LNG接收站的能耗分析及生產(chǎn)優(yōu)化研究

摘要：根據(jù)LNG接收站生產(chǎn)運營特點，通過對運營方式的深入了解，采集大量的相關(guān)數(shù)據(jù)，再運用先進的控制優(yōu)化思想實現(xiàn)生產(chǎn)業(yè)務(wù)與信息技術(shù)的結(jié)合，從而使各項業(yè)務(wù)應(yīng)用具有高度的使用性，合理安排生產(chǎn)調(diào)度計劃，優(yōu)化生產(chǎn)流程，對裝置及設(shè)備進行能耗以及能耗影響因素進行關(guān)聯(lián)性的量化分析，挖掘節(jié)能降本的潛力，從而實現(xiàn)對LNG接收站生產(chǎn)運營的精細化管理，指導(dǎo)合理化運營。通過對LNG接收站的能耗分析及生產(chǎn)優(yōu)化研究，為數(shù)字化LNG提供了技術(shù)及理論基礎(chǔ)，有效降低LNG接收站生產(chǎn)能耗及成本，挖掘LNG接收站生產(chǎn)潛能，實現(xiàn)降本增效。

關(guān)鍵詞：能耗分析；生產(chǎn)優(yōu)化；精細化管理；降本增效

一、引言

液化天然氣（LNG）單位體積為同質(zhì)量氣態(tài)天然氣體積的1/625，更易儲運，熱值高，性能高。LNG接收站作為海上引進天然氣的終端和陸上天然氣供應(yīng)氣源，在液化天然氣產(chǎn)業(yè)鏈中至關(guān)重要，因而提高其運營效率、有效降低LNG生產(chǎn)成本對整個天然氣產(chǎn)業(yè)鏈的成本影響重大。通過對LNG接收站生產(chǎn)運營情況的分析和評估，進行LNG接收站能耗分析、運行優(yōu)化方面的研究，建立一套適合LNG接收站的能耗分析及運行優(yōu)化整體解決方案，提升LNG接收站運營效率，降低生產(chǎn)運營成本，實現(xiàn)LNG接收站降低能耗、優(yōu)化生產(chǎn)的目的。

二、LNG接收站現(xiàn)狀及需求

LNG接收站的生產(chǎn)工藝比較簡單，氣態(tài)外輸時，氣化LNG所用的海水氣化器主要以自然界的海水為熱源，能源消耗主要在高壓泵、海水泵[1]；液態(tài)外輸時，直接向槽車裝罐LNG，能源消耗主要在低壓泵。此外，處理蒸發(fā)氣使用的是BOG壓縮機。這些輸送設(shè)備都是以電力為驅(qū)動的，因此LNG接收站絕大部分消耗在電力上。

功率最大的為高壓泵，其次為海水泵，但這兩種泵只是在執(zhí)行氣態(tài)外輸時才開啟。而BOG壓縮機雖然功率小于以上兩種設(shè)備，但為了保證儲罐和管道不超壓，蒸發(fā)氣必須時刻進行處理，或者進入冷凝器冷凝，或者送入外輸管道，因此BOG壓縮機需要長時間開啟。對LNG接收站來說，高壓泵和BOG壓縮機幾乎占到全站設(shè)備用電的一半。

三、 整體方案設(shè)計

LNG接收站能耗分析及生產(chǎn)優(yōu)化系統(tǒng)軟件平臺采用C/S + B/S混合模式來進行軟件部署，如：運行優(yōu)化等計算類軟件模塊的離線建模過程采用C/S方式，運行優(yōu)化模塊的在線功能以及其他功能模塊則采用B/S方式。

四、能耗與能效分析

本模塊通過分析裝置、設(shè)備的能耗特點，尋找影響能耗的主要影響因素，以指標系統(tǒng)為驅(qū)動，以實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對裝置、設(shè)備的能耗以及能耗影響因素進行關(guān)聯(lián)性的量化分析，為挖掘節(jié)能降本的潛力提供數(shù)據(jù)支撐。

（一）工序能耗分析

工序能耗分析根據(jù)工序的能耗特點，尋找影響工序能耗的主要影響因素，以指標系統(tǒng)為驅(qū)動，以實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對工序能耗以及工序能耗影響因素進行關(guān)聯(lián)性的量化分析。工序能耗分析包括工序能耗關(guān)聯(lián)分析、工序能耗對標分析、工序間能耗對比分析、工序開工率和同比、環(huán)比分析等。

