基于AHP法的LNG工廠停產(chǎn)期間能耗分析與節(jié)能舉措

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)，運用層次分析法進行系統(tǒng)性量化表征。針對耗電、燃料氣、液氮關(guān)鍵能耗進行節(jié)能措施制定，并進行現(xiàn)場實施。然后通過實施后的8月能耗數(shù)據(jù)及現(xiàn)場設(shè)備設(shè)施運行情況進行效果驗證。充分論證節(jié)能舉措可行性，提出下步改進意見。研究表明：工廠點多面長，即使停工期間也要注意節(jié)能舉措實施時實效性、安全性與工藝影響三者之間的影響。充分運用當前的信息，利用層次分析法，進行數(shù)學(xué)建模，從而對問題進行分析。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???????文獻標識碼：?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格、生產(chǎn)流程復(fù)雜等傳統(tǒng)化工企業(yè)特點，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)負荷進行動態(tài)優(yōu)化，節(jié)約經(jīng)濟成本^[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)開始運用無人化流水線和大數(shù)據(jù)進行工廠的耗水、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”就采用了先進機器人流水線進行生產(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，并將實際運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，最后一級改進為分別由甲烷、乙烯、丙烯混合冷劑的三臺壓縮機壓縮制冷。由大到小其負荷排序為丙烯機、乙烯機以及甲烷機。換熱器部分中，通過一個板翅式換熱器、7個蒸發(fā)器，原料氣逐級降溫、冷卻、液化。同時液化裝置設(shè)有脫除重烴、重烴洗滌塔，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，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，高負荷運行下能耗較優(yōu)，最為節(jié)能是在滿載生產(chǎn)情況時^[8-10]。但該LNG工廠制冷循環(huán)長，動、靜設(shè)備眾多，停工情況下若不進行節(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)進行適當處理。選取2018年5月、6月能耗數(shù)據(jù)進行綜合分析。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)場實際情況可知，LNG儲罐每臺潛液泵可供給5具裝車撬進行同時充裝，而潛液泵與裝車撬運行臺數(shù)增加都會導(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，儲罐頂部已經(jīng)開始復(fù)熱，但儲罐液位低，且無潛液泵機械擾動，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)境溫度等外界因素無明顯相關(guān)性。耗水量變化趨勢顯獨立變化趨勢，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。停工期間長期運行設(shè)備僅有1?000?kW循環(huán)水泵1臺;305 kW空氣壓縮機1臺。雨水泵及其BOG壓縮機根據(jù)現(xiàn)場情況擇機運行。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壓縮機給天然氣系統(tǒng)增壓儲氣方式供給。6月氣溫相比5月較高，溴化鋰負荷變大，所以BOG壓縮機啟動頻率升高，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，全廠氮氣全由外購液氮供給。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)，當前已經(jīng)做的裝車撬運行最優(yōu)化^[12]。而水、電、氣、液氮損耗可以通過工藝調(diào)整和合理操作進行節(jié)能。而燃料氣是通過BOG壓縮機抽吸LNG儲罐閃蒸氣儲存至天然氣系統(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)備運行現(xiàn)狀，豐富問題分析寬度。在充分考慮運用效果、安全風險和工藝影響的同時，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、準則層、目標層。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，能夠首先確立目標層為節(jié)能舉措。在結(jié)合LNG工廠的實際情況。優(yōu)選節(jié)能降耗的主攻方向為節(jié)約燃料氣與液氮，并設(shè)準則層，方案評價導(dǎo)向的依據(jù)為工藝影響、安全風險、預(yù)計效果這三種評價因素。最終評價1-9方案的可行性。現(xiàn)場實施的指引依據(jù)權(quán)重量化^[18，19]。

計算步驟具體如下：

（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，判定下層較上層分數(shù)。

準則層中，在統(tǒng)一決策者衡量標準下，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度^[20]。

