大型LNG工廠能耗分析及UPS改造

祝新兵 鄧向軍 文超（中國石化江漢油田分公司江漢采油廠湖北新捷LNG項(xiàng)目部）

大型LNG工廠能耗分析及UPS改造

祝新兵 鄧向軍 文超（中國石化江漢油田分公司江漢采油廠湖北新捷LNG項(xiàng)目部）

為了研究大型LNG工廠能耗組成，系統(tǒng)分析能耗情況并提出合理節(jié)能措施，結(jié)合GB/T 50441—2016《石油化工設(shè)計(jì)能耗計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》，運(yùn)用某大型LNG工廠性能考核期間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上分析了UPS改造方案。研究表明，LNG工廠為整體性系統(tǒng)工程，LNG產(chǎn)品能耗分析對于整個系統(tǒng)生產(chǎn)工藝的可持續(xù)性評價(jià)具有重要意義。對系統(tǒng)中各物料能耗、裝置單元的合理評價(jià)是準(zhǔn)確分析工程整體能耗的關(guān)鍵，其結(jié)果能有效指揮生產(chǎn)，避免能源浪費(fèi)，促進(jìn)企業(yè)盈利。

能耗分析；UPS；負(fù)荷；LNG工廠

1 工程簡介

某大型LNG工廠天然氣處理能力為500×104m3/d，LNG年產(chǎn)量為120×104t/a，生產(chǎn)操作彈性為50%～100%，工藝、設(shè)備全部國產(chǎn)化，主要由脫碳、脫水、脫汞、液化、BOG、公用工程等部分組成，生產(chǎn)工藝流程見圖1。其中，液化裝置采用多級單組分制冷液化工藝，該工藝總體上為傳統(tǒng)階式制冷工藝，最后一級改進(jìn)為混合冷劑制冷，分別由丙烯、乙烯、甲烷3臺壓縮機(jī)提供動力。負(fù)荷由大到小依次為丙烯機(jī)、乙烯機(jī)、甲烷機(jī)。在換熱器部分，原料氣通過7個蒸發(fā)器和1個板翅式換熱器逐級降溫冷卻，直至液化。液化裝置設(shè)有重?zé)N洗滌塔，脫除重?zé)N防止最后一級冷箱凍堵[1]。

綜上所述，某大型LNG工廠制冷循環(huán)長，換熱器及其傳動設(shè)備較多，能耗分析工作艱巨，節(jié)能潛力大。

2 能耗分析

本次能耗分析數(shù)據(jù)取自工廠性能考核期間連續(xù)性數(shù)據(jù)。投料開車產(chǎn)出合格產(chǎn)品，滿負(fù)荷運(yùn)行。設(shè)備匹配調(diào)整至最佳狀態(tài)運(yùn)行4 h后，分別調(diào)整生產(chǎn)負(fù)荷至50%、80%、100%，50%工況負(fù)荷數(shù)據(jù)采用當(dāng)時的50%工況條件下數(shù)據(jù)，80%數(shù)據(jù)采用工況條件下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行24 h，100%數(shù)據(jù)采用工況條件下至少連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行48 h。綜合能耗計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行GB/T50441—2016《石油化工設(shè)計(jì)能耗計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》[2]。

2.1 綜合能耗

綜合能耗主要包括各裝置電耗、燃料氣消耗、水消耗。裝置各生產(chǎn)負(fù)荷運(yùn)行下采集統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。其中，電量折算值為10.89 MJ/kWh，新鮮水折算值為6.28 MJ/t，燃料氣為33.81 MJ/m3。計(jì)算方法如下：

圖1 LNG工廠主要生產(chǎn)工藝流程

燃料氣能耗＝24 h燃料氣分配罐累計(jì)總量×33.81

總電耗=24 h 110 kV變電站計(jì)量表總電量×10.89

循環(huán)水能耗=24 h水表累計(jì)總量×6.28

單位綜合能耗=（燃料氣能耗+總電耗+循環(huán)水能耗）÷上游分輸站原料氣來氣流量計(jì)日累積量

綜合能耗計(jì)算結(jié)果見表1。

在工廠72 h滿負(fù)荷運(yùn)行期間，全廠的綜合能耗值為5235 MJ/t LNG，優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo)5412 MJ/t LNG。

2.2 裝置電耗

由綜合能耗分析結(jié)果可知，某大型LNG工廠電耗占比較大，以下做詳細(xì)分析。此部分主要包括各裝置電耗、制冷能耗、工藝能耗、全廠能耗，裝置各生產(chǎn)負(fù)荷運(yùn)行下采用電力檢測系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[3]。

