降低LNG接收站首次启动高压外输系统用电量工艺研究

国家管网集团北海液化天然有限责任公司 张长江

1 引言

我国对天然气量需求越来越大。进口的液化天然气经LNG 接收站卸料、储存、气化等工艺单元加工外输至下游。LNG 经接收站有三种外输方式，分别是第一种低压LNG 槽车外输方式；第二种低压BOG 直供外输方式；第三种是高压LNG 气化外输方式。其中高压LNG 气化方式是LNG 外输是接收站最重要的外输方式，具有安全性高，外输量大等优点，是大部分接收站首选外输方式。根据下游天然气管网的用气需求LNG 接收站起着下游天然气的调峰作用。按照天然气管网的用气需求变化量决定了LNG 接收站每2d 启停1次外输系统以及每次提前1h 的特点。提前1h 启动海水泵投用ORV 的海水系统、启动高压泵预冷ORV 入口LNG管道为高压LNG 气化外输做准备工作。此高压外输系统的工艺启输方法，具有安全风险高、耗电量大的缺点，为了降低启动高压外输系统的耗电量将原有工艺技术进行改为低压零输出循环保冷的LNG 预冷ORV 入口LNG 管道的工艺技术，新工艺的优点就是耗电量小，安全风险低、生产准备工作充足等。

2 能耗分析

LNG 接收站高压LNG 气化外输系统是由高压泵、海水泵、ORV 三大设备组成，功率依次2200kW、900kW，其中启动一台高压泵需要配套启动一台低压泵，低压泵的功率为220kW。因此，影响高压外输系统耗电的因素如下。

一是从设备功率分析，设备的耗电量跟功率是密不可分的，功率越大耗电量就越大。耗电量最大的设备是高压泵，运行1h 需要2200kWh电，接收站每次启动高压LNG 外输系统时都需要大约1h 来预冷ORV 的入口管道。因此，LNG 接收站高压LNG 气化外输系统1h 内产生的用电量=低压泵用电+高压泵用电+海水泵用电=220kWh+2200kWh+900kWh=3320kWh。

二是从接收站首次高压外输启输工艺的频次分析，如果LNG 接收站低能耗运行状态需要在额定负荷下不间断地气化外输。由于下游用气需求LNG 接收站不满足常年连续运行的条件。经统计20 21年全年某LNG 接收站气化外数量为191163.2285×104m3按照此LNG 接收站ORV 满负荷运行600万m2每天要求，根据全年此LNG 接收站的生产量统计出高压外输系统启输频次见表1。

表1 LNG 接收站首次高压外输系统启输频次统计

从表中得出其中全年LNG 接收站连续零外输18次，间断高压外输系统启输（单日外输量小于600万m2）有80次，总计全年LNG 接收站高压外输系统启输98次。

综合两点分析得到，根据现有高压外输系统启输工艺即启输一条高压外输系统从开始ORV 预冷到结束的耗电量等于3300kWh。2021年全年高压外输系统从开始ORV 预冷到结束所耗电量为237160kWh。在没有向下游管道输气时接收站的用电损耗增加多了237160kWh 电，极大地降低企业的利润，为了给企业增加盈利点，需要对高压外输系统启输工艺进行技术改进来提高企业盈利能力。

3 高压外输系统启输工艺的改进

在实际生产中发现LNG 接收站的高压外输系统启输工艺能耗较高存在很大的改进空间，经过对LNG 接收站的高压外输系统启输工艺能耗较高原因分析得出LNG 接收站启动高压泵后需要用高压的LNG 对高压泵至ORV 入口的LNG 管道进行预冷，耗时约1h。为了企业的提质增效需要在原有的高压外输系统启输工艺的基础上进行技术改进。采用LNG 接收站的低压零输出循环保冷的LNG 预冷高压泵出口至ORV 入口LNG 管道，采取这种预冷ORV 入口LNG 管道的工艺技术，将在原有接收站首次启动高压外输系统的工艺基础之上可节约2420kWh 电，具体的技术改进如下。

原有的LNG 接收站的高压外输系统启输工艺如图1所示。启动海水泵SWP 投用ORV 将海水调节到符合ORV 运行的工艺条件，导通ORV 至计量撬的工艺流程确认LNG 接收站至下游管道的工艺流程是导通状态，关闭零外输循环，启动高压外输泵HP预冷ORV，大约需要1h，然后正常外输。

图1 LNG 接收站高压外输系统

为了节约1h 所用高压LNG 预冷高压泵至ORV入口的LNG 管道所产生的用电量，在LNG 接收站的高压外输系统启输工艺的基础上，改为用LNG 接收站低压零输出循环保冷的LNG 预冷高压泵出口至ORV入口LNG 管道，具体的改进的预冷工艺流程如下。

