基于E-P分析法对LNG接收站能耗的研究.pdf

石油石化节能 https:/董龙伟等：基于 E-P分析法对 LNG接收站能耗的研究 第 13卷第 8期（2023-08）液化天然气 LNG（Liquefied Natural Gas）作为一种清洁能源被广泛应用于电力、冶炼、交通运输等行业。2021年国内 LNG 进口量 1 089108m3，同比增长 18.3%1。伴随着我国经济的高速发展，天然气的消耗量快速增长2。LNG 接收站作为天然气的存储、加工及转输站被广泛的应用和建设，截至2021 年国内已建设投产 23 座 LNG 接收站。LNG 接收站既是清洁能源的提供者，同时也是电能、天然气能源的消耗者3。如何在“双碳”目标下建设运行低碳型 LNG 接收站，成为当前 LNG 接收站运营者所面临的问题。目前，国内外学者对 LNG接收站节能方法进行了 大 量 的 研 究4。REDDY 建 立 了 BOG（Boil-OffGas）压缩机流量与功率的计算模型，用于模拟计算压缩机的功率，提高其运行效率5。HARSHA 利用非线性规划公式（NLP）计算优化 BOG 的处理能耗6。叶振成建立了 MINLP 模型用于确定低压泵和BOG 压缩机的运行模式，减少外输能耗7。王诗航基于 E-P分析法对 LNG接收站能耗的研究董龙伟王厚锐（国家管网集团液化天然气接收站管理公司）摘要：针对 LNG接收站能耗分析受气液比等因素影响的问题，应用 E-P分析法对 LNG接收站能耗情况进行了分析，提出了基本能耗、可变能耗等控制指标的概念。首次应用 E-P分析法对 LNG接收站月度能耗进行预测，预测结果与实际测试结果偏差率仅为 2.62%；真实地预测了 LNG接收站月度用电量；通过 E-P法分析外输量，为 LNG接收站产品单耗指标的完成提供了生产工艺优化、商务沟通等方式。E-P分析法在 LNG接收站能耗的分析及能耗预测应用，为国内 LNG接收站能耗分析及预测提供了一种新方法，同时可为国内外其他 LNG接收站能耗分析及预测提供参考依据。关键词：LNG接收站；E-P分析法；基本能耗；可变能耗；产品单耗指标DOI:10.3969/j.issn.2095-1493.2023.08.003Research on energy consumption of LNG terminal based on E-P analysis methodDONG Longwei，WANG HouruiManagement Company of Liquefied Natural Gas Terminal，PipeChinaAbstract：In view of the problem that the energy consumption analysis of LNG terminal is affected bygas-liquid ratio and other factors，the E-P analysis method is applied to analyze the energy consump-tion of LNG terminal，and the concepts of basic energy consumption，variable energy consumptionand other control indicators are put forwardThe E-P analysis method is used for the first time to pre-dict the monthly energy consumption of LNG terminal，and the deviation rate between the predictedresults and the actual test results is 2.62%The monthly electricity consumption of LNG terminal is re-alistically predicted Through the E-P analysis of the external transmission，the production processoptimization and business communication are provided for the completion of the unit consumption in-dex of LNG terminal productsThe application of E-P analysis method in the analysis and predictionof energy consumption of LNG terminals can not only provide a new method for the analysis and pre-diction of energy consumption of domestic LNG terminals，but also provide a reference basis for theanalysis and prediction of energy consumption of other domestic LNG terminals.Keywords：LNG terminal；E-P analysis method；basic energy consumption；variable energy con-sumption；consumption index of products第一作者简介：董龙伟，工程师，2016年毕业于西南石油大学（油气储运工程专业），从事 LNG生产调度、能源计量管理与安全控制方向的研究工作，18002023897，天津市滨海新区于家堡融和路 681号 8楼，300450。