小型天然气液化装置节能优化设计

引言

随着全球向清洁能源转型，天然气需求增长，小型天然气液化装置因建设周期短、占地小、适应分散气源等特点，在偏远供气、应急储备等领域广泛应用。但该装置能耗高，增加运行成本且不符节能减排理念，其液化过程中压缩、冷却和液化需大量能量，压缩机组、制冷系统是主要耗能环节。在能源价格波动和环保要求严格背景下，对其进行节能优化，降低单位产品能耗，是提高经济性和竞争力的关键，研究其节能措施有重要意义。

一、小型天然气液化装置的能耗构成及节能重要性

（一）能耗构成

小型天然气液化装置能耗主要来自：压缩环节，压缩机组是主要耗能设备，能耗占比 40%-50%= ；制冷环节，制冷压缩机、膨胀机等设备耗能大，占比 30%-40% ；辅助系统，如循环水泵等辅助设备，整体能耗占比 10% -20%。

（二）节能重要性

降低运行成本，减少能源消耗，降低运营支出，提高经济效益；提升环境效益，减少化石能源燃烧及污染物排放，符合环保要求，助力“双碳”目标；增强市场竞争力，节能优化后的装置运行成本低、环保好，更具优势。

二、小型天然气液化装置能耗方面存在的问题

（一）工艺设计不合理

部分装置工艺设计缺节能考虑，流程复杂、能量利用效率低，如制冷与预处理系统匹配差、压缩压力参数设置不合理。

一些装置设备技术水平低、能效等级不高，如压缩机组绝热效率低等，且设备老化、维护差会使能耗升高。（三）操作管理不规范

操作人员技能和习惯影响能耗，存在操作参数设置不合理、负荷调节不及时等问题，缺乏实时能耗监测分析。

（四）余热回收利用不足

装置运行产生大量余热，如压缩机组排气余热等，多数装置回收利用不充分，造成能源浪费。

三、小型天然气液化装置节能优化措施

（一）工艺优化

优化制冷工艺：根据气源条件和液化规模，选择更高效的制冷工艺。例如，对于小型装置，混合制冷剂制冷（MRC）工艺相比阶式制冷工艺具有流程简单、能耗较低的优势，可优先采用；通过优化混合制冷剂的组分和配比，提高制冷效率，减少制冷系统的能耗。

优化压缩工艺：合理确定压缩阶段的压力等级，避免不必要的压缩功消耗。采用多段压缩中间冷却技术，降低压缩过程中的排气温度，提高压缩机组的效率；对于有条件的装置，可采用等温压缩技术，进一步减少压缩能耗。

简化工艺流程：去除流程中不必要的设备和环节，减少天然气在流动过程中的压力损失和冷量损失。例如，优化换热器的布置和连接方式，缩短管路长度，降低流动阻力。

（二）设备升级

选用高效节能设备：更换能效等级低的压缩机组和制冷设备，选用变频压缩机组，使其能根据负荷变化自动调节转速，减少空载能耗；采用高效换热器（如板式换热器、螺旋板式换热器），提高传热效率，降低传热温差，减少冷量消耗。

对现有设备进行改造：对老化设备进行检修和改造，恢复其性能。例如，对压缩机组的气阀、活塞环等易损部件进行更换，减少泄漏损失；对换热器进行清洗除垢，提高传热效果。

采用先进控制系统：引入集散控制系统（DCS）或可编程逻辑控制器（PLC），实现对装置运行参数的实时监测和自动调节，确保设备在最佳工况下运行，提高整体能效。

（三）操作改进

加强操作人员培训：提高操作人员的技能水平和节能意识，使其熟悉装置的最佳运行参数和操作规范。定期开展培训活动，讲解节能操作技巧和能耗分析方法，确保操作人员能根据实际情况及时调整操作参数。实施精细化操作：建立完善的操作管理制度，规范操作人员的行为。例如，在装置启动和停机过程中，严格按照操作规程进行，避免不必要的能耗；在负荷波动时，及时调整压缩机组和制冷系统的运行状态，保持装置的稳定高效运行。