（3）計算層次合成、檢驗一致性。

①一致性指標CI的計算

其中：—判斷矩陣最大特征值。

②一致性比例CR的計算

當CR<0.10，通過了一次性檢驗，否則做適當修正。

（4）權(quán)重向量W的計算。

在層次分析法中，計算權(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。把不同方案中的準則要素—權(quán)重矩陣W_i（表2）與相應(yīng)的準則要素—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。

綜上所述運用層次分析法得出的LNG工廠節(jié)能舉措優(yōu)選排序為：方案2>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，分為四個梯隊。其中第四梯隊的整體權(quán)重都小于其他梯隊的，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)和自控閥密封不嚴會導(dǎo)致介質(zhì)失壓互竄，存在一定風險性。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)進行嘗試。但方案8進行操作時需注意環(huán)境溫度高和空壓機負載大會誘發(fā)的跳車問題。查閱工藝設(shè)計，理論可行。方案3應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場安全閥整定壓力進行合適調(diào)整。方案1、方案7、方案6不存在安全風險，可以即刻執(zhí)行。

4??驗證與改進

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

由圖5所示，7月5日進行節(jié)能舉措實施后，各項能耗明顯小于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)在運空氣壓縮機后端無熱式干燥機閥組異常，機體聯(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)場取樣化驗得出粉化碎屑為無熱式干燥機三氧化二鋁干燥球。隨即拆解無熱式干燥機及其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）。

查閱運行記錄，7月5日開始用一臺空壓機供給工廠風與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制氮撬氧含量超標聯(lián)鎖停機，緊急開液氮閥門進行氮氣補充。此后切換空壓機重新嘗試，由于當月氣溫還是過高，后續(xù)又出現(xiàn)過空壓機負荷高機頭高溫聯(lián)鎖。當天對備用空壓機進行機頭換熱翅片清灰（該機為換熱翅片油冷），后續(xù)勉強運行。但工廠風水露點一直上升（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)無熱式干燥機再生氣量。仍勉強運行至9月3日，隨后發(fā)生三氧化二鋁干燥球粉化導(dǎo)致聯(lián)鎖停機事件。分析原因可知：雖然停工期間氮氣、工廠風用量有限（當前工廠風：410～240 m³/h波動;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。單臺空壓機設(shè)計負荷不能同時供給工廠風和PSA制氮撬。單純考量短期經(jīng)濟利益，未能有效預(yù)測當前工況對未來工藝設(shè)備影響是得不償失的。方案8，使用一臺空壓機供給工廠風與PSA制氮下步不能執(zhí)行。

5??結(jié)論

LNG工廠停產(chǎn)期間主要動設(shè)備停運，電耗較小。相應(yīng)循環(huán)水系統(tǒng)也轉(zhuǎn)為冷態(tài)運行，且藥劑投加量與投加種類也進行了相應(yīng)調(diào)整。所以理論上水質(zhì)穩(wěn)定，耗水量已達最小，污水外排也可達零排污狀態(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儲罐擾動。而節(jié)約液氮不能以損害本廠工藝設(shè)備為代價，需要充分考量安全因素與工藝設(shè)計準則，嚴禁過度追求經(jīng)濟效益。本文研究性結(jié)論及創(chuàng)新點：

（1）LNG銷售車數(shù)與BOG閃蒸消耗成同步變化趨勢，停工期間運用1臺變頻LNG潛液泵進行5臺裝車撬同時充裝，晚間將潛液泵頻率調(diào)至最低，為裝車撬及其管線保冷。儲罐液位降至4m時停止裝車。

（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)驗和當前的能耗數(shù)據(jù)協(xié)助性地進行科學(xué)的分析。能夠有效地將模糊定性的節(jié)能經(jīng)驗量化為預(yù)計效果、安全風險與工藝影響三項評定性科學(xué)權(quán)重，指導(dǎo)下步生產(chǎn)。

（3）使用一臺空壓機供給工廠風與PSA制氮撬雖然工藝設(shè)計可行，但應(yīng)充分考慮設(shè)備老化與后端工廠風漏失等額外負荷影響。不能只求節(jié)能經(jīng)濟效益，還應(yīng)充分考慮工藝波動而導(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。

參考文獻：

[1]楊燁， 王海成， 鄭玉寶，等. 大型LNG工廠開工復(fù)產(chǎn)方案優(yōu)化及問題處理[J]. 石油與天然氣化工， 2018，47（2）：57-64.