引文：董龙伟，王厚锐基于 E-P分析法对 LNG接收站能耗的研究J石油石化节能，2023，13（8）：10-14.DONG Longwei，WANG HouruiResearch on energy consumption of LNG terminal based on E-P analysis methodJEner-gy Conservation in Petroleum&PetroChemical Industry，2023，13（8）：10-14.10试验研究/Testing Research石油石化节能 https:/利用 HYSYS 软件模拟 LNG 接收站工艺流程参数优化，降低 LNG 接收站总能耗8。杨勇等人对公用工程空压机、仪表气和氮气系统进行了节能优化改造，在保障气源稳定供应的同时减少空压机运行时间，降低辅助生产的用电量9。当前国内 LNG 接收站能耗的研究多集中于 BOG 的处理能耗的研究10，为此，文中重点应用 E-P法研究 LNG接收站主要耗能工序，建立 LNG 接收站外输量与能耗的关系式，预测 LNG接收站月度能耗量。研究成果可为国内其他 LNG接收站进行能耗预测提供参考。1E-P分析法E-P 分析法是由陆忠武教授为解决钢铁企业综合能耗分析与统计提出的一种分析法。通过对 E-P能耗分析法的单位进行适当的调整，以便于更好地用于 LNG 接收站能耗的分析。在 E-P 能耗分析法中，影响能耗的因素分为两类：产品比系数、工序能耗11。1.1产品比系数LNG接收站产品比系数，是指统计期内 LNG接收站各工序加工天然气的量与同期内该 LNG接收站加 工 天 然 气 总 量 的 比 值。产 品 比 系 数 计 算 公 式为：pi=ViV（1）式中：pi为产品比系数；V为 LNG 接收站加工天然气的总量，104m3；Vi为 LNG 接收站第i道工序加工天然气的量，104m3。LNG接收站产品比系数是评价 LNG接收站气化外输情况主要指标，能够反映 LNG接收站加工天然气的主要方式，其数值的大小将直接影响天然的产品单耗。1.2工序能耗LNG 接收站工序能耗，是指在统计周期内某一天然气加工工序生产单位万方天然气所消耗的电能。工序能耗计算公式为：ei=WiVi（2）式中：ei为工序能耗，kWh/104m3；Wi为天然气加工某一工序所消耗的电量，kWh。LNG接收站工序能耗是评价 LNG接收站气化外输能耗的主要指标，能够反映 LNG接收站某一工序加工天然气为主要耗能过程，也是影响气化外输能耗的重要因素之一。1.3工艺能耗LNG 接收站工艺能耗，是指是在统计周期内LNG接收站加工所消耗的总电量与同期内该 LNG接收站天然气总的外输量的比值。工艺能耗计算公式为：E=WV（3）式中：E为 LNG 接收站工艺能耗，kWh/104m3；W在统计周期内 LNG 接收站加工所消耗的总电量，kWh。由公式计算 LNG接收站工艺能耗无法真实体现LNG加工成天然气过程中各个环节的多种因素对其影响。为此将 LNG 接收站工艺能耗的定义式展开，用于详细分析天然气加工过程的影响因素。假设接收站将 LNG加工成天然气有n道生产工序，其中第i道生产工序的产品比系数为pi，工序能耗为ei，LNG接收站工艺能耗E为：E=i=1npiei（4）由于 LNG加工成天然气过程中，除了直接加工消耗的电量，还应包括生产辅助设备正常运行所消耗的电量。生产辅助设备正常运行所消耗的电量不随每日加工量的变化而变化，其每日消耗的电量较为固定。为了便于用 E-P分析法对 LNG接收站加工能耗进行预测，将 E-P分析法进行部分修正。修正后的工艺能耗E为：E=i=1npiei+Wf（5）E=pe+Wf（6）式中：p为 LNG接收站经归一化后的天然气的外输量，104m3；e为经归一化后单位天然气外输量所消 耗 的 电 量，104kWh/104m3；Wf为 基 本 能 耗，104kWh。2LNG接收站工艺流程以广西某 LNG接收站为例，对其工艺流程进行介绍。目前，该 LNG 接收站拥有 4 座 16104m3的LNG 储罐、16 台低压泵、7 台高压输送泵、7 台开架式海水气化器 ORV（Open Rack Vaporizer）、5 台海 水 泵、20 台 装 车 橇。LNG 接 收 站 工 艺 流 程 见图 1。LNG船到达卸船码头通过卸料臂将 LNG输送到岸 侧，岸 侧 将 LNG 通 过 卸 料 总 管 卸 货 进 LNG 储罐。