王沛金 吳其林 陳妙蘭 陳長雄 王幼林 張玉強(qiáng)

1.廣東大鵬液化天然氣有限公司 2.廣東省非常規(guī)能源工程技術(shù)研究中心 3.廣東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院

氮氣是一種化學(xué)性質(zhì)極不活潑的“惰性”氣體，常作為保護(hù)氣廣泛應(yīng)用于石油天然氣、化工、冶金等多個行業(yè)[1-2]。對于LNG接收站而言，氮氣主要用于管道或設(shè)備的吹掃置換及設(shè)備的密封，且氮氣純度必須在98%以上。在正常情況下，氮氣需要連續(xù)使用于卸料臂和氣相返回臂的旋轉(zhuǎn)接頭、低壓泵、高壓泵、BOG壓縮機(jī)及火炬總管；當(dāng)卸料臂使用前后或管道需要維護(hù)檢修時，則需要較大用量的氮氣進(jìn)行吹掃置換[3]。

接收站通常需要根據(jù)現(xiàn)場工藝的用氮需求、裝置的可靠性及生產(chǎn)成本等因素，選擇合適的供氮裝置組合[4]。目前國內(nèi)大多建成的LNG接收站采用PSA制氮與液氮氣化相結(jié)合的方案供氮[5-8]。

本文以廣東大鵬LNG接收站為例，從工藝要求和經(jīng)濟(jì)性兩方面對購買液氮氣化輔助PSA制氮系統(tǒng)和液氮氣化系統(tǒng)單獨供氮這兩種供氮方案進(jìn)行綜合分析比較，最終推選出較優(yōu)方案，并進(jìn)行改進(jìn)。

1 供氮方法的概述及比較

目前常見的制氮方法主要有深冷制氮法、變壓吸附制氮法、膜分離制氮法[9]。一般而言，深冷制氮主要應(yīng)用大規(guī)模工業(yè)，不適用于接收站，因此，接收站通常采取變壓吸附制氮或膜分離制氮方法來保證日常供氮。但考慮到接收站間歇用氮量較大，通常需要采取外購液氮氣化的方式輔助供氮[10]。

1.1 液氮氣化法

利用直接購買液氮的方式，將液氮儲存于一定容積的儲罐中。其中，液氮儲罐底部有自增壓裝置。當(dāng)打開增壓閥門時，液氮經(jīng)過液氮儲罐底部的空溫式氣化器氣化，并回到液氮儲罐的頂部，使氣相空間中氮氣的物質(zhì)的量增大，則液氮儲罐的壓強(qiáng)也隨之增大，從而達(dá)到自增壓的效果[11]。

當(dāng)用氮高峰需求時，液氮在液氮儲罐內(nèi)部的氣相空間壓力和液柱壓力的共同作用下輸送至空溫式氣化器，使液氮在盤管中與外界空氣充分換熱氣化后進(jìn)入氮氣管網(wǎng)。某接收站有兩套液氮氣化裝置，一備一用，其具體工藝流程見圖1。

1.2 變壓吸附制氮法

變壓吸附制氮，又稱為PSA制氮，它是以空氣為原料，利用分子篩對氧和氮的吸附性能差異實現(xiàn)氣體分離，制取高純度的氮氣[12-13]。通過變壓吸附法所制得的氮氣純度(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)一般在95%～99.9%，而接收站對氮氣純度要求較高，需達(dá)98%以上。因此，可適當(dāng)降低制氮機(jī)的氮氣出口流量，使氮氣的純度提高，進(jìn)而滿足現(xiàn)場工藝要求。

對于PSA制氮系統(tǒng)而言，分子篩的吸附性能在很大程度上決定了出口處氮氣純度，而分子篩對壓縮空氣的質(zhì)量要求較高，因此，對壓縮空氣的凈化尤為重要。一般來說，空氣經(jīng)過空壓機(jī)壓縮后進(jìn)入壓縮空氣凈化系統(tǒng)，通過凈化系統(tǒng)的除油、除水以及除塵處理后，方可進(jìn)入PSA吸附系統(tǒng)進(jìn)行氮氧分離[14]。同時，PSA吸附系統(tǒng)需要通過兩個吸附塔并聯(lián)，來實現(xiàn)交替進(jìn)行加壓吸附與解壓再生，滿足接收站的持續(xù)用氮需求[15]。具體工藝流程見圖2。

1.3 膜分離制氮法

在一定的壓力作用下，利用空氣中各種組分在膜中的不同滲透速率來實現(xiàn)分離，氮氣的滲透速率相對較慢，通常在高壓滯留側(cè)富集[16]。

膜分離制氮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為緊湊且產(chǎn)氣速度快，適用于氮氣純度不高的用戶。當(dāng)?shù)獨饧兌刃柽_(dá)98%以上時，其設(shè)備成本較相同規(guī)格的PSA制氮系統(tǒng)高得多[17]。因此，從設(shè)備投資的角度出發(fā)，PSA制氮系統(tǒng)較膜分離制氮系統(tǒng)應(yīng)用于接收站更具優(yōu)勢。