[2]Li Y， Bai F. A policy study examining the use of imported LNG for gas-fired power generation on the southeast coast of China[J]. Energy Policy， 2010， 38（2）： 896-901.

[3]Juan S， Meizhen Z， Jianxing Y U. Low temperature analysis of LNG prestressed concrete tank for spill conditions[J]. Cryogenics， 2010， 4： 47-52.

[4]Bi Z， Da Xu L， Wang C. Internet of things for enterprise systems of modern manufacturing[J]. IEEE Transactions on industrial informatics， 2014， 10（2）： 1537-1546.

[5]陳國金， 姜周曙， 蘇少輝，等. 基于工業(yè)4.0的智能工廠實驗系統(tǒng)的搭建及應(yīng)用[J]. 現(xiàn)代教育技術(shù)， 2017， 27（7）：121-126.

[6]Wen Z， Liu X， Xu Y， et al. A RESTful framework for Internet of things based on software defined network in modern manufacturing[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2016， 84（1-4）： 361-369.

[7]Atieh A M， Kaylani H， Al-abdallat Y， et al. Performance improvement of inventory management system processes by an automated warehouse management system[J]. Procedia Cirp， 2016， 41： 568-572.

[8]楊遠， 唐文潔， 齊安彬，等. 大型LNG工廠能耗分析及節(jié)能措施[J]. 石油與天然氣化工， 2017， 46（4）：103-108.

[9]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.

[10]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.

[11]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（1）：102-106.

[12]Kurle Y M， Wang S， Xu Q. Dynamic simulation of LNG loading， BOG generation， and BOG recovery at LNG exporting terminals[J]. Computers & Chemical Engineering， 2017， 97： 47-58.

[13]Chinn D， Huang S H W， Yi Y. Integration of a small scale liquefaction unit with an LNG plant to convert end flash gas and boil-off gas to incremental LNG： U.S. Paten， 9709325[P]. 2017-7-18.

[14]Li Y， Li Y. Dynamic optimization of the boil-off gas （BOG） fluctuations at an LNG receiving terminal[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering， 2016， 30： 322-330.

[15]Yun S K. Characteristics of boil-off-gas partial re-liquefaction systems in LNG ships[J]. Journal of the Korean Society of Marine Engineering， 2016， 40（3）： 174-179.

[16]申文靜.利用層次分析法評價油氣運聚單元[J].中國石油勘探，2010，15（ 3） ： 45-50.

[17]何沙，吉安民，姬榮斌，等.基于AHP-最小判別的逐級判別模型的石油企業(yè)安全應(yīng)急能力評價[J].中國安全科學(xué)學(xué)報，2011， 21（2）：41-47.

[18]王衍東，顧潔，胡斌.基于AHP的實用中長期電力負荷預(yù)測綜合模型[J].華東電力，2005， 33（01）：28-31.

[19]Ho W， Ma X. The state-of-the-art integrations and applications of the analytic hierarchy process[J]. European Journal of Operational Research， 2018， 267（2）： 399-414.

[20]Calabrese A， Costa R， Levialdi N， et al. A fuzzy analytic hierarchy process method to support materiality assessment in sustainability reporting[J]. Journal of Cleaner Production， 2016， 121.

[21]沈波. 連續(xù)重整燃料氣節(jié)能途徑探討[J]. 石油煉制與化工， 2011， 42（8）：74-78.

[22]Fran?a J M P， Nieto de Castro C A， Lopes M M， et al. Influence of thermophysical properties of ionic liquids in chemical process design[J]. Journal of Chemical & Engineering Data， 2009， 54（9）： 2569-2575.

[23]Al-Sharrah G K， Edwards D， Hankinson G. A new safety risk index for use in petrochemical planning[J]. Process Safety and Environmental Protection， 2007， 85（6）： 533-540.