LNG 进入储罐后置换出的蒸发气 BOG（Boil-11石油石化节能 https:/董龙伟等：基于 E-P分析法对 LNG接收站能耗的研究 第 13卷第 8期（2023-08）Off Gas），通过气相返回臂返回到 LNG 运输船的储舱中，以保持系统的压力平衡12。在运行过程中，LNG 蒸发产生的 BOG 通过 BOG 压缩机压缩后送入再冷凝器或者直接外输至下游用户13。储罐内的LNG一部分经低压泵加压后输送至低压总管，由低压总管分输至槽车区，由装车橇装车后进行外运；另一部分 LNG输送至高压外输泵入口，与冷凝后的LNG汇合，经高压输送泵增压后输送至 ORV，利用海水泵抽取的海水将 LNG 气化至 0 以上，气化后的 NG（Natural Gas）经计量单元计量后外输至下游用户14。3LNG接收站工艺能耗 E-P分析采用 E-P 分析法对广西某 LNG 接收站 1、2 月份的能耗进行分析。该 LNG接收站进行外输所涉及到的重点用能设备包括高压泵、低压泵、海水泵、BOG 压缩机。以 1、2 月份该接收站重点用能设备的用电量为例，对该 LNG 接收站工艺能耗进行 E-P分析。重点用能设备用电量见表 1。根据 LNG接收站的工艺情况不同，一般将 LNG接收站外输情况分为三类，即 NG 高压外输、槽车外运、BOG外输。LNG接收站的外输量见表 2。表 2LNG接收站的外输量Tab.2 Export volume of LNG receiving terminal108m3月份1月2月NG2.184 01.176 2槽车0.952 00.873 6BOG0.111 00.105 23.1工艺能耗 E-P分析如图 1 所示，在 LNG 接收站中 NG 高压外输需要分别运行低压泵、高压泵、海水泵等重点用能设备。NG 高压外输所消耗的电量为低压泵、高压泵、海水泵所消耗电量之和。槽车外输仅需运行低压泵。槽车外输消耗的电量为低压泵的电量（低压总管将 LNG分别输送给装车橇、高压泵，在计算槽车所用电量时可以将低压泵的总电量按照 NG 高压外输量、槽车外输量的比例进行拆分）。BOG 外输需 要 运 行 BOG 压 缩 机。BOG 外 输 消 耗 的 电 量 为BOG压缩机消耗电量之和。LNG接收站的工艺能耗见 表 3，将 表 1、表 2 中 的 数 据 代 入 公 式（1）（3）计算 NG 高压外输工序能耗及产品比系数、槽表 1重点用能设备用电量Tab.1 Power consumption of key energy-consuming equipment104kWh月份1月2月总电量416.72276.31高压泵182.4897.51海水泵83.2545.04BOG压缩机69.6062.93低压泵46.3231.27生产辅助35.0739.56表 3LNG接收站的工艺能耗Tab.3 Process energy consumption of LNG receiving terminal月份1月2月工艺能耗/kWh(104m3)-1117.50109.90NGe1/kWh(104m3)-1136.44136.45p10.670.55槽车e2/kWh(104m3)-114.7715.26p20.290.41BOGe3/kWh(104m3)-1627.19597.99p30.030.05图 1LNG接收站工艺流程Fig.1 Process flow of LNG receiving terminal12试验研究/Testing Research石油石化节能 https:/车外输工序能耗及产品比系数、BOG外输工序能耗及产品比系数以及 LNG接收站工艺能耗。分析表 3 可知，该 LNG 接收站工艺能耗 2 月份低于 1 月份。在工序能耗分析环节可知：NG 高压外输工序能耗 1 月份及 2 月份基本持平；槽车外输工序能耗 1 月份低于 2 月份；BOG 外输工序能耗 2月份低于 1月份；BOG 外输为该接收站主要耗能工序。由上述结果分析并结合 LNG接收站工艺班组日常操作可知：2 月份槽车外输低压泵的运行与装车橇的匹配程度较差，存在部分低压泵出口回流较大的现象，低压泵的运行效率较低；BOG受下游用户管道压力的影响，1 月份管线压力高，BOG 压缩机负荷由 100%下调至 75%，导致 BOG 压缩机运行效率较低。3.2LNG接收站 E-P能耗分析预测通过 E-P分析法建立 LNG接收站经归一化的外输量与能耗关系式，接收站现场的能耗可以分别表示为基本能耗和可变能耗两种。拟合后的关系式能够用于预测接收站的外输能耗。测算方法如下：将每日高压泵、海水泵、低压泵各自的总的用电量进行统计；槽车单位外输量电耗=（NG 外输总量+槽车外输总量）/低压泵的总用电量；NG 单位外输量电耗=NG 外输的总量/(高压泵+海水泵)总的用电量+槽车单位外输量电耗；能耗比=NG 单位外输量电耗/槽车单位外输量电耗+槽车单位外输量电耗；每日总的外输量（此外将槽车的外输量进行归一化处理）=（槽车外输总量/能耗比）+NG外输的总量；将接收站每天的总的电量进行统计；将每日总的用电量及每日归一化后的总外输量进行一次函数的拟合。