LNG接收站海水泵及高壓泵變頻節(jié)能探究①

李 鑫　陳 帥

1.新疆華隆油田科技股份有限公司　2.中石油大連液化天然氣有限公司

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LNG接收站海水泵及高壓泵變頻節(jié)能探究①

李 鑫1陳 帥2

1.新疆華隆油田科技股份有限公司2.中石油大連液化天然氣有限公司

國內(nèi)LNG接收站通常采用一臺(tái)海水泵額定流量運(yùn)轉(zhuǎn)為一臺(tái)開架式氣化器(ORV)提供海水的模式氣化LNG，非冬季運(yùn)行，由于海水溫度較高、外輸天然氣流量較小，ORV所需海水流量小于海水泵額定流量。所以，此運(yùn)行模式普遍存在能耗過剩。同時(shí)，由于外輸天然氣壓力調(diào)節(jié)范圍較大，而高壓泵只能提供其額定出口壓力。因此，當(dāng)外輸天然氣壓力較小時(shí)，高壓泵出口壓力過剩，導(dǎo)致能耗過剩。為了解決海水泵、高壓泵能耗過剩問題，開展了對(duì)其變頻節(jié)能的探究。首先,分析了海水泵、高壓泵變頻的必要性；然后,以海水泵為例，以其特性曲線為基礎(chǔ)，計(jì)算了海水泵工頻出口壓力及電機(jī)功率，再運(yùn)用二分法及泵相似理論計(jì)算了海水泵變頻電機(jī)功率；之后對(duì)海水泵及高壓泵工頻計(jì)算進(jìn)行了誤差分析，最大相對(duì)誤差為3.5%；最后,通過能耗對(duì)比發(fā)現(xiàn)：海水泵采用變頻，每年可節(jié)省電能39.41%；高壓泵采用變頻，每年可節(jié)省電能47.39%；采用海水泵、高壓泵變頻,接收站每年可節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本約426萬元。

LNG接收站海水泵開架式氣化器能耗過剩高壓泵變頻節(jié)能

LNG接收站(以下簡(jiǎn)稱“接收站”)氣化外輸工藝涉及的機(jī)泵包括低壓泵、海水泵和高壓泵[1-3]。LNG經(jīng)低壓泵一次加壓送至高壓泵,經(jīng)高壓泵二次加壓后的LNG被氣化器氣化后輸送至外輸管網(wǎng)。其中，低壓泵屬于小揚(yáng)程、小流量機(jī)泵，運(yùn)行功率較小；而高壓泵則屬于大揚(yáng)程、小流量機(jī)泵，其額定出口壓力(表壓，以下所有壓力均為表壓)可達(dá)11.5 MPa，是接收站功率最大的機(jī)泵；海水泵則為開架式氣化器(ORV)提供海水來氣化LNG，雖然其揚(yáng)程較小，但出口流量較大，運(yùn)行功率也較大。因此，從機(jī)泵自身特性出發(fā)，海水泵和高壓泵存在變頻節(jié)能的可能性。

1　海水泵及高壓泵變頻必要性分析

1.1海水泵流量過剩

目前,國內(nèi)通常采用一臺(tái)海水泵額定流量運(yùn)行為一臺(tái)ORV提供海水的模式運(yùn)行,但ORV氣化的LNG流量是隨著外輸天然氣需求量(以下簡(jiǎn)稱“外輸量”)的變化而改變的；并且ORV氣化LNG所需海水流量又主要受LNG流量和海水溫度的影響。當(dāng)LNG流量增加時(shí)，所需海水流量也增加。同時(shí)，當(dāng)海水溫度升高時(shí)，所需海水流量便會(huì)減小。而國內(nèi)接收站通常存在著冬季外輸量較大，非冬季(每年4～11月)外輸量較小的現(xiàn)象,同時(shí)又因非冬季海水溫度高于冬季海水溫度。因此,非冬季運(yùn)行時(shí)，接收站海水泵明顯存在流量過剩。如某LNG接收站非冬季ORV基本運(yùn)行參數(shù)見表1。非冬季平均外輸量(即ORV氣化的平均LNG流量)為120 t/h，海水泵額定流量為9 180 t/h，而ORV所需海水流量?jī)H為4 560 t/h，比海水泵最小海水流量6 426 t/h還低，說明此接收站海水泵選型流量偏大。為了解決此問題,可選擇配置較小流量的海水泵，或直接對(duì)海水泵進(jìn)行變頻改造。