1.4 3種供氮方法的比較

液氮氣化法的工藝最為簡單，且供氮速度快，氮氣純度高，是目前大多數(shù)接收站必要的供氮方法[10]。而PSA制氮和膜分離制氮這兩種供氮方法在純度或流量上需要經(jīng)常調(diào)節(jié)，才能滿足接收站用氮要求[9]。其次，二者均依賴于電能，一旦發(fā)生斷電，需要啟動應(yīng)急供電裝置[18]。目前，LNG接收站比較傾向于采用PSA制氮工藝來維持日常用氮[6]。

2 供氮方案的運行成本分析

某接收站有兩套PSA制氮裝置，一備一用。在正常工況下，氮氣持續(xù)使用量較少，平均值為80 m3/h，且純度需達(dá)98%以上。而1套PSA制氮裝置的產(chǎn)氮能力為100 m3/h，純度達(dá)99.5%以上，理論上能夠滿足接收站正常工況下的用量需求。在卸船即將結(jié)束時，需要較大用量的氮氣吹掃卸料臂。其中，每條卸料臂的氮氣消耗量近似為100 m3/h，平均吹掃時間為1.5～2 h[19]，故往往需要液氮氣化系統(tǒng)與PSA制氮系統(tǒng)同時供氮，具體供氮方案及系統(tǒng)參數(shù)見圖3和表1。

然而，在實際的生產(chǎn)運行中，由于來自空壓機(jī)系統(tǒng)的氣源壓力波動較大，影響了分子篩對氧的吸附性能，故通過調(diào)節(jié)閥門的開度來降低氮氣出口流量，使氮氣純度滿足工藝要求，由此導(dǎo)致1套產(chǎn)氮能力為100 m3/h且純度達(dá)99.5%以上的PSA制氮裝置，在相同純度條件下的平均產(chǎn)氮量僅能達(dá)到55 m3/h[10]。其次，制氮裝置冷干機(jī)的處理能力低、出口管線的背壓高以及產(chǎn)能的逐年下降等因素也會影響制氮裝置的產(chǎn)氮量[20-21]，這使得裝置近期在相同純度條件下的實際產(chǎn)氮量僅有30 m3/h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以滿足用量需求，即說明在日常情況下，液氮氣化系統(tǒng)仍需向氮氣管網(wǎng)供應(yīng)氮氣，導(dǎo)致日常液氮使用量偏大，影響經(jīng)濟(jì)效益。

表1 供氮系統(tǒng)性能參數(shù)供氮系統(tǒng)工作壓力/MPa氮氣純度(w)/%露點/℃產(chǎn)氮能力/(m3·h-1)PSA制氮系統(tǒng)0.69≥99.5≤-60100液氮氣化系統(tǒng)0.69>99.9無水520 注:文中的產(chǎn)氮量及用氮量僅適用于標(biāo)況條件下。

由于PSA制氮裝置的經(jīng)濟(jì)性變差，因此考慮利用液氮氣化系統(tǒng)來代替PSA制氮系統(tǒng)為接收站日常供氮，具體供氮方案見圖4。

2.1 運行成本計算模型

液氮氣化輔助PSA制氮系統(tǒng)供氮方案的運行成本包括液氮采購費W1、設(shè)備折舊費W2、電費W3及維修保養(yǎng)費W4，而液氮氣化系統(tǒng)單獨供氮方案的運行成本僅包括液氮采購費W1及設(shè)備折舊費W2。

2.1.1 液氮采購費

液氮采購費W1按公式(1)計算：

W1=Q1d1

(1)

式中：Q1為液氮使用量，t；d1為液氮單價,元/t。

2.1.2 設(shè)備折舊費

設(shè)備折舊費W2按公式(2)計算[22]：

W2=S0P1

(2)

式中：S0為固定資產(chǎn)原值,元；P1為折舊率，%。

2.1.3 電費

電費W3按公式(3)計算：

W3=Q2d2

(3)

式中：Q2為用電量，kW·h；d2為電費單價，元/(kW·h)。

2.1.4 維修保養(yǎng)費

維修保養(yǎng)費W4一般需要根據(jù)設(shè)備的實際使用情況來確定。據(jù)統(tǒng)計，某接收站PSA制氮系統(tǒng)的維修保養(yǎng)費約為10萬元/年，液氮氣化系統(tǒng)的維修保養(yǎng)費可忽略不計。

綜上，供氮方案的運行成本計算公式見式(4)：

(4)

2.2 液氮氣化輔助PSA制氮系統(tǒng)供氮方案運行成本

PSA制氮系統(tǒng)的產(chǎn)氮能力為100 m3/h，且氮氣純度達(dá)99.5%以上，而裝置近期在相同純度條件下的實際產(chǎn)氮量僅有30 m3/h，即說明接收站日常80 m3/h且純度需達(dá)98%以上的用氮量，仍需要由液氮氣化系統(tǒng)供應(yīng)50 m3/h，折算成質(zhì)量流量為62.5 kg/h，則一年所需的液氮采購費為：