制冷系統(tǒng)裝置用能主要為丙烯壓縮機(jī)、乙烯壓縮機(jī)及甲烷壓縮機(jī)。制冷能耗計(jì)算方法：制冷能耗=（丙烯壓縮機(jī)日耗電量+乙烯壓縮機(jī)日耗電量+甲烷壓縮機(jī)日耗電量）÷進(jìn)冷箱天然氣流量計(jì)日累計(jì)量。

工藝系統(tǒng)裝置用能主要為“三脫”裝置單元（包括低壓貧液泵、貧液循環(huán)泵、再生氣壓縮機(jī)等）、液化裝置單元（包括丙烯壓縮機(jī)、乙烯壓縮機(jī)、甲烷壓縮機(jī)等壓縮機(jī)組和重?zé)N回流泵等）和BOG增壓裝置單元（包括BOG壓縮機(jī)等）。工藝能耗計(jì)算方法：工藝能耗=（“三脫”裝置單元日耗電量+液化裝置單元日耗電量+BOG增壓單元日耗電量）÷上游分輸站原料氣來氣流量計(jì)日累積量[4]。

全廠能耗裝置用能為全廠所有裝置用電量。全廠能耗計(jì)算方法：工藝能耗=110 kV變電站計(jì)量表日累積量÷上游分輸站原料氣來氣流量計(jì)日累積量。

用電量匯總見表2，電耗分析數(shù)據(jù)見表3。

在工廠72 h滿負(fù)荷運(yùn)行期間，液化裝置三機(jī)組的制冷電耗為0.24 kWh/m3，主要工藝裝置區(qū)電耗為0.26 kWh/m3，全廠的綜合電耗為0.29 kWh/m3，電耗值達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3 UPS分析與改進(jìn)

綜上所述，LNG工廠電耗是關(guān)鍵，而變頻系統(tǒng)運(yùn)行效果是決定其正常生產(chǎn)和節(jié)能降耗的關(guān)鍵。對某大型LNG工廠UPS跳閘故障進(jìn)行分析，并找出相應(yīng)解決措施[5]。

UPS是利用電池等直流系統(tǒng)（化學(xué)能）作為后備能量，在市電斷電等電網(wǎng)故障時，不間斷地為用戶設(shè)備提供（交流）電能的一種能量轉(zhuǎn)換裝置。UPS主要由整流器、逆變器、靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)和后備電池組成。輸出的交流電源是經(jīng)過逆變器重新產(chǎn)生，其電壓、波形頻率由UPS本身控制，具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、凈化和不間斷等功能[6]。

表1 綜合能耗計(jì)算

表2 用電量匯總

表3 電耗分析數(shù)據(jù)

不斷電系統(tǒng)的供電原理是當(dāng)市電正常時，UPS將市電的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再經(jīng)過逆變器的轉(zhuǎn)換提供電力給負(fù)載使用；由此可知，在線式不斷電系統(tǒng)的輸出完全由逆變器來供應(yīng)，因此不論市電電力品質(zhì)如何，其輸出均是穩(wěn)定而不受任何影響。

2015年5月29日凌晨4點(diǎn)，某大型LNG工廠110 kV新捷變電站，因10 kV開關(guān)柜母線過熱需計(jì)劃停電檢修10 h，在全廠停電后為保證UPS繼續(xù)不間斷供電，隨后啟動發(fā)電機(jī)保持UPS供電（圖2）。這時面板輸出LED綠燈OUT亮，電池LED黃燈BATT亮，出現(xiàn)市電中斷報(bào)警聲，此時為電池工作模式。因巡檢時未查看檢查記錄，13點(diǎn)10分檢修任務(wù)完成，在停止發(fā)電機(jī)后，中控室突然掉電，造成DCS系統(tǒng)、SIS系統(tǒng)失電，全廠自控閥失控的事故。

某大型LNG工廠中控室采用雙UPS并機(jī)的原理，進(jìn)線1取自400 V A段母線，進(jìn)線2取自400 V B段母線，進(jìn)線3取自發(fā)電機(jī)。正常工作時，UPS由進(jìn)線1、進(jìn)線2進(jìn)各自的整流逆變同時輸出380 V給負(fù)載。當(dāng)進(jìn)線1、進(jìn)線2同時斷電時，UPS切換為電池工作模式。此時雖然啟動了發(fā)電機(jī)，但是UPS仍由電池通過逆變單元給負(fù)載供電，發(fā)電機(jī)所接的旁路不會有輸出；因此，在電池模式下工作6 h、電池電壓完全放完后，UPS自動切換到旁路模式，這時才由發(fā)電機(jī)提供輸出給負(fù)載。在停發(fā)電機(jī)后，進(jìn)線1、進(jìn)線2、進(jìn)線3、電池組全部斷電，造成UPS逆變、旁路都不工作，負(fù)載掉電。

