降低LNG接收站首次啟動高壓外輸系統(tǒng)用電量工藝研究

國家管網(wǎng)集團北海液化天然有限責任公司 張長江

1 引言

我國對天然氣量需求越來越大。進口的液化天然氣經(jīng)LNG 接收站卸料、儲存、氣化等工藝單元加工外輸至下游。LNG 經(jīng)接收站有三種外輸方式，分別是第一種低壓LNG 槽車外輸方式；第二種低壓BOG 直供外輸方式；第三種是高壓LNG 氣化外輸方式。其中高壓LNG 氣化方式是LNG 外輸是接收站最重要的外輸方式，具有安全性高，外輸量大等優(yōu)點，是大部分接收站首選外輸方式。根據(jù)下游天然氣管網(wǎng)的用氣需求LNG 接收站起著下游天然氣的調(diào)峰作用。按照天然氣管網(wǎng)的用氣需求變化量決定了LNG 接收站每2d 啟停1次外輸系統(tǒng)以及每次提前1h 的特點。提前1h 啟動海水泵投用ORV 的海水系統(tǒng)、啟動高壓泵預冷ORV 入口LNG管道為高壓LNG 氣化外輸做準備工作。此高壓外輸系統(tǒng)的工藝啟輸方法，具有安全風險高、耗電量大的缺點，為了降低啟動高壓外輸系統(tǒng)的耗電量將原有工藝技術進行改為低壓零輸出循環(huán)保冷的LNG 預冷ORV 入口LNG 管道的工藝技術，新工藝的優(yōu)點就是耗電量小，安全風險低、生產(chǎn)準備工作充足等。

2 能耗分析

LNG 接收站高壓LNG 氣化外輸系統(tǒng)是由高壓泵、海水泵、ORV 三大設備組成，功率依次2200kW、900kW，其中啟動一臺高壓泵需要配套啟動一臺低壓泵，低壓泵的功率為220kW。因此，影響高壓外輸系統(tǒng)耗電的因素如下。

一是從設備功率分析，設備的耗電量跟功率是密不可分的，功率越大耗電量就越大。耗電量最大的設備是高壓泵，運行1h 需要2200kWh電，接收站每次啟動高壓LNG 外輸系統(tǒng)時都需要大約1h 來預冷ORV 的入口管道。因此，LNG 接收站高壓LNG 氣化外輸系統(tǒng)1h 內(nèi)產(chǎn)生的用電量=低壓泵用電+高壓泵用電+海水泵用電=220kWh+2200kWh+900kWh=3320kWh。

二是從接收站首次高壓外輸啟輸工藝的頻次分析，如果LNG 接收站低能耗運行狀態(tài)需要在額定負荷下不間斷地氣化外輸。由于下游用氣需求LNG 接收站不滿足常年連續(xù)運行的條件。經(jīng)統(tǒng)計20 21年全年某LNG 接收站氣化外數(shù)量為191163.2285×104m3按照此LNG 接收站ORV 滿負荷運行600萬m2每天要求，根據(jù)全年此LNG 接收站的生產(chǎn)量統(tǒng)計出高壓外輸系統(tǒng)啟輸頻次見表1。

表1 LNG 接收站首次高壓外輸系統(tǒng)啟輸頻次統(tǒng)計

從表中得出其中全年LNG 接收站連續(xù)零外輸18次，間斷高壓外輸系統(tǒng)啟輸（單日外輸量小于600萬m2）有80次，總計全年LNG 接收站高壓外輸系統(tǒng)啟輸98次。

綜合兩點分析得到，根據(jù)現(xiàn)有高壓外輸系統(tǒng)啟輸工藝即啟輸一條高壓外輸系統(tǒng)從開始ORV 預冷到結束的耗電量等于3300kWh。2021年全年高壓外輸系統(tǒng)從開始ORV 預冷到結束所耗電量為237160kWh。在沒有向下游管道輸氣時接收站的用電損耗增加多了237160kWh 電，極大地降低企業(yè)的利潤，為了給企業(yè)增加盈利點，需要對高壓外輸系統(tǒng)啟輸工藝進行技術改進來提高企業(yè)盈利能力。