（二）設(shè)備能效分析

通過實時采集主要耗能設(shè)備的進出口數(shù)據(jù)、設(shè)備負荷和關(guān)鍵工藝數(shù)據(jù)，建立相依的能效分析模型，實時計算設(shè)備的能效情況并進行監(jiān)控，比對設(shè)備的能效界限設(shè)定值，進行實時能效報警，同時通過趨勢圖方式提供歷史能效數(shù)據(jù)的回溯和分析，并以重點設(shè)備能效日報的方式進行能效管理，為企業(yè)實現(xiàn)能源精細化管理提供有力支持。在實時計算設(shè)備的能耗和能效數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，建立能耗、能效與運行參數(shù)的關(guān)聯(lián)模型，確定在不同負載率情況下的設(shè)備能效和能耗正常范圍，并實時判斷當前的能耗和能效數(shù)據(jù)是否在合理范圍內(nèi)，跟蹤超出正常范圍的數(shù)據(jù)點，達到一定條件后將會觸發(fā)異常報警，找出能耗能效異常原因并及時解決問題，從而有效提高能效和降低能耗。

五、運行優(yōu)化

通過“能耗與能效分析”模塊對LNG接收站能耗的使用情況進行分析，發(fā)現(xiàn)有一定節(jié)能降本空間的潛力點后，利用“運行優(yōu)化”模塊對LNG接收站的生產(chǎn)運行進行優(yōu)化指導(dǎo)和調(diào)度，提升LNG接收站運營效率，降低生產(chǎn)運行能耗和成本。

（一）多設(shè)備組合運行優(yōu)化

當多臺設(shè)備共同執(zhí)行一定的輸送任務(wù)，且該輸送任務(wù)小于所有設(shè)備最大出力的總和時，由于各臺設(shè)備的效率不同，存在每一個設(shè)備出力多少的分配策略問題。此外，當有備用設(shè)備或者輸送任務(wù)較小不需要全部設(shè)備開啟時，還存在各設(shè)備開啟或關(guān)閉的選擇問題。因此，可以根據(jù)單臺設(shè)備的效率的差異，對各設(shè)備的啟停和出力進行優(yōu)化組合，實現(xiàn)節(jié)能目標。

多設(shè)備組合運行優(yōu)化模型為混合整數(shù)規(guī)劃（線性或非線性）模型，如果是非線性模型，需要采用高效的方法將其轉(zhuǎn)化成混合整數(shù)線性規(guī)劃模型，然后利用系統(tǒng)給出的算法進行求解。多設(shè)備組合運行優(yōu)化模型由目標函數(shù)、約束條件和操作變量構(gòu)成。多設(shè)備組合運行優(yōu)化模型的目標函數(shù)為：

（1）

E—總能量消耗；

ki—0、1變量，第i臺設(shè)備開關(guān)變量，0表示關(guān)機，1表示開機；

Ei—第i臺設(shè)備能量消耗。

多設(shè)備組合運行優(yōu)化模型的約束條件包括輸送任務(wù)約束、能量需求約束、開停機約束和設(shè)備約束等。

輸送任務(wù)約束：

（2）

T—總輸送任務(wù)；

ti—第i臺設(shè)備的輸送量。

能量需求約束：

（3）

f i（ ）—第i臺設(shè)備的輸送量與能量消耗的函數(shù)。

開停機約束：

ki=0 or 1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

ki—第i臺設(shè)備開關(guān)變量，只能取0或1。

設(shè)備約束：

（5）

—第i臺設(shè)備輸送能力的最小值

—第i臺設(shè)備輸送能力的最大值（或額定值）

（二）生產(chǎn)調(diào)度優(yōu)化

LNG接收站作為來料加工企業(yè)，其生產(chǎn)受到上游（LNG原料的到站）、下游（客戶需求、管網(wǎng)調(diào)度等）和自身運行狀況的影響。生產(chǎn)計劃調(diào)度優(yōu)化技術(shù)用于指導(dǎo)在線生產(chǎn)計劃的排程與調(diào)度，該技術(shù)基于生產(chǎn)任務(wù)、訂單等信息，以計劃和調(diào)度周期內(nèi)能源消耗最少、生產(chǎn)成本最低為最優(yōu)目標，將現(xiàn)場可調(diào)節(jié)的手段（如安排槽車集中灌裝、提前或延后設(shè)備檢修等）作為決策變量，將現(xiàn)場必須滿足的條件作為約束條件，建立計劃調(diào)度優(yōu)化模型。該模型為混合整數(shù)線性規(guī)劃模型。