由上述分析可知，設(shè)計(jì)時未考慮UPS正常模式、電池模式和旁路模式的優(yōu)先級別，造成在發(fā)電機(jī)狀態(tài)下電池不能及時退出電池模式；因此，重新調(diào)整進(jìn)線方式，將進(jìn)線3接B段母線，進(jìn)線2接發(fā)電機(jī)。經(jīng)過這樣簡單的修改后，一旦發(fā)電機(jī)啟動，UPS會從電池模式立即切換到正常的整流逆變模式，不至于電池放電放完，等檢修完要恢復(fù)市電前停發(fā)電機(jī)，UPS會切換到電池模式；市電一旦恢復(fù)后，UPS又可以切換到正常的整流逆變模式，從而能保證可靠后備電源[7]。

通過此次對UPS供電方式的改造，有利于UPS的管理和維護(hù)，確保市電停電切換時不會出現(xiàn)跳閘故障，更利于全廠節(jié)能效果。

按發(fā)生市電停電切換時出現(xiàn)跳閘故障，造成全廠設(shè)備停機(jī)的直接損失計(jì)算，以全年停電檢修一次和雷擊停電一次為例，將減少經(jīng)濟(jì)損失80萬元。

采用在線并機(jī)模式后，可根據(jù)不同工況下分級使用1臺或2臺UPS供電，使UPS始終工作于最佳的效率點(diǎn)，同時能在1臺UPS故障時切換為另一臺工作，便于故障維修。

目前UPS所用的蓄電池一般都是免維護(hù)鉛酸電池，設(shè)計(jì)壽命為3～5年。長期的過度充放電會使蓄電池內(nèi)阻增大，可充放電性能變差，蓄電池壽命加速縮短。經(jīng)過改造供電方式后，不會出現(xiàn)蓄電池頻繁的過度充放電，保證蓄電池的設(shè)計(jì)壽命。

圖2 UPS接線流程

4 結(jié)論

由于UPS的控制電路很復(fù)雜，因此要求運(yùn)行人員對機(jī)器非常熟悉。一般來講，UPS的故障大多數(shù)是突然發(fā)生的，這時UPS會突然關(guān)斷或?qū)⒇?fù)載轉(zhuǎn)到旁路，維護(hù)時作定期的記錄十分重要。今后UPS出現(xiàn)故障后，在操作任何開關(guān)以前，應(yīng)立即記錄下液晶顯示器指示、蜂鳴器鳴叫聲音、指示燈狀態(tài)和UPS各個開關(guān)的狀態(tài)，并參照故障信息說明表，查找故障原因。

LNG工廠為整體性系統(tǒng)工程，LNG產(chǎn)品能耗分析對于整個系統(tǒng)生產(chǎn)工藝的可持續(xù)性評價(jià)具有重要意義。對系統(tǒng)中各物料能耗、裝置單元的合理評價(jià)是準(zhǔn)確分析工程整體能耗的關(guān)鍵，其結(jié)果能有效指揮生產(chǎn)，避免能源浪費(fèi)，促進(jìn)企業(yè)盈利。

[1]蒲黎明，李瑩珂，劉家洪，等.湖北500萬方/天LNG工廠國產(chǎn)化示范工程主要技術(shù)方案選擇[J].廣東化工，2014，41（14）：191-192.

[2]楊燁.數(shù)字化LNG工廠建設(shè)與應(yīng)用[J].天然氣與石油，2015，33（5）：66-69.

[3]楊燁，肖傳桃，劉彬.基于灰色系統(tǒng)GM（1，N）模型的脫碳裝置效果分析[J].石油與天然氣化工，2016，45（1）：30-35.

[4]高建，廖傳華.化工生產(chǎn)過程中的能耗分析與節(jié)能[J].節(jié)能，2003（1）：27-29.

[5]羅斐.LNG工廠冷劑壓縮機(jī)運(yùn)行方案優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)[J].天然氣與石油，2016，34（4）：36-39.

[6]楊燁，渠建儒.離心式壓縮機(jī)干氣密封系統(tǒng)常見故障分析[J].天然氣與石油，2015，33（3）：87-89.

[7]楊燁，何驍.LNG工廠停產(chǎn)狀態(tài)下循環(huán)冷卻水腐蝕性研究[J].石油與天然氣化工，2016，45（1）：102-106.

2017-04-11

（編輯 張興平）

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.10.006

祝新兵，2006年畢業(yè)于湖北工業(yè)大學(xué)，從事LNG工廠電氣運(yùn)行維護(hù)工作，E-mail：zxb109@126.com，地址：湖北省黃岡市火車站開發(fā)區(qū)昆侖能源湖北黃岡液化天然氣有限公司（湖北500×104m3/d LNG工廠國產(chǎn)化示范工程），438011。