LNG接收站空压制氮系统联合设计

郑志功， 仇德朋

(1.福建工程学院 生态环境与城市建设学院， 福建 福州 350118；2.中海油山东化学工程有限公司， 山东 济南 250101)

LNG接收站空压制氮系统联合设计

郑志功1， 仇德朋2

(1.福建工程学院 生态环境与城市建设学院， 福建 福州 350118；2.中海油山东化学工程有限公司， 山东 济南 250101)

将LNG接收站中空压系统和制氮系统联合设计，由3台空压机(2开1备)向整个系统供气，3台空压机均采用无油螺杆空压机，其中1台常开空压机采用变频技术。通过流程优化及采用新技术，联合设计不仅能提高整个空压制氮系统的安全性，设备易于维修和保养，而且降低设备的运行费用。

联合设计; 变频空压机; 无油螺杆空压机; 运行费用

空压系统和制氮系统是LNG接收站重要的辅助工程系统[1]。空压系统主要为全厂提供仪表空气和工厂空气，其中仪表空气供各阀门、执行器等使用，工厂空气供吹扫等所用[2]；制氮系统主要为全厂提供氮气资源，为卸料臂、装车臂等吹扫、排净所用[3]，在大多数的LNG接收站设计中，空压系统和制氮系统均为相互并行的两个系统。

在广东某LNG接收站设计中，将空压系统和制氮系统进行联合优化设计，并采用最新的变频电机和无油螺杆压缩机技术，为全厂提供更加稳定和高品质的压缩空气和氮气，提高全厂供气安全性。以下拟从工艺流程设计、设备选型、设备运行费用等几个方面进行对比，探讨其工艺可行性及优势。

1 设计背景

该LNG接收站项目，空压系统需压缩空气730 N·m3/h、压缩空气压力1.0 MPa(其中工厂空气需200 N·m3/h，仪表空气需530 N·m3/h)；氮气系统需提供氮气190 N·m3/h、压缩空气压力0.8 MPa，采用膜制氮方式制取(液氮储罐供气作为备用)，需压缩空气用量550 N·m3/h、压缩空气压力1.0 MPa，两者合并后共需压缩空气1 080 N·m3/h-1、压缩空气压力1.0 MPa。

2 设计方案

2.1 现有空压站设计现状

LNG接收站现有的空压系统和制氮系统流程(方案1)如图1、2所示。

图1 空压系统工艺流程图Fig.1 Process flow diagram of air compressor system

图2 制氮系统工艺流程图 Fig.2 Process flow diagram of nitrogen generation system

从图1可知，空压系统需要两台空压机(1开1备)，向系统提供压缩空气，分为两个分支，其中1支经湿空气储罐缓冲后进入工厂空气管网，另1支经空气干燥成套包干燥、仪表空气储罐缓冲后进入仪表空气管网。

从图2可知，制氮系统由膜制氮和液氮组合供气，需1台空压机向膜制氮成套包提供压缩空气，制备的氮气经氮气储罐缓冲后进入氮气管网，另有1台液氮储罐，其中的液氮经液氮气化器气化与膜制氮所得氮气混合，经氮气储罐缓冲后进入氮气管网。

2.2 流程优化

经优化后的LNG接收站空压制氮系统流程(方案2)如图3所示。通过优化将空压系统和制氮系统进行联合设计，由3台空压机(两开1备)向整个系统提供压缩空气，分为3个分支，其中第1分支制备工厂空气，第2分支制备仪表空气，第3分支制备氮气;自氮气储罐出口管道引出1支管至仪表空气管道，在紧急情况下，可用液氮系统产出的氮气填补仪表空气供应的不足。系统中的湿空气储罐、干燥成套包、仪表空气、储罐膜制氮成套包、液氮储罐等其余设备与方案1相同。

图3 空压制氮系统工艺流程图Fig.3 Process flow diagram of optimized air compressor and nitrogen generation systems

