LNG冷能空分装置节能分析及问题探讨

郭永昌，胡 晖

( 1.福州大学 石油化工学院，福州 350108；2.中海石油空气化工产品(福建)有限公司，莆田 351158 )

LNG冷能空分装置节能分析及问题探讨

郭永昌1,2，胡 晖1

( 1.福州大学 石油化工学院，福州 350108；2.中海石油空气化工产品(福建)有限公司，莆田 351158 )

我国每年进口大量的LNG，LNG在汽化过程中会释放出大量的冷量，如何充分利用LNG冷能具有重要意义。文中介绍了国内首套LNG冷能空分装置，通过对LNG冷能空分流程与传统空分流程进行对比，分析LNG冷能空分节能的理论依据，并对LNG冷能空分装置运行中的问题进行探讨。

液化天然气；冷能利用；空分；能耗；节能

1 引言

液化天然气(LNG)由天然气经净化处理、液化而成的-162℃低温液体混合物，LNG汽化时放出大量的冷能约830kJ/kg,因此LNG蕴含有高品质的冷能[1]。LNG用于燃料或化工原料之前需汽化成常温气体，目前主要利用LNG与海水和空气进行换热汽化，这样会造成冷能的极大浪费，随着我国每年对LNG进口量越来越大，如何充分利用这种大量优质冷能具有重要意义。国内外理论研究表明将LNG冷能用于空分设备，在最接近温位利用LNG冷能，能提高LNG冷能的利用效率[2]。2010年国内首套LNG冷能空分装置在福建莆田建成并成功投产，与传统空分装置相比，单位产品能耗节电50%以上，节水90%以上。同时减少了LNG汽化所需的电能和海水，具有良好的经济效益和社会效益。

2 LNG冷能空分装置和传统空分对比分析

2.1 国内首套LNG冷能利用空分流程简述

图1 氮气液化系统流程简图Fig.1 The flow diagram of nitrogen liquefaction system

原料空气经空气过滤器滤去灰尘等固体杂质进入压缩机，经三级压缩至0.45MPa。压缩后的空气进入后冷却器冷却，然后进入分子筛纯化系统除去空气中的水分、二氧化碳、乙炔等碳氢化合物。净化后的空气进入主换热器与返流的低压氮气、污氮气和来自液化系统的液氮等进行换热，在主换热器中部抽一部分空气进入下塔作为上升气体参与下塔精馏，在下塔顶部得到高纯氮气，一部分高纯氮气在冷凝蒸发器内放出热量而冷凝成液氮，一部分液氮直接作为下塔的回流液，一部分液氮经节流降压后供至上塔顶部作为上塔的回流液参与精馏；另一部分高纯氮气进入主换热器与空气换热后去低温氮压机增压，在液化器中与LNG换热液化，一部分液氮作为产品送入储罐，另一部分液氮进入主换热器提供冷量。在主换热器底部抽一部分液态空气进入上塔上部作为上塔回流液参与精馏，在上塔底部得到产品液氧，用液氧输送泵把产品送入储罐。在上塔中部抽出的氩馏分进入粗氩塔除氧，在精氩塔中除氮，最终在精氩塔底部得到产品高纯液氩。

2.2 LNG冷能空分流程与传统空分流程的区别

LNG冷能空分流程与传统空分的区别主要在于氮气液化系统和冷却水系统。传统空分是由高低温膨胀机、节流阀和冷冻机提供冷量[3]，而LNG冷能空分装置省去膨胀机、冷冻机等设备，工艺流程更加简单，可以明显缩短设备启动时间，用LNG冷量取代膨胀机制冷，LNG可以在瞬间释放出大量高品质的冷能,直接在液化器中利用LNG冷量把循环氮气冷却液化，一部分高压液氮进入主换热器冷却空气，另一部分液氮过冷后进入储罐。LNG冷能空分装置氮气液化系统是由低温氮压机、液化器、气液分离器、过冷器等有序组成，来自下塔上部的高纯氮气进入液化器与LNG进行换热，得到低温的氮气进入氮压机1、2级进行压缩，压缩后的氮气进入液化器与LNG进行换热，然后进入氮压机3、4级进行压缩提高压力，高压氮气再进入液化器与LNG进行换热，最终得到高压液氮，一部分高压液氮通过节流阀闪蒸在气液分离器中分离得到低压液氮，低压液氮通过过冷器进行过冷，最终进入液氮储罐；另一部分高压液氮进入主换热器为冷却空气提供冷量。液化系统工艺流程如图1所示。

