《基于AHP法的LNG工厂停产期间能耗分析与节能举措》-工学论文，化学工程论文-论文范文参考-科学狗论文网

标题

基于AHP法的LNG工厂停产期间能耗分析与节能举措

范文

刘代亚赵凯凤张亚楠

摘 ?????要：為探究LNG工厂停工期间能耗问题和关键影响因素，优选相应节能举措，降本增效。收集了湖北500万m3/d LNG工厂国产化示范工程2018年6月、7月停工期间能耗数据，运用层次分析法进行系统性量化表征。针对耗电、燃料气、液氮关键能耗进行节能措施制定，并进行现场实施。然后通过实施后的8月能耗数据及现场设备设施运行情况进行效果验证。充分论证节能举措可行性，提出下步改进意见。研究表明：工厂点多面长，即使停工期间也要注意节能举措实施时实效性、安全性与工艺影响三者之间的影响。充分运用当前的信息，利用层次分析法，进行数学建模，从而对问题进行分析。将模糊定性节能措施最有效的化为科学权重，为现场实践做指导。降本增效不能只以节约物料成本为目的，还需要在保障安全的前提下避免对后续工艺设备产生影响。

关 ?键 ?词：LNG工厂;停产;节能;层次分析法

中图分类号：TE 624???????文献标识码：?A ??????文章编号： 1671-0460（2020）01-0152-06

Energy Consumption Analysis and Energy Saving

Measures During the Shutdown of LNG Plant

LIU Dai-ya1， ZHAO?Kai-feng2， ZHANG?Ya-nan1

（1. Shandong Chemical Engineering and Vocational College， Shandong?Weifang?262737， China;

2. Hainan Tropical Ocean University， Hainan?Sanya?572000， China）

Abstract： In order to explore the energy consumption of the LNG plant during the shutdown， the key influencing factors were sorted out， and the corresponding energy-saving measures were optimized to guide the plant to reduce costs and increase efficiency. The energy consumption data of 5 million m3/d LNG plant of localization demonstration project during the period of shutdown in June and July 2018 in Hubei province were collected， and systematic quantitative characterization was carried out by AHP method. Energy-saving measures were formulated?for key energy consumption of electricity， fuel gas and liquid nitrogen， and on-site implementation was carried?out. Then， the effect was verified through the energy consumption data and the field equipment and facilities operation in August after implementation. The feasibility of energy-saving measures was?fully demonstrated， and suggestions for further improvement?were?put forward. It was pointed out that?attention should also be paid to the relationship between actual effect， safety and process influence when the energy saving measure?is?implemented. The energy saving measures should be?quantified as scientific weight effectively to guide field practice. Cost reduction and efficiency increase should not?only be solely aimed at saving material costs， but?also?should avoid any impact on subsequent process equipment on the premise of ensuring safety.

Key words： LNG plant; Shutdown; Energy saving;AHP

LNG工廠是化学工程和低温工程结合体。所以具有过程管控严格、生产流程复杂等传统化工企业特点，又有对温度控制精确、设备设施要求高等等低温工程领域的要求。而获取低温LNG，需要换热器与透平机械两者合理配合使用，各方面能耗巨大，必须根据生产负荷进行动态优化，节约经济成本[1-3]。

节能降耗工作一直是节约企业成本，提高生产效率的重要保障之一。在国外，现代制造业开始运用无人化流水线和大数据进行工厂的耗水、耗电及其人力资源优化，在工业4.0的氛围下向着工业人工智能化的方向发展[4-6]。例如特斯拉公司的无人化“黑灯工厂”就采用了先进机器人流水线进行生产，生产车间甚至无须安装照明系统，充分节约了工厂能耗。在国内，节能降耗成果主要体现在仓库管理方面，通常要求月初做好物料预算，月底进行盘库结算，做到零库存。充分规避资金积压问题[7]。