通过对流程的优化设计可以看出以下优点。

(1)降低空压机故障几率。空压制氮系统中3台空压机互为备用，可减少单台空压机发生故障的几率，提高空压制氮系统的稳定性，进而提高全厂供气的安全性。

(2)用氮气补充仪表空气需求量，提高仪表空气安全性。用氮气补充仪表空气，在全厂断电的紧急情况下，可将氮气至仪表空气的管路连通，可由液氮系统产出的氮气补充仪表空气，增加仪表空气系统的安全性。

(3)简化工艺流程。将空压系统和制氮系统合并为空压制氮系统，有效地简化了工艺流程，减少工艺计算量，促进工艺设计的进行。

(4)优化设备布置，缩小占地面积。设备及管道不再分装置划区分布，无需考虑装置的间距，可将空压机、储罐等设备集中布置，搭建共用厂房，使设备布置更加紧凑，相比两个系统可有效地缩小占地面积。

(5)利于配管和施工。将统一进行管道布置、共同计算和设置管廊和管架，更加有利于配管设计和施工。

3 设备选型

根据设计要求，空压站压缩空气用量730 N·m3/h、压缩空气压力1.0 MPa，制氮系统压缩空气用量550 N·m3/h、压缩空气压力1.0 MPa，压力相同，存在优化设计的空间；方案1和方案2的空压机选型对比如表1所示。

表1 空压机选型对比分析

经优化设计后，采用3台气量为650 Nm3/h、空气压力1.0 MPa的空压机提供压缩空气，2开1备，系统中3台空压机排气量同为650 Nm3/h，不仅可以减少备品备件的储存量，更易于维修和保养，减少土建计算量，降低设计、施工过程中的工作量。

3.1 降低1类负荷用电量

空压制氮系统作为重要的辅助公用工程，为仪表空气提供压缩空气的空压机需设置为1类用电负荷，方案2中空压机功率相比方案1减少了15 kW(方案1为90 kW，方案2为75 kW)，从而降低了应急发电机的功率，有效地减少应急发电机的采购费用。

3.2 变频电机的设置

根据厂家统计，在全厂正常运转，无卸船工况下(卸船周期最短为1周，卸船时间为1 d)，卸料系统等部分执行器并无连续调节等动作，其他系统调节阀亦为始终处于调节状态，此时仪表空气用量始终处于浮动状态，且最大用量约为400 Nm3/h(需压缩空气460 Nm3/h)；工厂空气为设备吹扫之用，为间歇用量，在实际中可用湿空气储罐缓冲提供；卸料系统无需通过氮气吹扫，槽车系统等需氮气吹扫，且根据槽车装车的数量上下浮动，最大氮气用量约为35 Nm3/h，需压缩空气110 Nm3/h，此工况下总需空压机的最大供气量为570 Nm3/h，1台空压机即可满足需求。

由于用气量的频繁波动，可设置其中1台常开空压机采用变频技术，最大功率75 kW，即可满足全厂日常所需(无卸船工况)，变频技术的采用还具有以下优点。

(1) 提高用电效率，降低用电负荷。空压系统和制氮系统仅需1台变频空压机运作，即可有效地应对工厂用气量的频繁浮动，使空压机始终处于最佳运转状态，可有效地减少用电量，降低空压机损耗(无需频繁启停)，延长使用寿命[4]。

(2)提高压力控制精度[5]，保证最佳制氮效率。在膜制氮环节，压缩空气压力保持1.0 MPa时，制氮效率最高。通过变频电机的设置，空压机可动态调节压缩空气的供应量，无需根据出口压力频繁启停，压力控制更加精确，确保制氮膜组处于最佳工作效率。

3.3 无油螺杆压缩机的选用

现有的空压站和制氮系统中，一般采用喷油或微油螺杆压缩机为系统提供压缩空气，主要通过多级管道过滤器去除压缩空气中的油分，但油分芯存在可能被击穿的风险， 油分芯一旦击穿，机油将被打入管道系统。

