基于E-P 分析法对LNG 接收站能耗的研究

董龙伟 王厚锐 （国家管网集团液化天然气接收站管理公司）

液化天然气LNG（Liquefied Natural Gas） 作为一种清洁能源被广泛应用于电力、冶炼、交通运输等行业。2021 年国内LNG 进口量1 089×108m3，同比增长18.3%[1]。伴随着我国经济的高速发展，天然气的消耗量快速增长[2]。LNG 接收站作为天然气的存储、加工及转输站被广泛的应用和建设，截至2021 年国内已建设投产23 座LNG 接收站。LNG 接收站既是清洁能源的提供者，同时也是电能、天然气能源的消耗者[3]。如何在“双碳”目标下建设运行低碳型LNG 接收站，成为当前LNG 接收站运营者所面临的问题。

目前，国内外学者对LNG 接收站节能方法进行了大量的研究[4]。REDDY 建立了BOG （Boil-Off Gas）压缩机流量与功率的计算模型，用于模拟计算压缩机的功率，提高其运行效率[5]。HARSHA 利用非线性规划公式（NLP）计算优化BOG 的处理能耗[6]。叶振成建立了MINLP 模型用于确定低压泵和BOG 压缩机的运行模式，减少外输能耗[7]。王诗航利用HYSYS 软件模拟LNG 接收站工艺流程参数优化，降低LNG 接收站总能耗[8]。杨勇等人对公用工程空压机、仪表气和氮气系统进行了节能优化改造，在保障气源稳定供应的同时减少空压机运行时间，降低辅助生产的用电量[9]。当前国内LNG 接收站能耗的研究多集中于BOG 的处理能耗的研究[10]，为此，文中重点应用E-P 法研究LNG 接收站主要耗能工序，建立LNG 接收站外输量与能耗的关系式，预测LNG 接收站月度能耗量。研究成果可为国内其他LNG 接收站进行能耗预测提供参考。

1 E-P 分析法

E-P 分析法是由陆忠武教授为解决钢铁企业综合能耗分析与统计提出的一种分析法。通过对E-P能耗分析法的单位进行适当的调整，以便于更好地用于LNG 接收站能耗的分析。在E-P 能耗分析法中，影响能耗的因素分为两类：产品比系数、工序能耗[11]。

1.1 产品比系数

LNG 接收站产品比系数，是指统计期内LNG 接收站各工序加工天然气的量与同期内该LNG 接收站加工天然气总量的比值。产品比系数计算公式为：

式中：pi为产品比系数；V为LNG 接收站加工天然气的总量，104m3；Vi为LNG 接收站第i道工序加工天然气的量，104m3。

LNG 接收站产品比系数是评价LNG 接收站气化外输情况主要指标，能够反映LNG 接收站加工天然气的主要方式，其数值的大小将直接影响天然的产品单耗。

1.2 工序能耗

LNG 接收站工序能耗，是指在统计周期内某一天然气加工工序生产单位万方天然气所消耗的电能。工序能耗计算公式为：

式中：ei为工序能耗，kWh/104m3；Wi为天然气加工某一工序所消耗的电量，kWh。

LNG 接收站工序能耗是评价LNG 接收站气化外输能耗的主要指标，能够反映LNG 接收站某一工序加工天然气为主要耗能过程，也是影响气化外输能耗的重要因素之一。

1.3 工艺能耗

LNG 接收站工艺能耗，是指是在统计周期内LNG 接收站加工所消耗的总电量与同期内该LNG 接收站天然气总的外输量的比值。工艺能耗计算公式为：

式中：E为LNG 接收站工艺能耗，kWh/104m3；W在统计周期内LNG 接收站加工所消耗的总电量，kWh。

由公式计算LNG 接收站工艺能耗无法真实体现LNG 加工成天然气过程中各个环节的多种因素对其影响。为此将LNG 接收站工艺能耗的定义式展开，用于详细分析天然气加工过程的影响因素。假设接收站将LNG 加工成天然气有n道生产工序，其中第i道生产工序的产品比系数为pi，工序能耗为ei，LNG 接收站工艺能耗E为：

由于LNG 加工成天然气过程中，除了直接加工消耗的电量，还应包括生产辅助设备正常运行所消耗的电量。生产辅助设备正常运行所消耗的电量不随每日加工量的变化而变化，其每日消耗的电量较为固定。为了便于用E-P 分析法对LNG 接收站加工能耗进行预测，将E-P 分析法进行部分修正。修正后的工艺能耗E为：