本文在文献9工作量帮助下，丰富问题分析宽度。着重探讨LNG工厂停产期间能耗问题，提出相应节能举措，并将实际运用中的效果记录下来。

1 ?工程简介

湖北500万方/天LNG工厂国产化示范工程，LNG为120×104 t/a的产量，50%～100%的生产操作弹性，全部国产化的工艺和设备，主要组成有公用工程、脱汞、BOG、脱水、脱碳、液化等，图1为其生产流程。其中，总体上该工艺采用传统阶式的制冷工艺，其液化装置的液化工艺采用了多级单组分的制冷，最后一级改进为分别由甲烷、乙烯、丙烯混合冷剂的三台压缩机压缩制冷。由大到小其负荷排序为丙烯机、乙烯机以及甲烷机。换热器部分中，通过一个板翅式换热器、7个蒸发器，原料气逐级降温、冷却、液化。同时液化装置设有脱除重烃、重烃洗涤塔，为防止冻堵最后一级冷箱。本工程主要能耗为电能，工厂处理量分别为500×104、400×104、250×104?m3/d时，全厂的综合电耗分别为0.29、0.35、0.53 kW·h/m3。随着日处理量的增大，单位能耗逐渐减小，该厂生产期间，高负荷运行下能耗较优，最为节能是在满载生产情况时[8-10]。但该LNG工厂制冷循环长，动、静设备众多，停工情况下若不进行节能减排优化，能耗也较大。所以急需不同工况下的能耗分析，指引工厂合理操控，节约成本。

2??能耗分析

所研LNG工厂于2018年4月29日停产，同年5月18日停止销售。为防止商业秘密泄露，以下略去罐存、销量等关键数据。并将现有数据进行适当处理。选取2018年5月、6月能耗数据进行综合分析。由图2所示，LNG销售车数与BOG闪蒸消耗成同步变化趋势。

经现场实际情况可知，LNG储罐每台潜液泵可供给5具装车撬进行同时充装，而潜液泵与装车撬运行台数增加都会导致复热诱发BOG闪蒸消耗。所以在5月16日降低装车台数后BOG闪蒸消耗明显降低为8.54 t。5月18日彻底停止装车后平均罐位降至3.88 m，储罐顶部已经开始复热，但储罐液位低，且无潜液泵机械扰动，故罐底温度恒定。该阶段BOG损耗与环境温度变化成同步变化趋势。

由图3所示，停工期间水、电、气耗量与环境温度等外界因素无明显相关性。耗水量变化趋势显独立变化趋势，其中主要影响因素为排污调整水质[11]。

例如5月由于循环水冷态运行片碱未到货，5月23日开始停止循环水外排，26日片碱到货，投加后pH正常，28、29日开始水质调节，大规模排污。但也不排除环境温度高和大风导致的循环水塔蒸发损耗，其中5月平均耗水413.58?m3/d，6月为528?m3/d，经核查就为蒸发量大，循环水上塔所至。燃料气消耗与耗电量成同步变化趋势，查询操作记录可知。停工期间长期运行设备仅有1?000?kW循环水泵1台;305 kW空气压缩机1台。雨水泵及其BOG压缩机根据现场情况择机运行。而停工期间分子封、长明灯、中控溴化锂以及后勤食堂需要燃料气供应。停工期间采取间歇式启BOG压缩机给天然气系统增压储气方式供给。6月气温相比5月较高，溴化锂负荷变大，所以BOG压缩机启动频率升高，以至于电、气消耗成正相关变化。据核算，5月平均耗电33 997 kW·h/d，6月34 761 kW·h/d可见耗电量明显增大。此外由于PSA制氮系统停运，全厂氮气全由外购液氮供给。故5月（82.88 t）、6月（81.88 t）液氮耗量较大。

3??节能举措

依据上节所述，LNG工厂停工期间主要能耗有LNG储罐BOG闪蒸和水、电、气、液氮损耗两大类。其中BOG闪蒸与LNG销售车数相关，当前已经做的装车撬运行最优化[12]。而水、电、气、液氮损耗可以通过工艺调整和合理操作进行节能。而燃料气是通过BOG压缩机抽吸LNG储罐闪蒸气储存至天然气系统而供给的，所以燃料气损耗与耗电量成正相关变化[13-15]。