一是关闭5号阀门、6号阀门、8号阀门打开9号阀门对ORV 本体开始隔离卸压，待ORV 压力降至0MPa 时关闭9号阀门启动海水泵投用ORV 并调节好海水的分布；二是微量打开6号阀门对ORV 进行预冷，在预冷过程中会产生大量的BOG 气体造成ORV 本体压力升高影响预冷速率。若预冷速率下降ORV 本体压力升高可以适当打开9号阀门对ORV本体卸压，预冷的速率由6号阀控制，预冷完成后关闭8号阀门、9号阀门；三是按照操作规程启动高压外输泵开始缓慢打开6号阀门对5号阀门前后进行均压待5号阀门前和8号阀门后的压力相同时依次打开8号阀门、5号阀门标志着技术改进后高压外输系统的建立；四是一般LNG 管道采用的是奥氏不锈钢材料制作，其具有优秀的低温性能但是线性膨胀系数较大，在LNG 温度条件下奥氏不锈钢的收缩率是3‰，因此在预冷时做好防护措施防止出现冷收缩造成LNG 管道损害[1]，从而在预冷过程中过程检查ORV 入口的LNG 管道的完整性,具体要求包括[2]：检查低温材料有没有低温开裂现象；检查低温管道焊接部位有无裂纹，特别是法兰焊接部位；检查管道冷缩量和管托支撑变化；检查低温阀门的密封性和灵活性，检查是否冻住；检查法兰连接部位是否泄漏，螺栓是否因冷缩而使预紧力减小。

4 高压外输系统启输工艺技术改进优点

LNG 接收站自投产以来采用现有高压外输启输工艺，此种启输操作具有能耗高、高压LNG 预冷ORV 入口LNG 管道泄漏风险大、高压的LNG 对管道带来的冲击危害大、容易造成ORV 入口连接流量计的法兰面泄漏等缺点。由于此原因，从投产以来多次造成ORV 入口连接流量计的法兰面泄漏，延长启输时间，造成的能耗大，并且给下游管道带来了断供的风险。如果改为低压零输出循环保冷的LNG 预冷高压泵出口至ORV 入口LNG 管道新工艺技术优点。一是能有效的控制预冷速率从而降低了LNG 管道位移量的风险。避免了ORV 入口连接流量计的法兰面由于预冷受热不均匀造成应力发生变化出现LNG 泄漏；二是有充足的时间高压外输线建立的准备工作，极大地降低了由于准备工作不充分造成的风险。有效的提高了操作人员技能。特别是对岗位不熟悉的新操作人员有更好的应急准备，避免了新操作人员心里对高压LNG 泄漏产生伤害的恐惧。

5 储罐压力的影响

新改进预冷工艺技术通过ORV 入口的5号阀门的DN50旁通进入ORV 入口LNG 管道进行预冷，通过新工艺技术预冷对储罐压力的影响计算得知，1h 预冷ORV 入口LNG 管道所需要的LNG 的体积流量，依据计算在实际工程中应用，LNG 管道内流速（V）受很多因素影响（使用压力、管道通径、使用流量等），所以合理的流速应根据经济权衡决定。一般LNG 液体流速为0.5～3m/s，NG 气体流速为10～30m/s。因为低压LNG 管道的压力一般在0.75MPa，在0.75MPa 下的压力取流速为0.5m/s，管道内径50mm 取6号阀所在的位置截面为参考面，介质在1h 内流经管道截面的流量有：

式中:Q 为工况流量（m³）；V 为介质流速（m/s）；R 为管道半径（m）；得到流量计算式：

产生BOG 的体积为= 每h 的流量V×600=3.54×600=2122（m3）

经过计算得到，预冷ORV 产生的BOG 蒸发气约为2122m3，进入BOG 系统会造成储罐压力上升，实际生产中，只考虑储罐的气相空间，以储罐的气相空间主体作为BOG 蒸发气储存容器，按照LNG接收站有4个内径80m的LNG 储罐，每个储罐有10m 的气相空间，LNG 接收站储罐压力变化多少可以通过计算得知：

式中：V 为储罐缓存气体积（m³）；D 为LNG储罐内罐直径（m）；h 为LNG 储罐气相空间高度（计算时要考虑四个LNG 储罐）（m）；P 为LNG 储罐气相空间压力（kPa）。

通过计算得到在预冷ORV 入口LNG 管道产生的BOG 蒸发气会造成储罐压力上升1.06kPa，LNG接收站压力在可控的范围内可以通过低压LNG 预冷ORV 入口的LNG 管道，对LNG 接收站节能减排起着重要的作用，若LNG 接收站储罐的压力在高位运行，则不建议采取这样的新工艺进行预冷[2]。

6 经济效益

随着国际天然气价格上涨，国内天然气进口量下降导致沿海LNG 接收站经营压力增大，国内各LNG 接收站提质增效挖掘自身的潜力，LNG 接收站实施节能降耗措施通过改进的新工艺技术可以为企业创造可观利益，经统计2021年全年LNG 连续零外输共18次，间断高压外输系统启输（单日外输量小于600万m2）共80次，总计全年高压外输系统启输共98次，如果采用新工艺技术建立高压外输系统每次可节约用电2420kWh，从2022年4月1日起，广西工业用电实行峰平谷段收取电价，按照平时段0.576元计算。建立一次高压外输系统可节约生产成本= 电价× 耗电量×1=0.576 ×2420=1393.92（元）。按照此技术2021年可节约生产成本=每次高压外输系统可节约生产成本×98=136604.16（元），由于LNG 接收站短期内作为调峰站使用没有连续的高压外输。

7 结语

为了提高企业的利润，减轻企业面临经营压力，节能降耗成为企业节约生产成本主流，因此采用低压零输出循环保冷的LNG 预冷ORV 入口LNG 管道替代高压LNG 预冷ORV 入口LNG 管道的技术不仅技术可行同时也为操作人员建立高压外输做更充分的准备工作，避免准备工作不充分造成意外风险，采用此技术为企业节能降耗起着重要作用，以此总结经验，为后续企业的技改奠定基础。也为企业培养后备技术骨干创造学习条件。