传统空分的冷却系统是以工业水作为冷却媒介的开放式系统，每天蒸发损耗几百吨水，LNG冷能空分装置的冷却系统是密闭循环的，冷却媒介是乙二醇水溶液，乙二醇水溶液进入空压机级间冷却器、油冷却器和电机冷却器吸收热量，复热后的乙二醇水溶液返回到乙二醇冷却器，与出液化器的高温段LNG冷量(温度约为-70℃)进行换热[4]，LNG复热至常温返回天然气管网，乙二醇水溶液被冷却至2℃左右，能够充分冷却压缩空气，降低压缩机做功能耗。乙二醇水溶液系统流程如图2所示。

图2 乙二醇冷却水系统流程简图Fig.2 The flow diagram of ethylene glycol cooling water system

3 LNG冷能空分装置节能理论分析

气体的压缩，一般有等温压缩、绝热压缩、多变压缩三种过程[5]，从热力学观点来看，气体状态变化过程并没有本质的不同，都是消耗外功，使气体压缩升压的过程，在正常情况下都可以视为稳定流动过程，对于稳定流动体系，压缩过程的理论轴功可用稳定流动系统的热力学第一定律来描述，在忽略动能和势能的情况下有WS=△H-Q。气体在压缩过程中若气体温度保持不变称为等温压缩，在理想情况下可看成可逆压缩过程，等温过程△H=0，则WS=-Q=RTln(POUT/PIN)。式中WS为等温可逆压缩的轴功[5]，显然在相同压缩比情况下，气体的温度越高，压缩所需的功耗就会越大。等温压缩和绝热压缩都是理想的，要做到完全的等温或绝热是不可能的，实际进行的压缩都是介于等温和绝热之间的多变过程。把一定量的气体从相同的初态压缩到相同的终压时，绝热压缩消耗的功最多，等温压缩最少，多变压缩介于两者之间。为了减少压缩机的功耗，常采用多级压缩、级间冷却的方法。多级压缩、级间冷却式压缩机的基本原理是将气体先压缩到某一中间压力，然后通过一个中间冷却器，压缩后的高温气体与冷却水进行换热，冷却水把压缩产生的热量带走，使其等压冷却到压缩前的温度，然后再进入下一级继续压缩、冷却，如此进行多次压缩和冷却，使气体压力逐渐增大，而温度不至于升得过高，这样整个过程趋近于等温压缩过程。

空分装置的主要能耗是空压机和氮压机对气体做功所消耗的电能。LNG冷能空分中LNG的冷量被分段利用，高温段冷量通过乙二醇冷却水来预冷空压机各级压缩后的空气，可以使空压机二级、三级进口空气温度降至279K左右，传统空分空压机二级、三级进口空气温度高达308K左右，因此利用LNG冷量可有效降低每级入口气体温度，可提高等温压缩效率，降低设备能耗。

根据压缩机的通用功耗公式[1]：

W=RTln(POUT/PIN)ρ0V/(3600μMμT)

通过降低每级入口温度达到降低压缩机功耗的目的，这样空压机的功耗可降低(308-279)/308=9.42%。LNG低温段冷量在氮气液化器中被循环氮气吸收液化，LNG冷能空分利用低温氮压机为氮气的液化提供动力，来自精馏塔的高纯氮气在液化器中冷却至153K左右进入低温氮压机一、二级，压缩后的氮气再进入液化器进行冷却至148K左右进入低温氮压机的三、四级进行压缩，传统空分常温氮压机每级进口温度为298K左右，低温氮压机与常温氮压机相比，功耗可降低(298-153)/298=48%。由此可见利用LNG冷能的空分装置能耗降低特别明显。

4 装置能耗对比

运用化工流程模拟软件Aspen Plus建立模拟流程图[6]，在同等条件下，在系统中输入物流和设备数据，对LNG冷能空分流程和传统空分流程进行模拟[7]，计算得出LNG冷能空分装置单位产品能耗为0.316kWh/m3,传统空分工艺单位产品能耗1.0 kWh/m3，LNG冷能空分装置具有明显的节能优势。设备模拟计算结果见表1。