3 高壓外輸系統(tǒng)啟輸工藝的改進

在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)LNG 接收站的高壓外輸系統(tǒng)啟輸工藝能耗較高存在很大的改進空間，經(jīng)過對LNG 接收站的高壓外輸系統(tǒng)啟輸工藝能耗較高原因分析得出LNG 接收站啟動高壓泵后需要用高壓的LNG 對高壓泵至ORV 入口的LNG 管道進行預冷，耗時約1h。為了企業(yè)的提質(zhì)增效需要在原有的高壓外輸系統(tǒng)啟輸工藝的基礎上進行技術改進。采用LNG 接收站的低壓零輸出循環(huán)保冷的LNG 預冷高壓泵出口至ORV 入口LNG 管道，采取這種預冷ORV 入口LNG 管道的工藝技術，將在原有接收站首次啟動高壓外輸系統(tǒng)的工藝基礎之上可節(jié)約2420kWh 電，具體的技術改進如下。

原有的LNG 接收站的高壓外輸系統(tǒng)啟輸工藝如圖1所示。啟動海水泵SWP 投用ORV 將海水調(diào)節(jié)到符合ORV 運行的工藝條件，導通ORV 至計量撬的工藝流程確認LNG 接收站至下游管道的工藝流程是導通狀態(tài)，關閉零外輸循環(huán)，啟動高壓外輸泵HP預冷ORV，大約需要1h，然后正常外輸。

圖1 LNG 接收站高壓外輸系統(tǒng)

為了節(jié)約1h 所用高壓LNG 預冷高壓泵至ORV入口的LNG 管道所產(chǎn)生的用電量，在LNG 接收站的高壓外輸系統(tǒng)啟輸工藝的基礎上，改為用LNG 接收站低壓零輸出循環(huán)保冷的LNG 預冷高壓泵出口至ORV入口LNG 管道，具體的改進的預冷工藝流程如下。

一是關閉5號閥門、6號閥門、8號閥門打開9號閥門對ORV 本體開始隔離卸壓，待ORV 壓力降至0MPa 時關閉9號閥門啟動海水泵投用ORV 并調(diào)節(jié)好海水的分布；二是微量打開6號閥門對ORV 進行預冷，在預冷過程中會產(chǎn)生大量的BOG 氣體造成ORV 本體壓力升高影響預冷速率。若預冷速率下降ORV 本體壓力升高可以適當打開9號閥門對ORV本體卸壓，預冷的速率由6號閥控制，預冷完成后關閉8號閥門、9號閥門；三是按照操作規(guī)程啟動高壓外輸泵開始緩慢打開6號閥門對5號閥門前后進行均壓待5號閥門前和8號閥門后的壓力相同時依次打開8號閥門、5號閥門標志著技術改進后高壓外輸系統(tǒng)的建立；四是一般LNG 管道采用的是奧氏不銹鋼材料制作，其具有優(yōu)秀的低溫性能但是線性膨脹系數(shù)較大，在LNG 溫度條件下奧氏不銹鋼的收縮率是3‰，因此在預冷時做好防護措施防止出現(xiàn)冷收縮造成LNG 管道損害[1]，從而在預冷過程中過程檢查ORV 入口的LNG 管道的完整性,具體要求包括[2]：檢查低溫材料有沒有低溫開裂現(xiàn)象；檢查低溫管道焊接部位有無裂紋，特別是法蘭焊接部位；檢查管道冷縮量和管托支撐變化；檢查低溫閥門的密封性和靈活性，檢查是否凍住；檢查法蘭連接部位是否泄漏，螺栓是否因冷縮而使預緊力減小。

4 高壓外輸系統(tǒng)啟輸工藝技術改進優(yōu)點

LNG 接收站自投產(chǎn)以來采用現(xiàn)有高壓外輸啟輸工藝，此種啟輸操作具有能耗高、高壓LNG 預冷ORV 入口LNG 管道泄漏風險大、高壓的LNG 對管道帶來的沖擊危害大、容易造成ORV 入口連接流量計的法蘭面泄漏等缺點。由于此原因，從投產(chǎn)以來多次造成ORV 入口連接流量計的法蘭面泄漏，延長啟輸時間，造成的能耗大，并且給下游管道帶來了斷供的風險。如果改為低壓零輸出循環(huán)保冷的LNG 預冷高壓泵出口至ORV 入口LNG 管道新工藝技術優(yōu)點。一是能有效的控制預冷速率從而降低了LNG 管道位移量的風險。避免了ORV 入口連接流量計的法蘭面由于預冷受熱不均勻造成應力發(fā)生變化出現(xiàn)LNG 泄漏；二是有充足的時間高壓外輸線建立的準備工作，極大地降低了由于準備工作不充分造成的風險。有效的提高了操作人員技能。特別是對崗位不熟悉的新操作人員有更好的應急準備，避免了新操作人員心里對高壓LNG 泄漏產(chǎn)生傷害的恐懼。