1.2海水泵出口壓力偏高

接收站海水泵出口壓力應(yīng)根據(jù)ORV運(yùn)行所需海水壓力來確定。不同接收站由于海水管線長(zhǎng)度和安裝的不同，海水泵出口至ORV入口管線壓力損失也不盡相同，如某LNG接收站壓力損失50 kPa(見圖1，PI_1-PI_2=50 kPa)。而此接收站經(jīng)過測(cè)試發(fā)現(xiàn)，ORV入口壓力為100 kPa即可滿足ORV的正常運(yùn)行，即海水泵出口壓力為150 kPa方能滿足要求。但實(shí)際運(yùn)行中,海水泵出口壓力為210～230 kPa，說明海水泵出口壓力明顯偏高。為了解決此問題，可選擇配置揚(yáng)程較小的海水泵或適當(dāng)減少葉輪數(shù)量，同時(shí)也可直接對(duì)海水泵進(jìn)行變頻改造。

綜上分析，對(duì)海水泵進(jìn)行變頻改造可適當(dāng)減少海水泵運(yùn)行中的能耗過?，F(xiàn)象。

1.3高壓泵出口壓力無法調(diào)節(jié)

接收站外輸天然氣壓力直接受到外輸管網(wǎng)壓力需求的影響。由于外輸管網(wǎng)壓力并非固定值，會(huì)有不同程度的變化(如某LNG接收站其外輸管網(wǎng)壓力范圍為5～9.3 MPa)，而為了滿足最高壓力的需求，接收站高壓泵選型時(shí)額定壓力就必須高于此最高壓力；但當(dāng)外輸需求壓力降低時(shí)，接收站就只能通過氣化器入口閥門進(jìn)行降壓，造成高壓泵能耗浪費(fèi)。如某LNG接收站非冬季外輸基本運(yùn)行參數(shù)見表2。從表2可以看出，高壓泵額定出口壓力高出外輸管網(wǎng)壓力近5.5 MPa，而高壓泵出口至外輸管網(wǎng)的管道壓損為0.5 MPa，即通過閥門損耗了5 MPa的能耗。為了解決此問題，可選擇多種類型的高壓泵，或直接對(duì)高壓泵進(jìn)行變頻改造，達(dá)到無損失調(diào)節(jié)壓力的目的。

表1　非冬季ORV基本運(yùn)行參數(shù)Table1　ORVbasicoperationparametersduringnon-wintermonths平均海水溫度/℃平均入口壓力/MPa平均出口壓力/MPa平均LNG流量/(t·h-1)海水密度/(kg·m-3)海水泵額定海水流量/(t·h-1)海水泵最小海水流量/(t·h-1)ORV所需海水流量/(t·h-1)ORV最小海水流量/(t·h-1)106.26.012010309180642645603700

表2　非冬季外輸基本運(yùn)行參數(shù)Table2　Basicoperationparametersofexternalinputduringnon-wintermonths高壓泵額定出口壓力/MPa高壓泵平均出口流量/(t·h-1)高壓排凈管線保冷流量/(t·h-1)ORV平均LNG入口壓力/MPa外輸管網(wǎng)壓力/MPa平均外輸量/(t·h-1)11.5130106.26.0120

2　海水泵及高壓泵變頻探究

2.1海水泵變頻探究[4-6]