表1 装置能耗对比

Table 1 Device energy consumption contrast

设备LNG冷能空分装置电耗(kW)水耗(t·d-1)传统空分装置电耗(kW)水耗(t·d-1)空气压缩机381004400260氮气压缩机260008200450膨胀机无无15050循环水泵16002100分子筛加热器12501250液氧泵0.700.70循环氩泵3.903.90总计6699.6013089.6760

5 LNG冷能空分装置运行问题探讨

新工艺在运行中总会遇到各种问题，通过对莆田LNG冷能空分项目存在问题的探讨，希望能为后续国内LNG冷能空分项目的设计、建造和生产运行提供参考。

(1)因下游用户用气量波动等因素影响，往往无法保证高压泵外输LNG的连续性，造成空分装置因LNG冷能供应中断而频繁停机，严重影响了空分装置的生产运行。由于福建LNG接收站的LNG输送泵的流量较大(180t·h-1),若下游用气量减少，天然气管网压力上升到7MPa就要停止LNG外输供应。若把LNG高压泵改造为变频泵，根据下游用气量调节LNG输出量，这样既能保证LNG冷能供应连续性，又不至于在下游用气量减少的情况下LNG管网超压。

(2)由于LNG接收站经常运行BOG压缩机，造成供给空分装置的LNG温度偏高，冷能品质下降，氮气液化系统的液化效率降低，液氮产能偏低，LNG温度每升高1℃，液氮产量降低约10t，液氮产量受LNG温度的影响特别大。因此建议LNG接收站在设计时，在再冷凝器前按照冷能空分的LNG用量需求单独设置一路LNG高压泵，专供冷能空分使用，这样就会保证LNG冷能品质，增加液氮产量。

6 结论

(1)LNG冷能空分工艺与传统空分相比系统运行压力较低，利用LNG冷量对空压机和氮压机级间进行充分冷却，使二者的功耗大大降低。

(2)在氮气液化器中LNG冷量-153℃至-70℃的低温段先被氮气利用，大于-70℃的高温段LNG冷量用来冷却乙二醇冷却水，乙二醇冷却水再去冷却空气，LNG冷量被分段利用，传热温差小，LNG的冷量在空分装置中利用率较高。

(3)LNG冷能空分装置可以明显缩短设备启动时间，减少电能和液氮损耗。

[1] 郑小平,杨学军.LNG冷能利用的全液态空分[J].低温与超导，2009,37(10):8-11

[2] 李静，李志红，华贲.LNG冷能利用现状及发展前景[J].天然气工业，2005，25(5):103-105

[3] 毛绍融，朱朔元，周智勇.现代空分设备技术与操作原理[M].杭州：杭州出版社，2005：14-121

[4] 林庆瑞.LNG冷能空分装置液氮产量影响因素探讨[J].化学工程与装备，2012,5:100-102

[5] 马沛生.化工热力学[M].北京：化学工业出版社，2005：213-215

[6] 孙兰义.化工流程模拟实训—Aspen Plus教程[M].北京：化学工业出版社,2012：1-318

[7] 杨勇,陈贵军,王娟,等.某卷烟厂空调机组运行性能测试基于液化天然气(LNG)接收站冷量的空分流程模拟研究[J].节能,2014,(6):23-27

The Discussion and Analysis for Energy Saving of LNG Assist Air Separation Unit

GUO Yongchang1,2，HU Hui1

(1.Fuzhou university institute of petroleum and chemical,Fuzhou 350108；2.CNOOC Air Products and Chemicals(Fujian)Co.Ltd.,Putian 351158)

China imports a lot of LNG every year,it will release a large amount of cold energy in the process of LNG vaporizing.This paper introduces the first LNG assist air separation unit in China,by the means of comparing LNG assist air separation unit with air separation unit, we analyze the theory basis for energy saving of LNG assist air separation unit, and discuss the problems in the operation of LNG assist air separation unit.

Liquefied Natural Gas;Cold energy utilization;Air separation unit;Energy consumption;Energy saving

2016-7-20

郭永昌(1983-)，男，硕士，工程师，主要研究方向：分离工程。Email：hnsqgyc@163.com

ISSN1005-9180(2017)02-089-04

TB69 文献标示码：B

10.3969/J.ISSN.1005-9180.2017.02.020