以广西某 LNG 接收站 1月份的外输数据及能耗数据为例，建立 E-P分析法能耗关系式。外输量与消耗电量的关系见图 2。图 2外输量与消耗电量关系Fig.2 Relation between export volume and energy consumption通过分析图 2 可知，LNG 接收站的外输量与接收站消耗的电量呈一次函数关系，通过数据拟合获得该一次函数的斜率和截距。该一次函数的斜率可以作为单位外输量消耗电量即为可变能耗，截距可以作为基本能耗。拟合的一次函数为：E=0.012 29p+4.073 81（7）通过对比式（1）中一次函数的斜率和截距可以判断该 LNG接收站在不同月份可变能耗与基本能耗的消耗情况，并由此判断该 LNG接收站能耗消耗最小的月份，有效避免了因气液比、外输量的差异导致产品单耗的波动。另外，在工艺班组操作程序不变、外输工况不变的情况下，可以用该方法预测次月的能耗。以某 LNG 接收站 2月份每日的能耗和外输量数据作为基础数据，代入式（7）可以预测 2月份的消耗电量为 283.56104kWh，与表 1 中 2 月份的总电量偏差率为 2.62%，较为真实地预测了LNG接收站月度用电量。3.3LNG接收站 E-P分析外输量LNG 接收站在 NG 高压外输仅通过 ORV 进行气化的工况下，LNG 接收站主要的能耗种类为电能，其他能耗可以忽略不计。年度单位产品单耗设定14.1 kgce/104m3(标况)的目标的前提下，建立槽车与NG高压外输的关系式为：1.229 1 000E=()a+b 14.1（8）p=a+b9.323（9）式中：a为每日 NG 外输量，104m3；b为每日槽车外输量，104m3，1.229 表示的是电能的折标煤系数，为固定值；14.1 表示目标产品单耗；9.323 表示 NG高压外输与槽车外输的能耗比。结合式（7）式（9）获得槽车与 NG高压外输的关系式：a=12.425b-4 978.030（10）广西某 LNG 接收站，1 月份 NG 高压外输量及槽车外输量的关系图见图 3。图 31月份 NG高压外输量及槽车外输量的关系Fig.3Relationship between NG high-pressure export volumeand tanker export volume in January13石油石化节能 https:/董龙伟等：基于 E-P分析法对 LNG接收站能耗的研究 第 13卷第 8期（2023-08）分析图 3 可知，该 LNG 接收站在 1 月份能够满足单位产品单耗 14.1 kgce/104m3(标况)目标的外输工况仅为 3 d。通过关系式可知，在设定 LNG 接收站单位产品单耗目标时，需同时考虑 NG 高压外输量、槽车外输量以及该 LNG接收站基本能耗与可变能耗的情况。单位产品单耗目标设定后，为完成该目标，生产上通过优化工艺参数降低基本能耗与可变能耗，商务上可以通过商务沟通增加槽车的外输量。4结论根据 LNG接收站气、液态外输形式的特点和能耗类型，提出了 LNG接收站能耗控制指标：基本能耗、可变能耗。由能耗指标建立了 LNG接收站外输系统的能耗 E-P分析法，采用该方法对广西某 LNG接收站进行了月度能耗 E-P分析与预测，预测结果与实际测试结果偏差率为 2.62%。首次应用 E-P分析法对 LNG接收站的外输量进行分析，提出了通过生产工艺优化、商务沟通等方式完成产品单耗指标。E-P分析法在 LNG 接收站能耗预测的成功应用为国内 LNG接收站能耗分析及预测提供了一种新思路，未来可为国内外其他 LNG接收站运行能耗的分析及预测提供参考依据。参考文献：1 国家能源局中国天然气发展报告（2022）M北京：石油工业出版社，2022：5-10National Energy Administration China Natural Gas Devel-opment Report（2022）M Beijing：Petroleum IndustryPress，2022：5-102 董龙伟液化天然气接收站 BOG 处理系统的研究J天然气与石油，2019，37（5）：44-49DONG LongweiResearch on boil-off gas processing systemof LNG receiving terminalsJNatural Gas and Oil，2019，37（5）：44-493 丛然，徐威，邢通中国油气行业在双碳目标下的挑战与机遇基于欧盟能源转型的启示J天然气与石油，2022，40（2）：136-141CONG Ran，XU Wei，XING Tong，et alChallenges andopportunities of domestic oil and gas industry under“dualcarbon”goalbased on inspirations from European Unionenergy transformationJ Natural Gas and Oil，2022，40（2）：136-1414 