基于停工期间LNG工厂设备运行现状，丰富问题分析宽度。在充分考虑运用效果、安全风险和工艺影响的同时，制定节能举措见表1。

数学建模分析采用层次分析法。所谓层次分析法即AHP法，即通过决策将抽象复杂的问题分解成各个组成的因素，再将因素、问题逻辑设定为层次结构具有分组型的方案层、准则层、目标层。然后通过矩阵构造，各因素间两两比较其相互影响的关系，近而量化问题的组成因素，计算出在系统中，各自的权重[16，17]。

依据层次分析法的特点，能够首先确立目标层为节能举措。在结合LNG工厂的实际情况。优选节能降耗的主攻方向为节约燃料气与液氮，并设准则层，方案评价导向的依据为工艺影响、安全风险、预计效果这三种评价因素。最终评价1-9方案的可行性。现场实施的指引依据权重量化[18，19]。

计算步骤具体如下：

（1）优选节能举措问题的确定，层次结构模型的构建（图4）。

（2）打分，通过两两对比，判定下层较上层分数。

准则层中，在统一决策者衡量标准下，各因素所占的比重不一致，故设1-9数字及其倒数作为定义与判断矩阵的标度[20]。

（3）计算层次合成、检验一致性。

①一致性指标CI的计算

其中：
—判断矩阵最大特征值。

②一致性比例CR的计算

当CR<0.10，通过了一次性检验，否则做适当修正。

（4）权重向量W的计算。

在层次分析法中，计算权重有三种方法：特征向量法、几何平均法、算术平均法。在此运用几何平均法即方根法求权重。

式中：i?=1，2，3，…，n。

夏季高温诱发的问題，以此来确定各权重向量Wi、判断矩阵。如表2-10所示。

以上各表都通过一次性检验。把不同方案中的准则要素—权重矩阵Wi（表2）与相应的准则要素—相对权重矩阵Wi（表3-10）分别相乘，从而得到方案层的要素权重，其排序如表11所示。

综上所述运用层次分析法得出的LNG工厂节能举措优选排序为：方案2>方案9>方案8>方案5>方案3>方案1>方案4>方案7>方案6。

依据权重的相似性，将所参与的全部分析方案层，分为四个梯队。其中第四梯队的整体权重都小于其他梯队的，由此可见其节能效果是有限的。方案2权重最大，证明效果最优。但考虑压力控制不稳和自控阀密封不严会导致介质失压互窜，存在一定风险性。所以应在白天执行该操作。方案9、方案5应考虑现场环境与工艺系统压力，避免工艺影响诱发的安全问题。方案4与方案8节能潜力最大，最应进行尝试。但方案8进行操作时需注意环境温度高和空压机负载大会诱发的跳车问题。查阅工艺设计，理论可行。方案3应根据现场安全阀整定压力进行合适调整。方案1、方案7、方案6不存在安全风险，可以即刻执行。

4??验证与改进

依据上节所述节能举措，在充分考量预计效果、安全风险与工艺影响三种评价因素后进行层次分析。初步验证上述节能方案可行，在此通过现场实施进行效果验证。以下收集节能举措实施后的7月液氮、燃料气、电耗数据进行分析，并结合工艺运行情况进行下步改进[21-23]。

由图5所示，7月5日进行节能举措实施后，各项能耗明显小于5月、6月。其中7月液氮耗79.41?t相比5月、6月节约2?t左右。耗电量平均

42?803.35?kW·h/d，相对5月（33?997?kW·h/d）、6月（34?761?kW·h/d）大约节约8?000?kW·h/d左右。燃料气平均消耗7?655?m3/d，相对5月（8?036?Nm3/d）、6月（7?989?Nm3/d）大约节约300?Nm3/d左右。节能效果显著，综合证明数学建模得出节能举措可行。