生產(chǎn)計劃調(diào)度優(yōu)化模型的核心思想是以未來一段時間內(nèi)的運行成本最低為目標，通過優(yōu)化低壓泵開啟時間、裝車撬開啟臺數(shù)和開啟時間、設(shè)備檢修時間等，減少用電量的消耗，減少電價峰時段的設(shè)備運行時間，實現(xiàn)節(jié)能減排、降本增效的目標。

生產(chǎn)計劃調(diào)度優(yōu)化模型由目標函數(shù)、約束條件和操作變量構(gòu)成。生產(chǎn)計劃調(diào)度優(yōu)化模型的目標函數(shù)為：

（6）

C—在u時段內(nèi)生產(chǎn)計劃執(zhí)行成本；

ci—單位時間執(zhí)行第i項生產(chǎn)任務(wù)產(chǎn)生的成本；

ti—第i項生產(chǎn)任務(wù)執(zhí)行的時間；

pi—單位時間第i項生產(chǎn)任務(wù)未按時執(zhí)行的罰值；

tpi—第i項生產(chǎn)任務(wù)未按時執(zhí)行的時間。

等式右邊第一項計算了執(zhí)行完各項生產(chǎn)任務(wù)所產(chǎn)生的成本，第二項確保各項生產(chǎn)任務(wù)盡量按計劃完成。整個目標函數(shù)表示計劃調(diào)度優(yōu)化的目的是為了使計劃執(zhí)行時總的成本為最小。

生產(chǎn)計劃調(diào)度優(yōu)化模型的約束條件包括任務(wù)互斥約束、任務(wù)執(zhí)行順序約束、任務(wù)執(zhí)行時間約束、操作約束和裝置約束等。

任務(wù)互斥約束：

（7）

ki，kj—第i、j項任務(wù)執(zhí)行與否變量，只能取0或1，0表示不執(zhí)行，1表示執(zhí)行。上式表明當兩項任務(wù)不能同時執(zhí)行時，只能選擇其中一個執(zhí)行。比如檢修人員在進行設(shè)備檢修時，不可能同時檢修A設(shè)備的同時又檢修B設(shè)備，只能選擇A和B之一進行檢修。

任務(wù)執(zhí)行順序約束：

（8）

a—執(zhí)行時間段；

?t—上一個任務(wù)執(zhí)行完后，下一個任務(wù)執(zhí)行的時間

上式表明前一個任務(wù)執(zhí)行完畢后，后續(xù)任務(wù)必須跟進執(zhí)行。保證任務(wù)之間的銜接必須及時。

任務(wù)執(zhí)行時間約束：

（9）

S—一組任務(wù)完成的時間；

上式表明一組任務(wù)必須在規(guī)定時間內(nèi)完成。

父任務(wù)與子任務(wù)約束：

（10）

上式表明子任務(wù)執(zhí)行時間不能超父任務(wù)執(zhí)行時間。比如槽車灌裝必須在低壓泵啟動之后才能灌裝，而且灌裝時間必然小于低壓泵開啟時間，作為父任務(wù)（低壓泵開啟）執(zhí)行時間必須大于子任務(wù)（槽車灌裝）執(zhí)行時間。

（三）輸送優(yōu)化

LNG接收站的電能消耗是主要能耗，電費占LNG接收站運行費用的很大一部分。因此，節(jié)約電耗，同時節(jié)約用電成本，是促進LNG接收站降本增效的有效手段。

為了提高用電效率，很多地區(qū)采取了調(diào)峰的措施[2]。LNG接收站的主管道比較長，有一定的管存量。在電價的谷時段適當增加設(shè)備出力，提高管道壓力增加管存量。在電價的高平時段適當降低設(shè)備出力，而利用多余的管存量進行外輸。這樣利用電價的峰谷平和管道的管存來調(diào)節(jié)生產(chǎn)節(jié)奏，采取錯時用電的措施以節(jié)約用電成本。

