大型LNG工厂能耗分析及UPS改造

祝新兵 邓向军 文超（中国石化江汉油田分公司江汉采油厂湖北新捷LNG项目部）

大型LNG工厂能耗分析及UPS改造

祝新兵 邓向军 文超（中国石化江汉油田分公司江汉采油厂湖北新捷LNG项目部）

为了研究大型LNG工厂能耗组成，系统分析能耗情况并提出合理节能措施，结合GB/T 50441—2016《石油化工设计能耗计算标准》，运用某大型LNG工厂性能考核期间连续运转数据进行分析，并在此基础上分析了UPS改造方案。研究表明，LNG工厂为整体性系统工程，LNG产品能耗分析对于整个系统生产工艺的可持续性评价具有重要意义。对系统中各物料能耗、装置单元的合理评价是准确分析工程整体能耗的关键，其结果能有效指挥生产，避免能源浪费，促进企业盈利。

能耗分析；UPS；负荷；LNG工厂

1 工程简介

某大型LNG工厂天然气处理能力为500×104m3/d，LNG年产量为120×104t/a，生产操作弹性为50%～100%，工艺、设备全部国产化，主要由脱碳、脱水、脱汞、液化、BOG、公用工程等部分组成，生产工艺流程见图1。其中，液化装置采用多级单组分制冷液化工艺，该工艺总体上为传统阶式制冷工艺，最后一级改进为混合冷剂制冷，分别由丙烯、乙烯、甲烷3台压缩机提供动力。负荷由大到小依次为丙烯机、乙烯机、甲烷机。在换热器部分，原料气通过7个蒸发器和1个板翅式换热器逐级降温冷却，直至液化。液化装置设有重烃洗涤塔，脱除重烃防止最后一级冷箱冻堵[1]。

综上所述，某大型LNG工厂制冷循环长，换热器及其传动设备较多，能耗分析工作艰巨，节能潜力大。

2 能耗分析

本次能耗分析数据取自工厂性能考核期间连续性数据。投料开车产出合格产品，满负荷运行。设备匹配调整至最佳状态运行4 h后，分别调整生产负荷至50%、80%、100%，50%工况负荷数据采用当时的50%工况条件下数据，80%数据采用工况条件下连续稳定运行24 h，100%数据采用工况条件下至少连续稳定运行48 h。综合能耗计算标准执行GB/T50441—2016《石油化工设计能耗计算标准》[2]。

2.1 综合能耗

综合能耗主要包括各装置电耗、燃料气消耗、水消耗。装置各生产负荷运行下采集统计数据。其中，电量折算值为10.89 MJ/kWh，新鲜水折算值为6.28 MJ/t，燃料气为33.81 MJ/m3。计算方法如下：

图1 LNG工厂主要生产工艺流程

燃料气能耗＝24 h燃料气分配罐累计总量×33.81

总电耗=24 h 110 kV变电站计量表总电量×10.89

循环水能耗=24 h水表累计总量×6.28

单位综合能耗=（燃料气能耗+总电耗+循环水能耗）÷上游分输站原料气来气流量计日累积量

综合能耗计算结果见表1。

在工厂72 h满负荷运行期间，全厂的综合能耗值为5235 MJ/t LNG，优于设计指标5412 MJ/t LNG。

2.2 装置电耗

由综合能耗分析结果可知，某大型LNG工厂电耗占比较大，以下做详细分析。此部分主要包括各装置电耗、制冷能耗、工艺能耗、全厂能耗，装置各生产负荷运行下采用电力检测系统统计数据[3]。

制冷系统装置用能主要为丙烯压缩机、乙烯压缩机及甲烷压缩机。制冷能耗计算方法：制冷能耗=（丙烯压缩机日耗电量+乙烯压缩机日耗电量+甲烷压缩机日耗电量）÷进冷箱天然气流量计日累计量。

工艺系统装置用能主要为“三脱”装置单元（包括低压贫液泵、贫液循环泵、再生气压缩机等）、液化装置单元（包括丙烯压缩机、乙烯压缩机、甲烷压缩机等压缩机组和重烃回流泵等）和BOG增压装置单元（包括BOG压缩机等）。工艺能耗计算方法：工艺能耗=（“三脱”装置单元日耗电量+液化装置单元日耗电量+BOG增压单元日耗电量）÷上游分输站原料气来气流量计日累积量[4]。

全厂能耗装置用能为全厂所有装置用电量。全厂能耗计算方法：工艺能耗=110 kV变电站计量表日累积量÷上游分输站原料气来气流量计日累积量。

用电量汇总见表2，电耗分析数据见表3。

在工厂72 h满负荷运行期间，液化装置三机组的制冷电耗为0.24 kWh/m3，主要工艺装置区电耗为0.26 kWh/m3，全厂的综合电耗为0.29 kWh/m3，电耗值达到设计要求。

3 UPS分析与改进

综上所述，LNG工厂电耗是关键，而变频系统运行效果是决定其正常生产和节能降耗的关键。对某大型LNG工厂UPS跳闸故障进行分析，并找出相应解决措施[5]。

UPS是利用电池等直流系统（化学能）作为后备能量，在市电断电等电网故障时，不间断地为用户设备提供（交流）电能的一种能量转换装置。UPS主要由整流器、逆变器、静态转换开关和后备电池组成。输出的交流电源是经过逆变器重新产生，其电压、波形频率由UPS本身控制，具有稳压、稳频、净化和不间断等功能[6]。