5 儲罐壓力的影響

新改進預冷工藝技術通過ORV 入口的5號閥門的DN50旁通進入ORV 入口LNG 管道進行預冷，通過新工藝技術預冷對儲罐壓力的影響計算得知，1h 預冷ORV 入口LNG 管道所需要的LNG 的體積流量，依據(jù)計算在實際工程中應用，LNG 管道內(nèi)流速（V）受很多因素影響（使用壓力、管道通徑、使用流量等），所以合理的流速應根據(jù)經(jīng)濟權衡決定。一般LNG 液體流速為0.5～3m/s，NG 氣體流速為10～30m/s。因為低壓LNG 管道的壓力一般在0.75MPa，在0.75MPa 下的壓力取流速為0.5m/s，管道內(nèi)徑50mm 取6號閥所在的位置截面為參考面，介質(zhì)在1h 內(nèi)流經(jīng)管道截面的流量有：

式中:Q 為工況流量（m3）；V 為介質(zhì)流速（m/s）；R 為管道半徑（m）；得到流量計算式：

產(chǎn)生BOG 的體積為= 每h 的流量V×600=3.54×600=2122（m3）

經(jīng)過計算得到，預冷ORV 產(chǎn)生的BOG 蒸發(fā)氣約為2122m3，進入BOG 系統(tǒng)會造成儲罐壓力上升，實際生產(chǎn)中，只考慮儲罐的氣相空間，以儲罐的氣相空間主體作為BOG 蒸發(fā)氣儲存容器，按照LNG接收站有4個內(nèi)徑80m的LNG 儲罐，每個儲罐有10m 的氣相空間，LNG 接收站儲罐壓力變化多少可以通過計算得知：

式中：V 為儲罐緩存氣體積（m3）；D 為LNG儲罐內(nèi)罐直徑（m）；h 為LNG 儲罐氣相空間高度（計算時要考慮四個LNG 儲罐）（m）；P 為LNG 儲罐氣相空間壓力（kPa）。

通過計算得到在預冷ORV 入口LNG 管道產(chǎn)生的BOG 蒸發(fā)氣會造成儲罐壓力上升1.06kPa，LNG接收站壓力在可控的范圍內(nèi)可以通過低壓LNG 預冷ORV 入口的LNG 管道，對LNG 接收站節(jié)能減排起著重要的作用，若LNG 接收站儲罐的壓力在高位運行，則不建議采取這樣的新工藝進行預冷[2]。

6 經(jīng)濟效益

隨著國際天然氣價格上漲，國內(nèi)天然氣進口量下降導致沿海LNG 接收站經(jīng)營壓力增大，國內(nèi)各LNG 接收站提質(zhì)增效挖掘自身的潛力，LNG 接收站實施節(jié)能降耗措施通過改進的新工藝技術可以為企業(yè)創(chuàng)造可觀利益，經(jīng)統(tǒng)計2021年全年LNG 連續(xù)零外輸共18次，間斷高壓外輸系統(tǒng)啟輸（單日外輸量小于600萬m2）共80次，總計全年高壓外輸系統(tǒng)啟輸共98次，如果采用新工藝技術建立高壓外輸系統(tǒng)每次可節(jié)約用電2420kWh，從2022年4月1日起，廣西工業(yè)用電實行峰平谷段收取電價，按照平時段0.576元計算。建立一次高壓外輸系統(tǒng)可節(jié)約生產(chǎn)成本= 電價× 耗電量×1=0.576 ×2420=1393.92（元）。按照此技術2021年可節(jié)約生產(chǎn)成本=每次高壓外輸系統(tǒng)可節(jié)約生產(chǎn)成本×98=136604.16（元），由于LNG 接收站短期內(nèi)作為調(diào)峰站使用沒有連續(xù)的高壓外輸。

7 結語

為了提高企業(yè)的利潤，減輕企業(yè)面臨經(jīng)營壓力，節(jié)能降耗成為企業(yè)節(jié)約生產(chǎn)成本主流，因此采用低壓零輸出循環(huán)保冷的LNG 預冷ORV 入口LNG 管道替代高壓LNG 預冷ORV 入口LNG 管道的技術不僅技術可行同時也為操作人員建立高壓外輸做更充分的準備工作，避免準備工作不充分造成意外風險，采用此技術為企業(yè)節(jié)能降耗起著重要作用，以此總結經(jīng)驗，為后續(xù)企業(yè)的技改奠定基礎。也為企業(yè)培養(yǎng)后備技術骨干創(chuàng)造學習條件。