根據(jù)峰谷平電價的時間段結(jié)合管道壓力升降速率，并合理利用管道內(nèi)的管存，將輸送計劃按照最佳的執(zhí)行時段進行分段。在滿足負荷要求的情況下，優(yōu)化設(shè)備輸送量，最大限度地降低用電費用。此外，如果輸送量較大需要多臺設(shè)備同時運行時，結(jié)合前述“多設(shè)備組合運行優(yōu)化”模塊功能，還可將分段好的輸送計劃優(yōu)化分解為各設(shè)備（泵）的輸送任務(wù)。

輸送優(yōu)化模型由目標函數(shù)、約束條件和操作變量組成。

目標函數(shù)：

（11）

C—輸送成本；

ci—各時段輸送成本，分為峰、平、谷三個時段。

約束條件：

輸送成本約束：

（12）

u—該時段內(nèi)的電價；

e—該時段內(nèi)的執(zhí)行輸送任務(wù)的用電量。

用電量約束：

e=f（Q）? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （13）

Q—設(shè)備輸送量；

f（）—用電量與設(shè)備輸送量的函數(shù)

管道壓力約束：

（14）

—執(zhí)行輸送任務(wù)后的管道壓力；

p—執(zhí)行輸送任務(wù)前的管道壓力；

L—輸送負荷；

y—執(zhí)行輸送任務(wù)前的管存量；

t—執(zhí)行輸送任務(wù)的時間；

?t—管道升降壓時間；

f（）—執(zhí)行輸送任務(wù)后的管道壓力與執(zhí)行輸送任務(wù)前的管道壓力、輸送負荷、設(shè)備輸送量、執(zhí)行輸送任務(wù)前的管存量、執(zhí)行輸送任務(wù)的時間、執(zhí)行輸送任務(wù)的時間的函數(shù)；

pmin—管道壓力最小值；

pmax—管道壓力最大值。

六、海水用量優(yōu)化

開架式氣化器（ORV）用于液化天然氣的加熱氣化。根據(jù)環(huán)保要求，海水換熱前后最大溫差不超過5℃，為達到這一指標，通常以最大限度地保證海水的供給，導(dǎo)致供應(yīng)的海水使用量過大，海水泵常常處于高負荷運行狀態(tài)，造成大量的電能浪費[3]。

基于傳熱原理、物性模型及設(shè)備模型，結(jié)合工藝要求、實時工況等工藝參數(shù)，計算出ORV實際所需的海水量，進而科學(xué)調(diào)節(jié)海水泵的負荷，以達到節(jié)電降耗的目的。通過開架式氣化器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，工藝操作參數(shù)得到各種傳熱系數(shù)，然后通過換熱基本方程得到在保證海水進出口溫度差小于5℃的情況下，當前氣化的LNG所需實際的海水量，將此結(jié)果輸出給現(xiàn)場操作人員以供其對海水量進行調(diào)整。

七、結(jié)束語

通過上述研究，建立了包括能耗及能效分析模型、計劃調(diào)度優(yōu)化模型、輸送優(yōu)化模型、海水氣化器換熱優(yōu)化模型在內(nèi)的多個LNG接收站能耗分析及生產(chǎn)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，建立了一套具備能耗分析、運行優(yōu)化等多重功能的LNG接收站整體解決方案，同時該系統(tǒng)在落地點LNG接收站投運應(yīng)用良好，加強了生產(chǎn)管控能力，降低了生產(chǎn)運營成本，實現(xiàn)電能耗降低2%的目標，研究成果具有較好的推廣應(yīng)用價值。

作者單位：楊雪松? 中海油信息科技有限公司天津分公司

參? 考? 文? 獻

[1] 蘇陽.基于LNG接收站氣化外輸單位電耗計算的生產(chǎn)模型探討[J].廣東化工，2020（17）：45.

[2] 李圣彥.長三角地區(qū)儲氣庫、LNG與管網(wǎng)調(diào)峰策略[J].北京石油管理干部學(xué)院學(xué)報，2021（03）：42-43.

[3] 唐永娜.唐山LNG接收站海水泵運行優(yōu)化方案研究[J].科學(xué)管理，2016（04）：204.