2.1.1海水泵工頻計(jì)算

圖2為某接收站海水泵特性曲線圖,給出了海水泵揚(yáng)程、效率隨海水泵流量的變化趨勢(shì)。從圖2中取出相應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，并利用1stOpt軟件擬合出對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系式。如式(1)為海水泵揚(yáng)程與海水泵流量的函數(shù)式，式(2)為海水泵效率與海水泵流量的函數(shù)式；并在表3中給出對(duì)應(yīng)擬合參數(shù)的值及相關(guān)系數(shù)Re。

(1)

(2)

式中:Hswp_pf為海水泵工頻揚(yáng)程，m；Fswp_pf為海水泵工頻流量，m3/h；Eswp_pf為海水泵工頻效率，%；pi為擬合函數(shù)式系數(shù)，i=1、2、3、4、5、6、7。

表3　擬合參數(shù)值Table3　FittingparametervaluesKi/Re式(1)式(2)K1245.617171431494-615689.963324345K2-0.11637722763145140800.4513993356K30.00000603597940346333-1123.57391199116K4-0.00000064599877663789116.4579541975139K50.00000000184783821068746-0.135234322899817K60.000591044198936511K7-0.00000107349584241374Re0.99999950.9999993

在獲得海水泵揚(yáng)程后，便可用式(3)求解出海水泵的有效功率，并根據(jù)有效功率與軸功率的關(guān)系(Posha_pf=Poval_pf/Eswp_pf)求得海水泵工頻軸功率(Posha_pf，kW)。

(3)

式中：Poval_pf為海水泵工頻有效功率，kW；ρsw為海水密度，1 030 kg/m3；g為重力常數(shù)，N/kg。

求出軸功率后，再用電機(jī)功率與軸功率的關(guān)系(Pomot_pf=Posha_pf/Emot_pf)求得海水泵工頻電機(jī)功率(Pomot_pf，kW)。其中，Emot_pf為海水泵工頻電機(jī)效率(%)；而電機(jī)效率則可通過由表4給出的數(shù)據(jù)，擬合出軸功率與電機(jī)效率間的關(guān)系式(見式(4))求得。

表4　軸功率與電機(jī)效率數(shù)據(jù)Table4　Dataofshaftpowerandmotorefficiency電機(jī)輸出效率/%軸功率/kW電機(jī)效率/%1001150.095.775862.596.150575.096.0

(4)

式中：k1=83.604 134 506 7;k2=0.443 058 759 5;k3=-0.060 720 653 321 5;k4=-1.476 524 052 42；Re=1。

2.1.2海水泵變頻計(jì)算

求解海水泵變頻功率，首先應(yīng)確定海水泵出口目標(biāo)壓力(根據(jù)1.2的分析將出口目標(biāo)壓力設(shè)置為150 kPa),并將出口目標(biāo)壓力轉(zhuǎn)化為目標(biāo)揚(yáng)程；然后利用海水泵特性曲線和泵相似理論求解相似流量和實(shí)際揚(yáng)程；最后再利用式(1)～式(4)求得變頻后的電機(jī)功率和海水泵實(shí)際出口壓力。

(1) 目標(biāo)壓力轉(zhuǎn)化為目標(biāo)揚(yáng)程。將海水泵出口目標(biāo)壓力轉(zhuǎn)化為目標(biāo)揚(yáng)程可按式(5)進(jìn)行轉(zhuǎn)化。

(5)

式中:Hg_vf為海水泵變頻目標(biāo)揚(yáng)程，m；pg_vf為海水泵變頻出口目標(biāo)壓力，kPa；Lsw為泵井海水液位，m；Hswp_δ為海水泵出口與吸入口高度差，m；Hc為揚(yáng)程、壓力轉(zhuǎn)化修正系數(shù)，6。

(2) 變頻相似流量及實(shí)際揚(yáng)程求解。海水泵變頻相似流量及實(shí)際揚(yáng)程的求解可采用二分法[6]，并按圖3流程完成。

①設(shè)定海水泵最大、最小流量(Fswp_max、Fswp_min)，額定轉(zhuǎn)速(Nrt)，變頻目標(biāo)流量(Fg_vf)，變頻目標(biāo)壓力(Pg_vf)及循環(huán)次數(shù)控制量(j=0)。