本设计采用最新型的无油螺杆压缩机为系统提供压缩空气，主要考虑到以下几个方面。

(1)提供高品质仪表空气。甲烷与油气混合，会大大增加爆炸的风险，采用无油螺杆压缩机，压缩空气不含油分，将大大增加LNG接收站的安全性。

(2)提供高品质的氮气。LNG接收站的氮气主要用于接船系统和槽车系统卸料臂和装车臂的吹扫，若氮气中含有油分，通过吹扫，油分将直接进入LNG中，采用无油螺杆压缩机，将降低该风险。

(3)降低制氮所用膜被污染的风险。制氮分离所用的膜极易被油分污染，造成膜中毒损坏，采用无油螺杆压缩机，可以从根源上避免膜中毒的风险。

4 设备运行费用

在无卸船工况下，方案1空压系统和制氮系统各有一台空压机运行，两台空压机一直处于工频状态，需频繁启停；方案2，正常情况下仅需1台变频空压机在小于75 kW功率下浮动运行，即可满足全厂压缩空气所需用量，另1台工频空压机处于联动状态，优先启动变频空压机，无需频繁启停，同时压力控制更为精确，可减少空气干燥器中填料的损耗。

经测算，方案2比方案1的年均空压机运行费用降低约10%(约为5.7万元)，按照LNG接收站25 a的设计寿命，则在接收站生命周期内总共可节省约175万元，有效地提高了经济效益。

5 结论

通过对空压制氮站的联合优化设计，主要有两个方面的改进：一是将两个系统空压机联合设计，采用3台空压机共同为系统提供压缩空气；二是将3台空压机中的1台设置为变频电机，保障全厂压缩空气的日常所用。经优化后的工艺流程主要有以下几个方面的优势。

(1)经过流程优化，多台空压机互为备用，降低空压机发生故障的几率；紧急情况下，通过氮气补充仪表空气的需求，提高系统的安全性。

(2)降低一类负荷用电量，减少应急发电机采购费用。

(3)选用变频电机，提高用电效率，降低用电负荷，同时提高压力控制精度，维持最佳制氮效率。

(4)采用无油螺杆压缩机，从根源上确保仪表空气、氮气系统中不含油分，增加LNG接收站安全性，同时降低制氮膜组中毒、失效的风险。

(5)降低设备的运行费用，有效地提高经济效益。

[1] 杨烨,许克军,彭斌望，等.大型LNG工厂空压制氮单元作用[J].石油和化工设备,2014,17(7):34-36.

[2] 郭雷,徐国峰,许荣国，等.浅谈LNG接收站及液化站的空压制氮工艺设计[J].化工设计,2013,23(3):21-23.

[3] 张水红,刘召. LNG接收站组合供氮系统运行分析[J].油气储运,2012,31(S0):26-29.

[4] 钱建慧.变频节能技术在空压站中的应用分析[J].电力需求侧管理,2015,17(2):35-37.

[5] 梁艳娟.空压机变频改造节能技术的研究与应用[J].制造业自动化,2011,33(13):153-156.

(特约编辑：黄家瑜)

Co-design for air compressor and nitrogen generation systems of LNG terminal

Zheng Zhigong1, Qiu Depeng2

(1. College of Ecological Environment and Urban Construction， Fujian University of Technology，Fuzhou 350118， China； 2. CNOOC Shandong Chemical Engineering Co., Ltd., Jinan 250101， China)

Co-design for air compressor and nitrogen generation systems of LNG terminal was studied. Compress air of the whole system was supplied by three air compressors (2 in operation, 1 stand-by). Oil-free screw air compressors were selected，while one of the running air compressors was driven by variable-frequency motor. The results indicate that by means of process optimization design and new technology, the co-design system is improved in the security with convenient maintenance and reduced operation cost.

co-design; variable-frequency air compressor; oil-free screw air compressor; operation cost

10.3969/j.issn.1672-4348.2017.01.008

2016-09-29

郑志功(1983- )，男，河南汝州人，工程师，硕士，研究方向：化工传质与分离及催化剂。

TE821；TH418

A

1672-4348(2017)01-0035-04