式中：p为LNG 接收站经归一化后的天然气的外输量，104m3；e为经归一化后单位天然气外输量所消耗的电量，104kWh/104m3；Wf为基本能耗，104kWh。

2 LNG 接收站工艺流程

以广西某LNG 接收站为例，对其工艺流程进行介绍。目前，该LNG 接收站拥有4 座16×104m3的LNG 储罐、16 台低压泵、7 台高压输送泵、7 台开架式海水气化器ORV（Open Rack Vaporizer）、5 台海水泵、20 台装车橇。LNG 接收站工艺流程见图1。

图1 LNG 接收站工艺流程Fig.1 Process flow of LNG receiving terminal

LNG 船到达卸船码头通过卸料臂将LNG 输送到岸侧，岸侧将LNG 通过卸料总管卸货进LNG 储罐。LNG 进入储罐后置换出的蒸发气BOG（Boil-Off Gas），通过气相返回臂返回到LNG 运输船的储舱中，以保持系统的压力平衡[12]。在运行过程中，LNG 蒸发产生的BOG 通过BOG 压缩机压缩后送入再冷凝器或者直接外输至下游用户[13]。储罐内的LNG 一部分经低压泵加压后输送至低压总管，由低压总管分输至槽车区，由装车橇装车后进行外运；另一部分LNG 输送至高压外输泵入口，与冷凝后的LNG 汇合，经高压输送泵增压后输送至ORV，利用海水泵抽取的海水将LNG 气化至0 ℃以上，气化后的NG（Natural Gas）经计量单元计量后外输至下游用户[14]。

3 LNG 接收站工艺能耗E-P 分析

采用E-P 分析法对广西某LNG 接收站1、2 月份的能耗进行分析。该LNG 接收站进行外输所涉及到的重点用能设备包括高压泵、低压泵、海水泵、BOG 压缩机。以1、2 月份该接收站重点用能设备的用电量为例，对该LNG 接收站工艺能耗进行E-P分析。重点用能设备用电量见表1。

表1 重点用能设备用电量Tab.1 Power consumption of key energy-consuming equipment104 kWh

根据LNG 接收站的工艺情况不同，一般将LNG接收站外输情况分为三类，即NG 高压外输、槽车外运、BOG 外输。LNG 接收站的外输量见表2。

表2 LNG 接收站的外输量Tab.2 Export volume of LNG receiving terminal108 m3

3.1 工艺能耗E-P 分析

如图1 所示，在LNG 接收站中NG 高压外输需要分别运行低压泵、高压泵、海水泵等重点用能设备。 NG 高压外输所消耗的电量为低压泵、高压泵、海水泵所消耗电量之和。槽车外输仅需运行低压泵。槽车外输消耗的电量为低压泵的电量（低压总管将LNG 分别输送给装车橇、高压泵，在计算槽车所用电量时可以将低压泵的总电量按照NG 高压外输量、槽车外输量的比例进行拆分）。BOG 外输需要运行BOG 压缩机。BOG 外输消耗的电量为BOG 压缩机消耗电量之和。LNG 接收站的工艺能耗见表3，将表1、表2 中的数据代入公式（1） ～（3）计算NG 高压外输工序能耗及产品比系数、槽车外输工序能耗及产品比系数、BOG 外输工序能耗及产品比系数以及LNG 接收站工艺能耗。

表3 LNG 接收站的工艺能耗Tab.3 Process energy consumption of LNG receiving terminal

分析表3 可知，该LNG 接收站工艺能耗2 月份低于1 月份。在工序能耗分析环节可知：NG 高压外输工序能耗1 月份及2 月份基本持平；槽车外输工序能耗1 月份低于2 月份；BOG 外输工序能耗2月份低于1 月份；BOG 外输为该接收站主要耗能工序。由上述结果分析并结合LNG 接收站工艺班组日常操作可知：2 月份槽车外输低压泵的运行与装车橇的匹配程度较差，存在部分低压泵出口回流较大的现象，低压泵的运行效率较低；BOG 受下游用户管道压力的影响，1 月份管线压力高，BOG 压缩机负荷由100%下调至75%，导致BOG 压缩机运行效率较低。

