劉代亞 趙凱鳳 張亞楠

摘 ?????要： 為探究LNG工廠停工期間能耗問題和關(guān)鍵影響因素，優(yōu)選相應(yīng)節(jié)能舉措，降本增效。收集了湖北500萬m³/d LNG工廠國產(chǎn)化示范工程2018年6月、7月停工期間能耗數(shù)據(jù)，運(yùn)用層次分析法進(jìn)行系統(tǒng)性量化表征。針對耗電、燃料氣、液氮關(guān)鍵能耗進(jìn)行節(jié)能措施制定，并進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)施。然后通過實(shí)施后的8月能耗數(shù)據(jù)及現(xiàn)場設(shè)備設(shè)施運(yùn)行情況進(jìn)行效果驗(yàn)證。充分論證節(jié)能舉措可行性，提出下步改進(jìn)意見。研究表明：工廠點(diǎn)多面長，即使停工期間也要注意節(jié)能舉措實(shí)施時(shí)實(shí)效性、安全性與工藝影響三者之間的影響。充分運(yùn)用當(dāng)前的信息，利用層次分析法，進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，從而對問題進(jìn)行分析。將模糊定性節(jié)能措施最有效的化為科學(xué)權(quán)重，為現(xiàn)場實(shí)踐做指導(dǎo)。降本增效不能只以節(jié)約物料成本為目的，還需要在保障安全的前提下避免對后續(xù)工藝設(shè)備產(chǎn)生影響。

關(guān) ?鍵 ?詞：LNG工廠;停產(chǎn);節(jié)能;層次分析法

中圖分類號：TE 624???????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A ??????文章編號： 1671-0460（2020）01-0152-06

Energy Consumption Analysis and Energy Saving

Measures During the Shutdown of LNG Plant

LIU Dai-ya¹， ZHAO?Kai-feng²， ZHANG?Ya-nan¹

（1. Shandong Chemical Engineering and Vocational College， Shandong?Weifang?262737， China;

2. Hainan Tropical Ocean University， Hainan?Sanya?572000， China）

Abstract： In order to explore the energy consumption of the LNG plant during the shutdown， the key influencing factors were sorted out， and the corresponding energy-saving measures were optimized to guide the plant to reduce costs and increase efficiency. The energy consumption data of 5 million m³/d LNG plant of localization demonstration project during the period of shutdown in June and July 2018 in Hubei province were collected， and systematic quantitative characterization was carried out by AHP method. Energy-saving measures were formulated?for key energy consumption of electricity， fuel gas and liquid nitrogen， and on-site implementation was carried?out. Then， the effect was verified through the energy consumption data and the field equipment and facilities operation in August after implementation. The feasibility of energy-saving measures was?fully demonstrated， and suggestions for further improvement?were?put forward. It was pointed out that?attention should also be paid to the relationship between actual effect， safety and process influence when the energy saving measure?is?implemented. The energy saving measures should be?quantified as scientific weight effectively to guide field practice. Cost reduction and efficiency increase should not?only be solely aimed at saving material costs， but?also?should avoid any impact on subsequent process equipment on the premise of ensuring safety.

Key words： LNG plant; Shutdown; Energy saving;AHP

LNG工廠是化學(xué)工程和低溫工程結(jié)合體。所以具有過程管控嚴(yán)格、生產(chǎn)流程復(fù)雜等傳統(tǒng)化工企業(yè)特點(diǎn)，又有對溫度控制精確、設(shè)備設(shè)施要求高等等低溫工程領(lǐng)域的要求。而獲取低溫LNG，需要換熱器與透平機(jī)械兩者合理配合使用，各方面能耗巨大，必須根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，節(jié)約經(jīng)濟(jì)成本^[1-3]。

節(jié)能降耗工作一直是節(jié)約企業(yè)成本，提高生產(chǎn)效率的重要保障之一。在國外，現(xiàn)代制造業(yè)開始運(yùn)用無人化流水線和大數(shù)據(jù)進(jìn)行工廠的耗水、耗電及其人力資源優(yōu)化，在工業(yè)4.0的氛圍下向著工業(yè)人工智能化的方向發(fā)展^[4-6]。例如特斯拉公司的無人化“黑燈工廠”就采用了先進(jìn)機(jī)器人流水線進(jìn)行生產(chǎn)，生產(chǎn)車間甚至無須安裝照明系統(tǒng)，充分節(jié)約了工廠能耗。在國內(nèi)，節(jié)能降耗成果主要體現(xiàn)在倉庫管理方面，通常要求月初做好物料預(yù)算，月底進(jìn)行盤庫結(jié)算，做到零庫存。充分規(guī)避資金積壓問題^[7]。