W1=Q1d1=62.5×10-3×24×365×800=43.8(萬元)

而PSA制氮系統(tǒng)運行成本主要為設(shè)備折舊費、維護(hù)保養(yǎng)費、電費。其中，PSA制氮系統(tǒng)的一次性投資為180萬元，按10年折舊，不計殘值，則年折舊費W2為18萬元；維修保養(yǎng)費W4為更換配件的費用，約10萬元/年；而1套PSA制氮裝置的功率為41 kW，則裝置持續(xù)運行1年的用電量為：

Q2=41×24×365=35.9×104(kW·h)

考慮到深圳實施峰谷電價方案，具體見表2。

由于接收站涉及用電的設(shè)備較多，在此不考慮基本電費。而1天用電的高峰時段、平時段、低谷時段的時長分別為7 h、9 h、8 h，算得平均電價d2為0.55元/(kW·h)，則PSA制氮系統(tǒng)運行1年的電費為：

W3=Q2d2=35.9×104×0.55=19.7(萬元)

2.3 液氮氣化系統(tǒng)單獨供氮方案運行成本

液氮氣化系統(tǒng)運行成本主要為液氮采購費、設(shè)備折舊費。在正常工況下，接收站的日常平均用氮量為80 m3/h，折算成質(zhì)量流量為100 kg/h。當(dāng)PSA制氮系統(tǒng)停止運行時，則該部分的氮氣量均由液氮氣化產(chǎn)生。而液氮的價格一般為600～1000 元/噸，取中間值為800 元/噸。則1年所需的液氮采購費為：

W1=Q1d1=100×10-3×24×365×800=70.1(萬元)

而液氮氣化系統(tǒng)的一次性投資為50萬元，按10年折舊且不計殘值，即年折舊率為10%，則設(shè)備年折舊費為：

W2=S0P1=50×10%=5(萬元)

綜上，對兩種供氮方案的運行成本進(jìn)行比較，具體情況見表3。

表3 供氮方案的運行成本比較萬元/年供氮方案液氮采購費年折舊費電費維護(hù)保養(yǎng)費運行成本液氮氣化輔助PSA制氮系統(tǒng)供氮方案43.81819.71091.5液氮氣化系統(tǒng)單獨供氮方案70.15--75.1

顯然，液氮氣化系統(tǒng)單獨供氮方案運行成本相對較低，反映了在PSA制氮系統(tǒng)產(chǎn)能低的情況下，利用液氮氣化系統(tǒng)來代替PSA制氮系統(tǒng)為接收站日常供氮，在經(jīng)濟(jì)上是可行的。如果考慮重新購置制氮裝置投入運行，需要慎重考慮裝置的實際使用壽命及投資回收期。

近期，考慮到成本原因，將PSA制氮系統(tǒng)關(guān)停，不再投入運行，僅保留液氮氣化系統(tǒng)為接收站供氮。

3 液氮氣化系統(tǒng)單獨供氮方案的可行性分析

液氮氣化系統(tǒng)是由2個20 m3的液氮儲罐以及4臺空溫式氣化器及分配管道組成，每個空溫氣化器的氣化能力為520 m3/h。通常情況下，1個液氮儲罐連接2個并聯(lián)的空溫式氣化器，即每套液氮氣化裝置的最大氣化能力可達(dá)到1 040 m3/h，而氮氣最大吹掃量為卸船即將結(jié)束時的卸料臂吹掃(4個液相臂和1個氣相臂)及日常消耗量的總和，約為580 m3/h，故1套液氮氣化裝置的供氮能力在理論上就滿足接收站氮氣用量高峰需求。

但考慮到卸料臂吹掃時要求氮氣供應(yīng)速度要快，故接收站一般采用氮氣緩沖罐儲存一定量較高壓力的氮氣進(jìn)行補(bǔ)充供氮。當(dāng)?shù)獨饩彌_罐(20 m3)的壓力從1.6 MPa降至0.9 MPa時，可供氮氣量為：

=130(m3)

(5)

從現(xiàn)場觀察記錄發(fā)現(xiàn)，液氮氣化系統(tǒng)能夠單獨平穩(wěn)供氮，現(xiàn)場設(shè)備也無異常情況。具體供氮情況見圖5。

4 結(jié)論

上述方案實施后，通過觀察液氮氣化系統(tǒng)的近期運行情況發(fā)現(xiàn)，液氮氣化系統(tǒng)供氮正常。同時，利用液氮氣化系統(tǒng)單獨供氮的運行成本較購買液氮氣化輔助PSA制氮低。由此說明，在PSA制氮系統(tǒng)產(chǎn)能低的情況下，通過液氮氣化系統(tǒng)單獨為接收站供氮是可行的。倘若液氮的冷能能夠得到有效利用，該方案的經(jīng)濟(jì)效益將會顯著提高,且對于類似該供氮方案的接收站具有一定的借鑒意義。