②判斷Fg_vf是否等于Fswp_max，若等于，則無法變頻，采用2.1節(jié)工頻計(jì)算；若不等于，則由式(5)求解出Hg_vf。

③將變頻目標(biāo)揚(yáng)程賦值于變頻實(shí)際揚(yáng)程Hrl_vf。

④將Fg_vf賦值于Fswp_min，并求出中值，賦值于變頻相似流量Fsim_vf，運(yùn)用轉(zhuǎn)速與流量相似關(guān)系式求得變頻轉(zhuǎn)速Nvf；同時(shí)將Fsim_vf帶入式(1)，計(jì)算出變頻相似揚(yáng)程Hsim_vf。

⑤運(yùn)用轉(zhuǎn)速與揚(yáng)程相似關(guān)系式求解變頻揚(yáng)程中間變量Hvf，然后判定Hrl_vf-Hvf的絕對(duì)值是否不大于0.01 m(誤差0.1 kPa)。若不大于，則Fsim_vf、Hrl_vf即為所求。

⑥若大于0.01 m，當(dāng)Hrl_vf大于Hvf時(shí)，將Fg_vf賦值于Fswp_max；當(dāng)Hrl_vf小于Hvf時(shí)，將Fg_vf賦值于Fswp_min，然后求得中值，賦值于變頻相似流量Fsim_vf。

⑦正常情況下，循環(huán)100次肯定能得到計(jì)算結(jié)果。當(dāng)循環(huán)次數(shù)大于100時(shí)，說明變頻目標(biāo)壓力過小，無法找到相似點(diǎn)。這時(shí)將Hrl_vf自動(dòng)增加0.01 m，然后再返回至第一次中值求解。

⑧當(dāng)程序退出循環(huán)時(shí)，F(xiàn)sim_vf即為最終所求的變頻相似流量；Hrl_vf則為變頻實(shí)際揚(yáng)程。

(3) 變頻后電機(jī)功率及海水泵實(shí)際出口壓力求解。

①由于相似點(diǎn)處泵的效率幾乎一致，所以將Fsim_vf帶入式(2)，求得變頻時(shí)海水泵的效率Eswp_vf。

②將Fg_vf及Hrl_vf帶入式(3)，求得變頻時(shí)海水泵有效功率Poval_vf。

③利用有效功率、軸功率及泵效率間的關(guān)系求解變頻時(shí)的軸功率Posha_vf。

④將變頻時(shí)軸功率帶入式(4)，求得變頻時(shí)的電機(jī)效率Emot_vf。

⑤根據(jù)電機(jī)功率、軸功率和電機(jī)效率間的關(guān)系求出變頻電機(jī)功率Pomot_vf。

2.1.3海水泵工頻計(jì)算誤差分析

由于海水泵變頻計(jì)算屬探究?jī)?nèi)容，無法直接進(jìn)行誤差分析，所以只能對(duì)此接收站海水泵工頻計(jì)算中的電機(jī)功率和出口壓力作簡(jiǎn)單的誤差分析。具體數(shù)據(jù)見表5。

從表5可以看出，工頻計(jì)算海水泵出口壓力相對(duì)誤差小于2.7%，電機(jī)功率的相對(duì)誤差小于2%。

2.2高壓泵變頻探究

由于高壓泵工頻及變頻計(jì)算與海水泵計(jì)算方法相同，所以在此不再詳細(xì)闡述，只給出誤差分析結(jié)果(見表6)。

表6　高壓泵工頻計(jì)算誤差分析Table6　Erroranalysisofpowerfrequencycalculationonhigh-pressurepump名稱數(shù)據(jù)A數(shù)據(jù)B數(shù)據(jù)CLNG密度/(kg·m-3)439.25440.67440泵出口LNG流量/(t·h-1)135150161泵入口壓力/MPa0.7320.7120.708實(shí)際運(yùn)行泵出口壓力/MPa11.6511.8411.33工頻計(jì)算泵出口壓力/MPa11.2511.7411.69相對(duì)誤差/%3.4330.845-3.177實(shí)際運(yùn)行電機(jī)功率/kW146815681590工頻計(jì)算電機(jī)功率/kW149015871617相對(duì)誤差/%-1.499-1.212-1.698