本文在文獻(xiàn)9工作量幫助下，豐富問題分析寬度。著重探討LNG工廠停產(chǎn)期間能耗問題，提出相應(yīng)節(jié)能舉措，并將實(shí)際運(yùn)用中的效果記錄下來。

1 ?工程簡介

湖北500萬方/天LNG工廠國產(chǎn)化示范工程，LNG為120×10⁴ t/a的產(chǎn)量，50%～100%的生產(chǎn)操作彈性，全部國產(chǎn)化的工藝和設(shè)備，主要組成有公用工程、脫汞、BOG、脫水、脫碳、液化等，圖1為其生產(chǎn)流程。其中，總體上該工藝采用傳統(tǒng)階式的制冷工藝，其液化裝置的液化工藝采用了多級單組分的制冷，最后一級改進(jìn)為分別由甲烷、乙烯、丙烯混合冷劑的三臺(tái)壓縮機(jī)壓縮制冷。由大到小其負(fù)荷排序?yàn)楸C(jī)、乙烯機(jī)以及甲烷機(jī)。換熱器部分中，通過一個(gè)板翅式換熱器、7個(gè)蒸發(fā)器，原料氣逐級降溫、冷卻、液化。同時(shí)液化裝置設(shè)有脫除重?zé)N、重?zé)N洗滌塔，為防止凍堵最后一級冷箱。本工程主要能耗為電能，工廠處理量分別為500×10⁴、400×10⁴、250×10⁴?m³/d時(shí)，全廠的綜合電耗分別為0.29、0.35、0.53 kW·h/m³。隨著日處理量的增大，單位能耗逐漸減小，該廠生產(chǎn)期間，高負(fù)荷運(yùn)行下能耗較優(yōu)，最為節(jié)能是在滿載生產(chǎn)情況時(shí)^[8-10]。但該LNG工廠制冷循環(huán)長，動(dòng)、靜設(shè)備眾多，停工情況下若不進(jìn)行節(jié)能減排優(yōu)化，能耗也較大。所以急需不同工況下的能耗分析，指引工廠合理操控，節(jié)約成本。

2??能耗分析

所研LNG工廠于2018年4月29日停產(chǎn)，同年5月18日停止銷售。為防止商業(yè)秘密泄露，以下略去罐存、銷量等關(guān)鍵數(shù)據(jù)。并將現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)處理。選取2018年5月、6月能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。由圖2所示，LNG銷售車數(shù)與BOG閃蒸消耗成同步變化趨勢。

經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際情況可知，LNG儲(chǔ)罐每臺(tái)潛液泵可供給5具裝車撬進(jìn)行同時(shí)充裝，而潛液泵與裝車撬運(yùn)行臺(tái)數(shù)增加都會(huì)導(dǎo)致復(fù)熱誘發(fā)BOG閃蒸消耗。所以在5月16日降低裝車臺(tái)數(shù)后BOG閃蒸消耗明顯降低為8.54 t。5月18日徹底停止裝車后平均罐位降至3.88 m，儲(chǔ)罐頂部已經(jīng)開始復(fù)熱，但儲(chǔ)罐液位低，且無潛液泵機(jī)械擾動(dòng)，故罐底溫度恒定。該階段BOG損耗與環(huán)境溫度變化成同步變化趨勢。

由圖3所示，停工期間水、電、氣耗量與環(huán)境溫度等外界因素?zé)o明顯相關(guān)性。耗水量變化趨勢顯獨(dú)立變化趨勢，其中主要影響因素為排污調(diào)整水質(zhì)^[11]。

