果，綜合能耗預(yù)測值與實(shí)際值相差很小，預(yù)測準(zhǔn)確且滿足誤差要求，目前已經(jīng)應(yīng)用在中石油下屬多家LNG接收站的節(jié)能量指標(biāo)下達(dá)和考核工作中。LNG接收站能耗指標(biāo)的制定和下達(dá)，填補(bǔ)了國內(nèi)LNG接收站節(jié)能指標(biāo)的空白，支持了能源管理部門的節(jié)能考核，使考核更有針對(duì)性，精細(xì)化管理水平大幅提高，也使LNG 接收站執(zhí)行起來更加準(zhǔn)確，促進(jìn)各種節(jié)能技措的實(shí)施[7-11]，將產(chǎn)生更大的節(jié)能效果。北方新建LNG 接收站能耗建議參照北方某LNG接收站數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，南方新建LNG接收站能耗建議參照南方某LNG接收站數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。