LNG接收站的能耗分析及生产优化研究

摘要：根据LNG接收站生产运营特点，通过对运营方式的深入了解，采集大量的相关数据，再运用先进的控制优化思想实现生产业务与信息技术的结合，从而使各项业务应用具有高度的使用性，合理安排生产调度计划，优化生产流程，对装置及设备进行能耗以及能耗影响因素进行关联性的量化分析，挖掘节能降本的潜力，从而实现对LNG接收站生产运营的精细化管理，指导合理化运营。通过对LNG接收站的能耗分析及生产优化研究，为数字化LNG提供了技术及理论基础，有效降低LNG接收站生产能耗及成本，挖掘LNG接收站生产潜能，实现降本增效。

关键词：能耗分析；生产优化；精细化管理；降本增效

一、引言

液化天然气（LNG）单位体积为同质量气态天然气体积的1/625，更易储运，热值高，性能高。LNG接收站作为海上引进天然气的终端和陆上天然气供应气源，在液化天然气产业链中至关重要，因而提高其运营效率、有效降低LNG生产成本对整个天然气产业链的成本影响重大。通过对LNG接收站生产运营情况的分析和评估，进行LNG接收站能耗分析、运行优化方面的研究，建立一套适合LNG接收站的能耗分析及运行优化整体解决方案，提升LNG接收站运营效率，降低生产运营成本，实现LNG接收站降低能耗、优化生产的目的。

二、LNG接收站现状及需求

LNG接收站的生产工艺比较简单，气态外输时，气化LNG所用的海水气化器主要以自然界的海水為热源，能源消耗主要在高压泵、海水泵[1]；液态外输时，直接向槽车装罐LNG，能源消耗主要在低压泵。此外，处理蒸发气使用的是BOG压缩机。这些输送设备都是以电力为驱动的，因此LNG接收站绝大部分消耗在电力上。

功率最大的为高压泵，其次为海水泵，但这两种泵只是在执行气态外输时才开启。而BOG压缩机虽然功率小于以上两种设备，但为了保证储罐和管道不超压，蒸发气必须时刻进行处理，或者进入冷凝器冷凝，或者送入外输管道，因此BOG压缩机需要长时间开启。对LNG接收站来说，高压泵和BOG压缩机几乎占到全站设备用电的一半。

三、 整体方案设计

LNG接收站能耗分析及生产优化系统软件平台采用C/S + B/S混合模式来进行软件部署，如：运行优化等计算类软件模块的离线建模过程采用C/S方式，运行优化模块的在线功能以及其他功能模块则采用B/S方式。

四、能耗与能效分析

本模块通过分析装置、设备的能耗特点，寻找影响能耗的主要影响因素，以指标系统为驱动，以实时数据库的数据为基础，对装置、设备的能耗以及能耗影响因素进行关联性的量化分析，为挖掘节能降本的潜力提供数据支撑。

（一）工序能耗分析

工序能耗分析根据工序的能耗特点，寻找影响工序能耗的主要影响因素，以指标系统为驱动，以实时数据库的数据为基础，对工序能耗以及工序能耗影响因素进行关联性的量化分析。工序能耗分析包括工序能耗关联分析、工序能耗对标分析、工序间能耗对比分析、工序开工率和同比、环比分析等。

（二）设备能效分析

通过实时采集主要耗能设备的进出口数据、设备负荷和关键工艺数据，建立相依的能效分析模型，实时计算设备的能效情况并进行监控，比对设备的能效界限设定值，进行实时能效报警，同时通过趋势图方式提供历史能效数据的回溯和分析，并以重点设备能效日报的方式进行能效管理，为企业实现能源精细化管理提供有力支持。在实时计算设备的能耗和能效数据的基础上，建立能耗、能效与运行参数的关联模型，确定在不同负载率情况下的设备能效和能耗正常范围，并实时判断当前的能耗和能效数据是否在合理范围内，跟踪超出正常范围的数据点，达到一定条件后将会触发异常报警，找出能耗能效异常原因并及时解决问题，从而有效提高能效和降低能耗。