例如5月由于循環(huán)水冷態(tài)運(yùn)行片堿未到貨，5月23日開始停止循環(huán)水外排，26日片堿到貨，投加后pH正常，28、29日開始水質(zhì)調(diào)節(jié)，大規(guī)模排污。但也不排除環(huán)境溫度高和大風(fēng)導(dǎo)致的循環(huán)水塔蒸發(fā)損耗，其中5月平均耗水413.58?m³/d，6月為528?m³/d，經(jīng)核查就為蒸發(fā)量大，循環(huán)水上塔所至。燃料氣消耗與耗電量成同步變化趨勢，查詢操作記錄可知。停工期間長期運(yùn)行設(shè)備僅有1?000?kW循環(huán)水泵1臺(tái);305 kW空氣壓縮機(jī)1臺(tái)。雨水泵及其BOG壓縮機(jī)根據(jù)現(xiàn)場情況擇機(jī)運(yùn)行。而停工期間分子封、長明燈、中控溴化鋰以及后勤食堂需要燃料氣供應(yīng)。停工期間采取間歇式啟BOG壓縮機(jī)給天然氣系統(tǒng)增壓儲(chǔ)氣方式供給。6月氣溫相比5月較高，溴化鋰負(fù)荷變大，所以BOG壓縮機(jī)啟動(dòng)頻率升高，以至于電、氣消耗成正相關(guān)變化。據(jù)核算，5月平均耗電33 997 kW·h/d，6月34 761 kW·h/d可見耗電量明顯增大。此外由于PSA制氮系統(tǒng)停運(yùn)，全廠氮?dú)馊赏赓徱旱┙o。故5月（82.88 t）、6月（81.88 t）液氮耗量較大。

3??節(jié)能舉措

依據(jù)上節(jié)所述，LNG工廠停工期間主要能耗有LNG儲(chǔ)罐BOG閃蒸和水、電、氣、液氮損耗兩大類。其中BOG閃蒸與LNG銷售車數(shù)相關(guān)，當(dāng)前已經(jīng)做的裝車撬運(yùn)行最優(yōu)化^[12]。而水、電、氣、液氮損耗可以通過工藝調(diào)整和合理操作進(jìn)行節(jié)能。而燃料氣是通過BOG壓縮機(jī)抽吸LNG儲(chǔ)罐閃蒸氣儲(chǔ)存至天然氣系統(tǒng)而供給的，所以燃料氣損耗與耗電量成正相關(guān)變化^[13-15]。

基于停工期間LNG工廠設(shè)備運(yùn)行現(xiàn)狀，豐富問題分析寬度。在充分考慮運(yùn)用效果、安全風(fēng)險(xiǎn)和工藝影響的同時(shí)，制定節(jié)能舉措見表1。

數(shù)學(xué)建模分析采用層次分析法。所謂層次分析法即AHP法，即通過決策將抽象復(fù)雜的問題分解成各個(gè)組成的因素，再將因素、問題邏輯設(shè)定為層次結(jié)構(gòu)具有分組型的方案層、準(zhǔn)則層、目標(biāo)層。然后通過矩陣構(gòu)造，各因素間兩兩比較其相互影響的關(guān)系，近而量化問題的組成因素，計(jì)算出在系統(tǒng)中，各自的權(quán)重^[16，17]。

依據(jù)層次分析法的特點(diǎn)，能夠首先確立目標(biāo)層為節(jié)能舉措。在結(jié)合LNG工廠的實(shí)際情況。優(yōu)選節(jié)能降耗的主攻方向?yàn)楣?jié)約燃料氣與液氮，并設(shè)準(zhǔn)則層，方案評價(jià)導(dǎo)向的依據(jù)為工藝影響、安全風(fēng)險(xiǎn)、預(yù)計(jì)效果這三種評價(jià)因素。最終評價(jià)1-9方案的可行性?，F(xiàn)場實(shí)施的指引依據(jù)權(quán)重量化^{[18，19]}。

計(jì)算步驟具體如下：

（1）優(yōu)選節(jié)能舉措問題的確定，層次結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建（圖4）。

（2）打分，通過兩兩對比，判定下層較上層分?jǐn)?shù)。

準(zhǔn)則層中，在統(tǒng)一決策者衡量標(biāo)準(zhǔn)下，各因素所占的比重不一致，故設(shè)1-9數(shù)字及其倒數(shù)作為定義與判斷矩陣的標(biāo)度^[20]。