但是9月5日开工复产前。突然出现在运空气压缩机后端无热式干燥机阀组异常，机体联锁事件。现场查看后端阀组及防空消声器被粉化碎屑堵塞，现场取样化验得出粉化碎屑为无热式干燥机三氧化二铝干燥球。随即拆解无热式干燥机及其0.1?μm后端过滤器。发现6月3日检修更换的原白色5～6?mm三氧化二铝干燥球明显带水，且表面成黄褐色，粒径为3～4?mm。后端过滤器完全被粉化物堵塞（图6）。

查阅运行记录，7月5日开始用一台空压机供给工厂风与PSA制氮撬。由于PSA制氮流量调控需要摸索，先后出现2次PSA制氮撬氧含量超标联锁停机，紧急开液氮阀门进行氮气补充。此后切换空压机重新尝试，由于当月气温还是过高，后续又出现过空压机负荷高机头高温联锁。当天对备用空压机进行机头换热翅片清灰（该机为换热翅片油冷），后续勉强运行。但工厂风水露点一直上升（数据：7月21日-33.7 ℃;7月28日7.2 ℃;7月29日10 ℃;8月2日8.8 ℃;8月4日7.4 ℃;8月5日6.2 ℃;8月6日-4.3 ℃;8月7日1.4 ℃;8月8日5.5 ℃）。8月10日调节无热式干燥机再生气量。仍勉强运行至9月3日，随后发生三氧化二铝干燥球粉化导致联锁停机事件。分析原因可知：虽然停工期间氮气、工厂风用量有限（当前工厂风：410～240 m3/h波动;PSA出口：354.9 m3/h）;但是PSA制氮撬最低工作入口流量必须≥2 150 Nm3/h。单台空压机设计负荷不能同时供给工厂风和PSA制氮撬。单纯考量短期经济利益，未能有效预测当前工况对未来工艺设备影响是得不偿失的。方案8，使用一台空压机供给工厂风与PSA制氮下步不能执行。

5??结论

LNG工厂停产期间主要动设备停运，电耗较小。相应循环水系统也转为冷态运行，且药剂投加量与投加种类也进行了相应调整。所以理论上水质稳定，耗水量已达最小，污水外排也可达零排污状态。该阶段主要能耗为液氮与BOG闪蒸，相应技术人员应注意优化装车频次，减小LNG储罐扰动。而节约液氮不能以损害本厂工艺设备为代价，需要充分考量安全因素与工艺设计准则，严禁过度追求经济效益。本文研究性结论及创新点：

（1）LNG销售车数与BOG闪蒸消耗成同步变化趋势，停工期间运用1台变频LNG潜液泵进行5台装车撬同时充装，晚间将潜液泵频率调至最低，为装车撬及其管线保冷。储罐液位降至4m时停止装车。

（2）利用层次分析法数学建模，可以充分利用往年的操作经验和当前的能耗数据协助性地进行科学的分析。能够有效地将模糊定性的节能经验量化为预计效果、安全风险与工艺影响三项评定性科学权重，指导下步生产。

（3）使用一台空压机供给工厂风与PSA制氮撬虽然工艺设计可行，但应充分考虑设备老化与后端工厂风漏失等额外负荷影响。不能只求节能经济效益，还应充分考虑工艺波动而导致的设备设施损坏与后续开工复产误工等综合问题。

参考文献：

[1]杨烨，王海成，郑玉宝，等. 大型LNG工厂开工复产方案优化及问题处理[J]. 石油与天然气化工， 2018，47（2）：57-64.

[2]Li Y， Bai F. A policy study examining the use of imported LNG for gas-fired power generation on the southeast coast of China[J]. Energy Policy， 2010， 38（2）： 896-901.

[3]Juan S， Meizhen Z， Jianxing Y U. Low temperature analysis of LNG prestressed concrete tank for spill conditions[J]. Cryogenics， 2010， 4： 47-52.