李鑫，陈帅LNG 接收站海水泵及高压泵变频节能探究J石油与天然气化工，2016，45（5）：100-106LI Xin，CHEN ShuaiEnergy conservation analysis on vari-able frequency seawater pump and high-pressure pump in atLNG receiving terminalJ Chemical Engineering of Oil&Gas，2016，45（5）：100-1065 REDDY H V，BISEN V S，RAO H N，et alTowards en-ergy-efficient LNG terminals：modelling and simulation ofreciprocating compressorsJ Computers&Chemical Engi-neering，2019，128（2）：312-3216 RAO H N，WONG K H，KARIMI I AMinimizing powerconsumption related to BOG reliquefaction in an LNG re-gasification terminalJ Industrial&Engineering ChemistryResearch，2016，55（27）：7431-74457 YE Z，MO X，Zhao LMINLP model for operational opti-mization of LNG terminalsJ Processes，2021，9（4）：599-6158 王诗航华南某 LNG接收站能耗分析及节能技术研究D青岛：中国石油大学（华东），2017WANG ShihangResearch on energy consumption and ener-gy conservation technology of a LNG receiving terminal insouth chinaD Qingdao：China University of Petroleum（East China），20179 杨勇，李春辉，苗建，等海上天然气平台空气系统节能优化改造J石油石化节能，2023，13（5）：72-75YANG Yong，LI Chunhui，MIAO Jian，et alEnergy con-servation optimization and transformation of air system of off-shore natural gas platformJEnergy Conservation in Petro-leum&Petrochemical Industry，2023，13（5）：72-7510 KURLE Y M，WANG S，XU Q Simulation research onboil off gas minimization and recovery strategies at LNG re-ceiving terminalJ Applied Energy，2015（156）：628-64111 吕崇花，刘丽孺，李遇贵土壤源热泵系统能耗的 e-p分析J制冷与空调，2018，18（7）：20-23LYU Chonghua，LIU Liru，LI YuguiThe e-p analysis ofenergy consumption for soil source heat pump systemJRefrigeration and Air-Conditioning，2018，18（7）：20-2312 蔚叶LNG 接收站 BOG 产生量的静态计算方法J石油与天然气化工，2023，52（1）：69-73YU Ye Static calculation method of BOG generation atLNG receiving terminalJ Chemical Engineering of Oil&Gas，2023，52（1）：69-7313 董龙伟，梁子鹉LNG接收站能量计量的实践J石油工业技术监督，2023，39（1）：37-41DONG Longwei，LIANG Ziwu The practice of energymeasurement at LNG receiving terminalJTechnology Su-pervision in Petroleum Industry，2023，39（1）：37-4114 陈桃强，李宁，魏光华，等用户负荷特性对 LNG 接收 站 经 济 运 行 策 略 的 影 响 J 化 工 学 报，2018，69（S2）：436-441CHEN Taoqiang，LI Ning，WEI Guanghua Influence ofload characteristic on economic operation at LNG receivingterminalJCIESC Journal，2018，69（S2）：436-441收稿日期2023-02-21（编辑杨艳芹）14