（3）計(jì)算層次合成、檢驗(yàn)一致性。

①一致性指標(biāo)CI的計(jì)算

其中：—判斷矩陣最大特征值。

②一致性比例CR的計(jì)算

當(dāng)CR<0.10，通過了一次性檢驗(yàn)，否則做適當(dāng)修正。

（4）權(quán)重向量W的計(jì)算。

在層次分析法中，計(jì)算權(quán)重有三種方法：特征向量法、幾何平均法、算術(shù)平均法。在此運(yùn)用幾何平均法即方根法求權(quán)重。

式中：i?=1，2，3，…，n。

夏季高溫誘發(fā)的問題，以此來確定各權(quán)重向量W_i、判斷矩陣。如表2-10所示。

以上各表都通過一次性檢驗(yàn)。把不同方案中的準(zhǔn)則要素—權(quán)重矩陣W_i（表2）與相應(yīng)的準(zhǔn)則要素—相對權(quán)重矩陣Wi（表3-10）分別相乘，從而得到方案層的要素權(quán)重，其排序如表11所示。

綜上所述運(yùn)用層次分析法得出的LNG工廠節(jié)能舉措優(yōu)選排序?yàn)椋悍桨?>方案9>方案8>方案5>方案3>方案1>方案4>方案7>方案6。

依據(jù)權(quán)重的相似性，將所參與的全部分析方案層，分為四個(gè)梯隊(duì)。其中第四梯隊(duì)的整體權(quán)重都小于其他梯隊(duì)的，由此可見其節(jié)能效果是有限的。方案2權(quán)重最大，證明效果最優(yōu)。但考慮壓力控制不穩(wěn)和自控閥密封不嚴(yán)會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)失壓互竄，存在一定風(fēng)險(xiǎn)性。所以應(yīng)在白天執(zhí)行該操作。方案9、方案5應(yīng)考慮現(xiàn)場環(huán)境與工藝系統(tǒng)壓力，避免工藝影響誘發(fā)的安全問題。方案4與方案8節(jié)能潛力最大，最應(yīng)進(jìn)行嘗試。但方案8進(jìn)行操作時(shí)需注意環(huán)境溫度高和空壓機(jī)負(fù)載大會(huì)誘發(fā)的跳車問題。查閱工藝設(shè)計(jì)，理論可行。方案3應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場安全閥整定壓力進(jìn)行合適調(diào)整。方案1、方案7、方案6不存在安全風(fēng)險(xiǎn)，可以即刻執(zhí)行。

4??驗(yàn)證與改進(jìn)

依據(jù)上節(jié)所述節(jié)能舉措，在充分考量預(yù)計(jì)效果、安全風(fēng)險(xiǎn)與工藝影響三種評價(jià)因素后進(jìn)行層次分析。初步驗(yàn)證上述節(jié)能方案可行，在此通過現(xiàn)場實(shí)施進(jìn)行效果驗(yàn)證。以下收集節(jié)能舉措實(shí)施后的7月液氮、燃料氣、電耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合工藝運(yùn)行情況進(jìn)行下步改進(jìn)^[21-23]。

由圖5所示，7月5日進(jìn)行節(jié)能舉措實(shí)施后，各項(xiàng)能耗明顯小于5月、6月。其中7月液氮耗79.41?t相比5月、6月節(jié)約2?t左右。耗電量平均

42?803.35?kW·h/d，相對5月（33?997?kW·h/d）、6月（34?761?kW·h/d）大約節(jié)約8?000?kW·h/d左右。燃料氣平均消耗7?655?m³/d，相對5月（8?036?Nm³/d）、6月（7?989?Nm³/d）大約節(jié)約300?Nm³/d左右。節(jié)能效果顯著，綜合證明數(shù)學(xué)建模得出節(jié)能舉措可行。

但是9月5日開工復(fù)產(chǎn)前。突然出現(xiàn)在運(yùn)空氣壓縮機(jī)后端無熱式干燥機(jī)閥組異常，機(jī)體聯(lián)鎖事件?，F(xiàn)場查看后端閥組及防空消聲器被粉化碎屑堵塞，現(xiàn)場取樣化驗(yàn)得出粉化碎屑為無熱式干燥機(jī)三氧化二鋁干燥球。隨即拆解無熱式干燥機(jī)及其0.1?μm后端過濾器。發(fā)現(xiàn)6月3日檢修更換的原白色5～6?mm三氧化二鋁干燥球明顯帶水，且表面成黃褐色，粒徑為3～4?mm。后端過濾器完全被粉化物堵塞（圖6）。