[4]Bi Z， Da Xu L， Wang C. Internet of things for enterprise systems of modern manufacturing[J]. IEEE Transactions on industrial informatics， 2014， 10（2）： 1537-1546.

[5]陳国金，姜周曙，苏少辉，等. 基于工业4.0的智能工厂实验系统的搭建及应用[J]. 现代教育技术， 2017， 27（7）：121-126.

[6]Wen Z， Liu X， Xu Y， et al. A RESTful framework for Internet of things based on software defined network in modern manufacturing[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2016， 84（1-4）： 361-369.

[7]Atieh A M， Kaylani H， Al-abdallat Y， et al. Performance improvement of inventory management system processes by an automated warehouse management system[J]. Procedia Cirp， 2016， 41： 568-572.

[8]楊远，唐文洁，齐安彬，等. 大型LNG工厂能耗分析及节能措施[J]. 石油与天然气化工， 2017， 46（4）：103-108.

[9]杨烨.数字化LNG工厂建设与应用[J].天然气与石油， 2015， 33（5）：66-69.

[10]蒲黎明，李莹珂，刘家洪，等.湖北500万方/天LNG工厂国产化示范工程主要技术方案选择[J]. 广东化工， 2014， 41（14）：191-192.

[11]杨烨，何骁.LNG工厂停产状态下循环冷却水腐蚀性研究[J].石油与天然气化工， 2016（1）：102-106.

[12]Kurle Y M， Wang S， Xu Q. Dynamic simulation of LNG loading， BOG generation， and BOG recovery at LNG exporting terminals[J]. Computers & Chemical Engineering， 2017， 97： 47-58.

[13]Chinn D， Huang S H W， Yi Y. Integration of a small scale liquefaction unit with an LNG plant to convert end flash gas and boil-off gas to incremental LNG： U.S. Paten， 9709325[P]. 2017-7-18.

[14]Li Y， Li Y. Dynamic optimization of the boil-off gas （BOG） fluctuations at an LNG receiving terminal[J]. Journal of Natural Gas Science and Engineering， 2016， 30： 322-330.

[15]Yun S K. Characteristics of boil-off-gas partial re-liquefaction systems in LNG ships[J]. Journal of the Korean Society of Marine Engineering， 2016， 40（3）： 174-179.

[16]申文静.利用层次分析法评价油气运聚单元[J].中国石油勘探，2010，15（ 3）： 45-50.

[17]何沙，吉安民，姬荣斌，等.基于AHP-最小判别的逐级判别模型的石油企业安全应急能力评价[J].中国安全科学学报，2011， 21（2）：41-47.

[18]王衍东，顾洁，胡斌.基于AHP的实用中长期电力负荷预测综合模型[J].华东电力，2005， 33（01）：28-31.

[19]Ho W， Ma X. The state-of-the-art integrations and applications of the analytic hierarchy process[J]. European Journal of Operational Research， 2018， 267（2）： 399-414.

[20]Calabrese A， Costa R， Levialdi N， et al. A fuzzy analytic hierarchy process method to support materiality assessment in sustainability reporting[J]. Journal of Cleaner Production， 2016， 121.

[21]沈波. 连续重整燃料气节能途径探讨[J]. 石油炼制与化工， 2011， 42（8）：74-78.

[22]Fran?a J M P， Nieto de Castro C A， Lopes M M， et al. Influence of thermophysical properties of ionic liquids in chemical process design[J]. Journal of Chemical & Engineering Data， 2009， 54（9）： 2569-2575.

[23]Al-Sharrah G K， Edwards D， Hankinson G. A new safety risk index for use in petrochemical planning[J]. Process Safety and Environmental Protection， 2007， 85（6）： 533-540.

随便看

科学优质学术资源、百科知识分享平台，免费提供知识科普、生活经验分享、中外学术论文、各类范文、学术文献、教学资料、学术期刊、会议、报纸、杂志、工具书等各类资源检索、在线阅读和软件app下载服务。