從表6可以看出，工頻計(jì)算高壓泵出口壓力相對(duì)誤差小于3.5%，電機(jī)功率的相對(duì)誤差小于1.7%。

從以上誤差分析來看，工頻計(jì)算的最大相對(duì)誤差為3.5%，基本滿足工程計(jì)算的誤差要求。

3　節(jié)能分析

海水泵、高壓泵變頻的目的主要是為了節(jié)能研究，因此下面以此接收站非冬季(每年4～11月)運(yùn)行為例來探究變頻節(jié)能的效果。表7列出了此接收站非冬季運(yùn)行工況下，當(dāng)前實(shí)際運(yùn)行工藝參數(shù)和采用海水泵、高壓泵變頻運(yùn)行工藝參數(shù)的對(duì)比。

表7　非冬季運(yùn)行工藝參數(shù)對(duì)比Table7　Comparisonoftheoperationalprocessparametersbeforeandafterequippingwiththevariable-frequencyseawaterpumpandhigh-pressurepumpduringnon-wintermonths名稱當(dāng)前實(shí)際運(yùn)行變頻運(yùn)行外輸管網(wǎng)平均壓力/MPa66平均外輸量/(t·h-1)120120ORV平均出口壓力/MPa66ORV平均入口壓力/MPa6.26.2ORV平均LNG流量/(t·h-1)120120ORV入口海水管線平均壓力/kPa170100ORV所需海水流量/(t·h-1)45604560ORV實(shí)際平均海水流量/(t·h-1)91806600平均海水溫度/℃1010海水泵出口平均壓力/kPa220150海水泵平均出口流量/(t·h-1)91806600高壓泵平均出口壓力/MPa11.56.5高壓泵平均出口流量/(t·h-1)130130運(yùn)行時(shí)間/d240240電價(jià)/(元·度-1)0.70.7海水泵平均電機(jī)功率/kW1000606海水泵日電耗/(kW·h)2400014544海水泵總電耗/(kW·h)57600003490000海水總電耗成本/萬元403.3244.3高壓泵平均電機(jī)功率/kW1400736高壓泵日電耗/(kW·h)3360017664高壓泵總電耗/(kW·h)80600004240000高壓泵總電耗成本/萬元564.2296.8海水泵、高壓泵總電耗/(kW·h)138200007730000海水泵變頻總節(jié)約電耗/(kW·h)2270000(能耗降低39.41%)高壓泵變頻總節(jié)約電耗/(kW·h)3820000(能耗降低47.39%)海水泵、高壓泵變頻總節(jié)約電耗/(kW·h)6090000(能耗降低44.07%)海水泵變頻總電耗節(jié)約成本/萬元158.7高壓泵變頻總電耗節(jié)約成本/萬元267.4海水泵、高壓泵變頻總電耗節(jié)約成本/萬元426.1

從表7可以看出，一年中非冬季運(yùn)行海水泵變頻可節(jié)省電能2 270 000 kW·h(折合人民幣約158萬元)，比當(dāng)前實(shí)際運(yùn)行能耗降低39.41%；高壓泵變頻可節(jié)省電能3 820 000 kW·h(折合人民幣約267萬元)，比當(dāng)前實(shí)際運(yùn)行能耗降低47.39%；海水泵、高壓泵變頻比當(dāng)前實(shí)際運(yùn)行能耗降低44.07%，節(jié)約成本折合人民幣約426萬元，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于當(dāng)前海水泵或高壓泵變頻改造費(fèi)用(70～90萬元/臺(tái))。