五、运行优化

通过“能耗与能效分析”模块对LNG接收站能耗的使用情况进行分析，发现有一定节能降本空间的潜力点后，利用“运行优化”模块对LNG接收站的生产运行进行优化指导和调度，提升LNG接收站运营效率，降低生产运行能耗和成本。

（一）多设备组合运行优化

当多台设备共同执行一定的输送任务，且该输送任务小于所有设备最大出力的总和时，由于各台设备的效率不同，存在每一个设备出力多少的分配策略问题。此外，当有备用设备或者输送任务较小不需要全部设备开启时，还存在各设备开启或关闭的选择问题。因此，可以根据单台设备的效率的差异，对各设备的启停和出力进行优化组合，实现节能目标。

多设备组合运行优化模型为混合整数规划（线性或非线性）模型，如果是非线性模型，需要采用高效的方法将其转化成混合整数线性规划模型，然后利用系统给出的算法进行求解。多设备组合运行优化模型由目标函数、约束条件和操作变量构成。多设备组合运行优化模型的目标函数为：

（1）

E—总能量消耗；

ki—0、1变量，第i台设备开关变量，0表示关机，1表示开机；

Ei—第i台设备能量消耗。

多设备组合运行优化模型的约束条件包括输送任务约束、能量需求约束、开停机约束和设备约束等。

输送任务约束：

（2）

T—总输送任务；

ti—第i台设备的输送量。

能量需求约束：

（3）

f i（ ）—第i台设备的输送量与能量消耗的函数。

开停机约束：

ki=0 or 1                          （4）

ki—第i台设备开关变量，只能取0或1。

设备约束：

（5）

—第i台设备输送能力的最小值

—第i台设备输送能力的最大值（或额定值）

（二）生产调度优化

LNG接收站作为来料加工企业，其生产受到上游（LNG原料的到站）、下游（客户需求、管网调度等）和自身运行状况的影响。生产计划调度优化技术用于指导在线生产计划的排程与调度，该技术基于生产任务、订单等信息，以计划和调度周期内能源消耗最少、生产成本最低为最优目标，将现场可调节的手段（如安排槽车集中灌装、提前或延后设备检修等）作为决策变量，将现场必须满足的条件作为约束条件，建立计划调度优化模型。该模型为混合整数线性规划模型。

生产计划调度优化模型的核心思想是以未来一段时间内的运行成本最低为目标，通过优化低压泵开启时间、装车撬开启台数和开启时间、设备检修时间等，减少用电量的消耗，减少电价峰时段的设备运行时间，实现节能减排、降本增效的目标。

生产计划调度优化模型由目标函数、约束条件和操作变量构成。生产计划调度优化模型的目标函数为：

（6）

C—在u时段内生产计划执行成本；

ci—单位时间执行第i项生产任务产生的成本；

ti—第i项生产任务执行的时间；

pi—单位时间第i项生产任务未按时执行的罚值；

tpi—第i项生产任务未按时执行的时间。

等式右边第一项计算了执行完各项生产任务所产生的成本，第二项确保各项生产任务尽量按计划完成。整个目标函数表示计划调度优化的目的是为了使计划执行时总的成本为最小。

生产计划调度优化模型的约束条件包括任务互斥约束、任务执行顺序约束、任务执行时间约束、操作约束和装置约束等。

任务互斥约束：

（7）

ki，kj—第i、j项任务执行与否变量，只能取0或1，0表示不执行，1表示执行。上式表明当两项任务不能同时执行时，只能选择其中一个执行。比如检修人员在进行设备检修时，不可能同时检修A设备的同时又检修B设备，只能选择A和B之一进行检修。