建立能耗监测体系：在装置的关键耗能环节安装能耗监测仪表，实时采集能耗数据，并通过数据分析软件进行处理和分析，及时发现能耗异常情况，采取措施加以解决。

（四）余热回收利用

回收压缩机组余热：利用压缩机组的排气余热或冷却水中的余热，通过余热锅炉产生热水或蒸汽，用于加热天然气预处理过程中的原料气、供暖或提供生活用热，减少额外的能源消耗。

回收制冷系统余热：对于采用蒸汽压缩制冷的装置，可回收制冷压缩机的排气余热，用于驱动吸收式制冷机，产生低温冷水，用于天然气的预冷，提高能源的梯级利用效率。

利用环境能源：在有条件的地区，可利用太阳能、地热能等可再生能源辅助装置运行。例如，采用太阳能集热器提供部分加热所需的能量，减少对传统能源的依赖。

四、小型天然气液化装置节能效果评估

（一）评估指标

单位产品能耗：即生产单位体积液化天然气所消耗的能量（如 kWh/m³），该指标能直接反映装置的节能效果，单位产品能耗越低，节能效果越好。

能源利用效率：装置有效利用的能量与总消耗能量的比值，比值越高，说明能源利用越充分，节能效果越显著。

运行成本降低率：节能优化后运行成本的降低幅度，通过对比优化前后的能耗费用计算得出，该指标能直观体现节能带来的经济效益。

（二）评估方法

数据对比法：收集节能优化前后装置的能耗数据、运行参数和成本数据，进行对比分析，评估节能措施的实际效果。例如，对比优化前后单位产品能耗的变化，计算能耗降低幅度。

模拟计算法：利用流程模拟软件（如 Aspen HYSYS、PRO/II）建立装置的模型，对节能优化措施进行模拟计算，预测节能效果，为实际应用提供参考。

现场测试法：在装置运行过程中，通过现场测试仪器对关键设备的能耗、温度、压力等参数进行测量，分析节能措施对装置运行状态的影响，评估节能效果。

五、小型天然气液化装置节能优化的未来发展趋（一）智能化节能技术的应用

随着人工智能、大数据等技术的发展，智能化节能技术将在小型天然气液化装置中得到广泛应用。通过建立能耗预测模型，实现对装置能耗的精准预测和优化控制；利用机器学习算法分析历史运行数据，自动识别最佳运行工况和节能潜力，为节能决策提供支持。

（二）可再生能源与装置的融合

未来，小型天然气液化装置将更加注重与可再生能源的结合，如利用太阳能光伏发电为装置的辅助系统供电，利用地源热泵提供部分制冷或制热需求，进一步降低对传统能源的依赖，实现零碳或近零碳运行。

（三）新型制冷剂的研发与应用

研发环保、高效的新型制冷剂，替代传统的制冷剂（如丙烷、乙烯等），降低制冷系统的能耗和环境影响。例如，采用天然制冷剂（如二氧化碳、氨），其具有良好的环保性能和制冷性能，有望在小型天然气液化装置中得到推广应用。

结语

小型天然气液化装置的节能优化是一项系统工程，涉及工艺、设备、操作等多个方面。通过采取工艺优化、设备升级、操作改进、余热回收等措施，能够有效降低装置的能耗，提高能源利用效率，降低运行成本，同时减少环境污染。在实际应用中，企业应根据自身装置的特点和实际情况，选择合适的节能优化措施，并通过科学的评估方法对节能效果进行验证。未来，随着智能化技术、可再生能源和新型制冷剂的不断发展和应用，小型天然气液化装置的节能水平将得到进一步提升，为天然气产业的绿色可持续发展做出更大贡献。

参考文献

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