4　結(jié) 語

(1) 由于海水泵及高壓泵變頻屬于探索性研究，因此只能對(duì)工頻計(jì)算進(jìn)行誤差分析，且最大相對(duì)誤差小于3.5%，基本滿足工程計(jì)算要求。但同時(shí)因?yàn)樽冾l計(jì)算是以工頻計(jì)算為基礎(chǔ)，且立足于泵相似理論，所以變頻計(jì)算的結(jié)果也應(yīng)該基本符合工程計(jì)算要求。

(2) 運(yùn)用海水泵、高壓泵變頻，此接收站每年非冬季運(yùn)行可節(jié)省電能約6 090 000 kW·h，比當(dāng)前實(shí)際運(yùn)行能耗降低44.07%，折合人民幣約426萬元。

(3) 由于外輸管網(wǎng)需求量的變化，LNG接收站ORV所需海水流量會(huì)在較大范圍內(nèi)變化，所以接收站在選擇海水泵時(shí)應(yīng)選擇流量范圍較大的海水泵，且海水泵最小流量應(yīng)低于ORV所需最小海水流量；同時(shí)為了滿足外輸管網(wǎng)壓力變化的范圍，LNG接收站應(yīng)盡可能地選擇可變頻的高壓泵。

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Energy saving analysis on variable-frequency seawater pump and high-pressure pump in LNG terminal

Li Xin1, Chen Shuai2

(1.XinjiangHualongOilfieldTechnologyCompanyLimited,Karamay834000,China) (2.PetroChinaDalianLiquefiedNaturalGasCompanyLimited,Dalian116600,China)

Domestic LNG terminals usually use the model that a seawater pump with rated flow operation provides seawater for a single open rack vaporizer (ORV) to gasify LNG. Due to higher seawater temperature and lower natural gas flow of external input, the required seawater flow of ORV is less than the rated flow of seawater pump during non-winter operation. Therefore, this operation model is associated with excess energy consumption. Meanwhile, since the pressure range of natural gas pressure of external input is wide and the high-pressure pump can only provide the rated outlet pressure, so the outlet pressure of the high-pressure pump will be excessive when the pressure of natural gas of external input is lower, and resulting in excess energy. In order to solve the excess energy consumption problem of seawater pump and high-pressure pump, this paper started to explore its frequency energy-saving. Firstly, necessity of seawater pump and high-pressure pump frequency was analyzed. Secondly, in seawater pump, for example, outlet pressure and motor power of power frequency was calculated based on its characteristic curve. Then motor power of variable frequency was determined with the dichotomy and the similarity theory of pump. Thirdly, error analysis of power frequency was made on the seawater pump and high-pressure pump, showing the maximum relative error is 3.5%. Finally, through the comparison of the energy consumption, the seawater pump with variable frequency could save energy by 39.41% per annum, while the high-pressure pump with variable frequency could save energy by 47.39% per annum. Furthermore, economic cost of approximate 4.26 million yuan in LNG Terminal could be saved with variable frequency seawater pump and high-pressure pump per annum.

LNG terminal, seawater pump, open rack vaporizer, excess energy comsumption, high-pressure pump, frequency energy-saving

李鑫(1983-)，女，雙碩士研究生，助理工程師，畢業(yè)于澳大利亞臥龍崗大學(xué),現(xiàn)就職于新疆華隆油田科技股份有限公司，主要從事生產(chǎn)管理、油田開發(fā)工藝、數(shù)字油田及液化天然氣等相關(guān)領(lǐng)域工程技術(shù)研究。E-mail：hanhan_417@163.com

陳帥(1986-)，男，大學(xué)本科，工程師，測(cè)控技術(shù)與儀器專業(yè),現(xiàn)就職于中石油大連液化天然氣有限公司，主要從事LNG接收站運(yùn)營(yíng)、管理工作。E-mail:64336992@qq.com

TE89

ADOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2016.05.022

2015-11-24；編輯：鐘國利