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
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