表1 综合能耗计算

表2 用电量汇总

表3 电耗分析数据

不断电系统的供电原理是当市电正常时，UPS将市电的交流电转换为直流电，再经过逆变器的转换提供电力给负载使用；由此可知，在线式不断电系统的输出完全由逆变器来供应，因此不论市电电力品质如何，其输出均是稳定而不受任何影响。

2015年5月29日凌晨4点，某大型LNG工厂110 kV新捷变电站，因10 kV开关柜母线过热需计划停电检修10 h，在全厂停电后为保证UPS继续不间断供电，随后启动发电机保持UPS供电（图2）。这时面板输出LED绿灯OUT亮，电池LED黄灯BATT亮，出现市电中断报警声，此时为电池工作模式。因巡检时未查看检查记录，13点10分检修任务完成，在停止发电机后，中控室突然掉电，造成DCS系统、SIS系统失电，全厂自控阀失控的事故。

某大型LNG工厂中控室采用双UPS并机的原理，进线1取自400 V A段母线，进线2取自400 V B段母线，进线3取自发电机。正常工作时，UPS由进线1、进线2进各自的整流逆变同时输出380 V给负载。当进线1、进线2同时断电时，UPS切换为电池工作模式。此时虽然启动了发电机，但是UPS仍由电池通过逆变单元给负载供电，发电机所接的旁路不会有输出；因此，在电池模式下工作6 h、电池电压完全放完后，UPS自动切换到旁路模式，这时才由发电机提供输出给负载。在停发电机后，进线1、进线2、进线3、电池组全部断电，造成UPS逆变、旁路都不工作，负载掉电。

由上述分析可知，设计时未考虑UPS正常模式、电池模式和旁路模式的优先级别，造成在发电机状态下电池不能及时退出电池模式；因此，重新调整进线方式，将进线3接B段母线，进线2接发电机。经过这样简单的修改后，一旦发电机启动，UPS会从电池模式立即切换到正常的整流逆变模式，不至于电池放电放完，等检修完要恢复市电前停发电机，UPS会切换到电池模式；市电一旦恢复后，UPS又可以切换到正常的整流逆变模式，从而能保证可靠后备电源[7]。

通过此次对UPS供电方式的改造，有利于UPS的管理和维护，确保市电停电切换时不会出现跳闸故障，更利于全厂节能效果。

按发生市电停电切换时出现跳闸故障，造成全厂设备停机的直接损失计算，以全年停电检修一次和雷击停电一次为例，将减少经济损失80万元。

采用在线并机模式后，可根据不同工况下分级使用1台或2台UPS供电，使UPS始终工作于最佳的效率点，同时能在1台UPS故障时切换为另一台工作，便于故障维修。

目前UPS所用的蓄电池一般都是免维护铅酸电池，设计寿命为3～5年。长期的过度充放电会使蓄电池内阻增大，可充放电性能变差，蓄电池寿命加速缩短。经过改造供电方式后，不会出现蓄电池频繁的过度充放电，保证蓄电池的设计寿命。

图2 UPS接线流程

4 结论

由于UPS的控制电路很复杂，因此要求运行人员对机器非常熟悉。一般来讲，UPS的故障大多数是突然发生的，这时UPS会突然关断或将负载转到旁路，维护时作定期的记录十分重要。今后UPS出现故障后，在操作任何开关以前，应立即记录下液晶显示器指示、蜂鸣器鸣叫声音、指示灯状态和UPS各个开关的状态，并参照故障信息说明表，查找故障原因。

LNG工厂为整体性系统工程，LNG产品能耗分析对于整个系统生产工艺的可持续性评价具有重要意义。对系统中各物料能耗、装置单元的合理评价是准确分析工程整体能耗的关键，其结果能有效指挥生产，避免能源浪费，促进企业盈利。

[1]蒲黎明，李莹珂，刘家洪，等.湖北500万方/天LNG工厂国产化示范工程主要技术方案选择[J].广东化工，2014，41（14）：191-192.

[2]杨烨.数字化LNG工厂建设与应用[J].天然气与石油，2015，33（5）：66-69.

[3]杨烨，肖传桃，刘彬.基于灰色系统GM（1，N）模型的脱碳装置效果分析[J].石油与天然气化工，2016，45（1）：30-35.

[4]高建，廖传华.化工生产过程中的能耗分析与节能[J].节能，2003（1）：27-29.

[5]罗斐.LNG工厂冷剂压缩机运行方案优化经验[J].天然气与石油，2016，34（4）：36-39.

[6]杨烨，渠建儒.离心式压缩机干气密封系统常见故障分析[J].天然气与石油，2015，33（3）：87-89.

[7]杨烨，何骁.LNG工厂停产状态下循环冷却水腐蚀性研究[J].石油与天然气化工，2016，45（1）：102-106.

2017-04-11

（编辑 张兴平）

10.3969/j.issn.2095-1493.2017.10.006

祝新兵，2006年毕业于湖北工业大学，从事LNG工厂电气运行维护工作，E-mail：zxb109@126.com，地址：湖北省黄冈市火车站开发区昆仑能源湖北黄冈液化天然气有限公司（湖北500×104m3/d LNG工厂国产化示范工程），438011。