查閱運(yùn)行記錄，7月5日開始用一臺(tái)空壓機(jī)供給工廠風(fēng)與PSA制氮撬。由于PSA制氮流量調(diào)控需要摸索，先后出現(xiàn)2次PSA制氮撬氧含量超標(biāo)聯(lián)鎖停機(jī)，緊急開液氮閥門進(jìn)行氮?dú)庋a(bǔ)充。此后切換空壓機(jī)重新嘗試，由于當(dāng)月氣溫還是過高，后續(xù)又出現(xiàn)過空壓機(jī)負(fù)荷高機(jī)頭高溫聯(lián)鎖。當(dāng)天對備用空壓機(jī)進(jìn)行機(jī)頭換熱翅片清灰（該機(jī)為換熱翅片油冷），后續(xù)勉強(qiáng)運(yùn)行。但工廠風(fēng)水露點(diǎn)一直上升（數(shù)據(jù)：7月21日-33.7 ℃;7月28日7.2 ℃;7月29日10 ℃;8月2日8.8 ℃;8月4日7.4 ℃;8月5日6.2 ℃;8月6日-4.3 ℃;8月7日1.4 ℃;8月8日5.5 ℃）。8月10日調(diào)節(jié)無熱式干燥機(jī)再生氣量。仍勉強(qiáng)運(yùn)行至9月3日，隨后發(fā)生三氧化二鋁干燥球粉化導(dǎo)致聯(lián)鎖停機(jī)事件。分析原因可知：雖然停工期間氮?dú)?、工廠風(fēng)用量有限（當(dāng)前工廠風(fēng)：410～240 m³/h波動(dòng);PSA出口：354.9 m³/h）;但是PSA制氮撬最低工作入口流量必須≥2 150 Nm³/h。單臺(tái)空壓機(jī)設(shè)計(jì)負(fù)荷不能同時(shí)供給工廠風(fēng)和PSA制氮撬。單純考量短期經(jīng)濟(jì)利益，未能有效預(yù)測當(dāng)前工況對未來工藝設(shè)備影響是得不償失的。方案8，使用一臺(tái)空壓機(jī)供給工廠風(fēng)與PSA制氮下步不能執(zhí)行。

5??結(jié)論

LNG工廠停產(chǎn)期間主要?jiǎng)釉O(shè)備停運(yùn)，電耗較小。相應(yīng)循環(huán)水系統(tǒng)也轉(zhuǎn)為冷態(tài)運(yùn)行，且藥劑投加量與投加種類也進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整。所以理論上水質(zhì)穩(wěn)定，耗水量已達(dá)最小，污水外排也可達(dá)零排污狀態(tài)。該階段主要能耗為液氮與BOG閃蒸，相應(yīng)技術(shù)人員應(yīng)注意優(yōu)化裝車頻次，減小LNG儲(chǔ)罐擾動(dòng)。而節(jié)約液氮不能以損害本廠工藝設(shè)備為代價(jià)，需要充分考量安全因素與工藝設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，嚴(yán)禁過度追求經(jīng)濟(jì)效益。本文研究性結(jié)論及創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）LNG銷售車數(shù)與BOG閃蒸消耗成同步變化趨勢，停工期間運(yùn)用1臺(tái)變頻LNG潛液泵進(jìn)行5臺(tái)裝車撬同時(shí)充裝，晚間將潛液泵頻率調(diào)至最低，為裝車撬及其管線保冷。儲(chǔ)罐液位降至4m時(shí)停止裝車。

（2）利用層次分析法數(shù)學(xué)建模，可以充分利用往年的操作經(jīng)驗(yàn)和當(dāng)前的能耗數(shù)據(jù)協(xié)助性地進(jìn)行科學(xué)的分析。能夠有效地將模糊定性的節(jié)能經(jīng)驗(yàn)量化為預(yù)計(jì)效果、安全風(fēng)險(xiǎn)與工藝影響三項(xiàng)評定性科學(xué)權(quán)重，指導(dǎo)下步生產(chǎn)。

（3）使用一臺(tái)空壓機(jī)供給工廠風(fēng)與PSA制氮撬雖然工藝設(shè)計(jì)可行，但應(yīng)充分考慮設(shè)備老化與后端工廠風(fēng)漏失等額外負(fù)荷影響。不能只求節(jié)能經(jīng)濟(jì)效益，還應(yīng)充分考慮工藝波動(dòng)而導(dǎo)致的設(shè)備設(shè)施損壞與后續(xù)開工復(fù)產(chǎn)誤工等綜合問題。

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