3.2 LNG 接收站E-P 能耗分析预测

通过E-P 分析法建立LNG 接收站经归一化的外输量与能耗关系式，接收站现场的能耗可以分别表示为基本能耗和可变能耗两种。拟合后的关系式能够用于预测接收站的外输能耗。测算方法如下：①将每日高压泵、海水泵、低压泵各自的总的用电量进行统计；②槽车单位外输量电耗=（NG 外输总量+槽车外输总量）/低压泵的总用电量；③NG 单位外输量电耗=NG 外输的总量/(高压泵+海水泵)总的用电量+槽车单位外输量电耗；④能耗比=NG 单位外输量电耗/槽车单位外输量电耗+槽车单位外输量电耗；⑤每日总的外输量（此外将槽车的外输量进行归一化处理）=（槽车外输总量/能耗比）+NG外输的总量；⑥将接收站每天的总的电量进行统计；⑦将每日总的用电量及每日归一化后的总外输量进行一次函数的拟合。以广西某LNG 接收站1 月份的外输数据及能耗数据为例，建立E-P 分析法能耗关系式。外输量与消耗电量的关系见图2。

图2 外输量与消耗电量关系Fig.2 Relation between export volume and energy consumption

通过分析图2 可知，LNG 接收站的外输量与接收站消耗的电量呈一次函数关系，通过数据拟合获得该一次函数的斜率和截距。该一次函数的斜率可以作为单位外输量消耗电量即为可变能耗，截距可以作为基本能耗。拟合的一次函数为：

E=0.012 29p+4.073 81（7）

通过对比式（1）中一次函数的斜率和截距可以判断该LNG 接收站在不同月份可变能耗与基本能耗的消耗情况，并由此判断该LNG 接收站能耗消耗最小的月份，有效避免了因气液比、外输量的差异导致产品单耗的波动。另外，在工艺班组操作程序不变、外输工况不变的情况下，可以用该方法预测次月的能耗。以某LNG 接收站2 月份每日的能耗和外输量数据作为基础数据，代入式（7）可以预测2月份的消耗电量为283.56×104kWh，与表1 中2 月份的总电量偏差率为2.62%，较为真实地预测了LNG 接收站月度用电量。

3.3 LNG 接收站E-P 分析外输量

LNG 接收站在NG 高压外输仅通过ORV 进行气化的工况下，LNG 接收站主要的能耗种类为电能，其他能耗可以忽略不计。年度单位产品单耗设定14.1 kgce/104m3(标况)的目标的前提下，建立槽车与NG 高压外输的关系式为：

式中：a为每日NG 外输量，104m3；b为每日槽车外输量，104m3，1.229 表示的是电能的折标煤系数，为固定值；14.1 表示目标产品单耗；9.323 表示NG 高压外输与槽车外输的能耗比。

结合式（7）～式（9）获得槽车与NG 高压外输的关系式：

广西某LNG 接收站，1 月份NG 高压外输量及槽车外输量的关系图见图3。

图3 1 月份NG 高压外输量及槽车外输量的关系Fig.3 Relationship between NG high-pressure export volume and tanker export volume in January

分析图3 可知，该LNG 接收站在1 月份能够满足单位产品单耗14.1 kgce/104m3(标况)目标的外输工况仅为3 d。通过关系式可知，在设定LNG 接收站单位产品单耗目标时，需同时考虑NG 高压外输量、槽车外输量以及该LNG 接收站基本能耗与可变能耗的情况。单位产品单耗目标设定后，为完成该目标，生产上通过优化工艺参数降低基本能耗与可变能耗，商务上可以通过商务沟通增加槽车的外输量。

4 结论

根据LNG 接收站气、液态外输形式的特点和能耗类型，提出了LNG 接收站能耗控制指标：基本能耗、可变能耗。由能耗指标建立了LNG 接收站外输系统的能耗E-P 分析法，采用该方法对广西某LNG接收站进行了月度能耗E-P 分析与预测，预测结果与实际测试结果偏差率为2.62%。

首次应用E-P 分析法对LNG 接收站的外输量进行分析，提出了通过生产工艺优化、商务沟通等方式完成产品单耗指标。E-P 分析法在LNG 接收站能耗预测的成功应用为国内LNG 接收站能耗分析及预测提供了一种新思路，未来可为国内外其他LNG 接收站运行能耗的分析及预测提供参考依据。