任务执行顺序约束：

（8）

a—执行时间段；

?t—上一个任务执行完后，下一个任务执行的时间

上式表明前一个任务执行完毕后，后续任务必须跟进执行。保证任务之间的衔接必须及时。

任务执行时间约束：

（9）

S—一组任务完成的时间；

上式表明一组任务必须在规定时间内完成。

父任务与子任务约束：

（10）

上式表明子任务执行时间不能超父任务执行时间。比如槽车灌装必须在低压泵启动之后才能灌装，而且灌装时间必然小于低压泵开启时间，作为父任务（低压泵开启）执行时间必须大于子任务（槽车灌装）执行时间。

（三）输送优化

LNG接收站的电能消耗是主要能耗，电费占LNG接收站运行费用的很大一部分。因此，节约电耗，同时节约用电成本，是促进LNG接收站降本增效的有效手段。

为了提高用电效率，很多地区采取了调峰的措施[2]。LNG接收站的主管道比较长，有一定的管存量。在电价的谷时段适当增加设备出力，提高管道压力增加管存量。在电价的高平时段适当降低设备出力，而利用多余的管存量进行外输。这样利用电价的峰谷平和管道的管存来调节生产节奏，采取错时用电的措施以节约用电成本。

根据峰谷平电价的时间段结合管道压力升降速率，并合理利用管道内的管存，将输送计划按照最佳的执行时段进行分段。在满足负荷要求的情况下，优化设备输送量，最大限度地降低用电费用。此外，如果输送量较大需要多台设备同时运行时，结合前述“多设备组合运行优化”模块功能，还可将分段好的输送计划优化分解为各设备（泵）的输送任务。

输送优化模型由目标函数、约束条件和操作变量组成。

目标函数：

（11）

C—输送成本；

ci—各时段输送成本，分为峰、平、谷三个时段。

约束条件：

输送成本约束：

（12）

u—该时段内的电价；

e—该时段内的执行输送任务的用电量。

用电量约束：

e=f（Q）                                        （13）

Q—設备输送量；

f（）—用电量与设备输送量的函数

管道压力约束：

（14）

—执行输送任务后的管道压力；

p—执行输送任务前的管道压力；

L—输送负荷；

y—执行输送任务前的管存量；

t—执行输送任务的时间；

?t—管道升降压时间；

f（）—执行输送任务后的管道压力与执行输送任务前的管道压力、输送负荷、设备输送量、执行输送任务前的管存量、执行输送任务的时间、执行输送任务的时间的函数；

pmin—管道压力最小值；

pmax—管道压力最大值。

六、海水用量优化

开架式气化器（ORV）用于液化天然气的加热气化。根据环保要求，海水换热前后最大温差不超过5℃，为达到这一指标，通常以最大限度地保证海水的供给，导致供应的海水使用量过大，海水泵常常处于高负荷运行状态，造成大量的电能浪费[3]。

基于传热原理、物性模型及设备模型，结合工艺要求、实时工况等工艺参数，计算出ORV实际所需的海水量，进而科学调节海水泵的负荷，以达到节电降耗的目的。通过开架式气化器的结构参数，工艺操作参数得到各种传热系数，然后通过换热基本方程得到在保证海水进出口温度差小于5℃的情况下，当前气化的LNG所需实际的海水量，将此结果输出给现场操作人员以供其对海水量进行调整。

七、结束语

通过上述研究，建立了包括能耗及能效分析模型、计划调度优化模型、输送优化模型、海水气化器换热优化模型在内的多个LNG接收站能耗分析及生产优化数学模型，建立了一套具备能耗分析、运行优化等多重功能的LNG接收站整体解决方案，同时该系统在落地点LNG接收站投运应用良好，加强了生产管控能力，降低了生产运营成本，实现电能耗降低2%的目标，研究成果具有较好的推广应用价值。

作者单位：杨雪松  中海油信息科技有限公司天津分公司

参  考  文  献

[1] 苏阳.基于LNG接收站气化外输单位电耗计算的生产模型探讨[J].广东化工，2020（17）：45.

[2] 李圣彦.长三角地区储气库、LNG与管网调峰策略[J].北京石油管理干部学院学报，2021（03）：42-43.

[3] 唐永娜.唐山LNG接收站海水泵运行优化方案研究[J].科学管理，2016（04）：204.