某天然氣液化工藝?yán)湎浞e液分析及排除①

鄭智偉 袁 清 吳 銳

(中海石油廣東液化天然氣有限公司)

美國某液化工藝是一種單級(jí)混合冷劑制冷工藝，在全球應(yīng)用廣泛，僅在中國就有鄂爾多斯星星能源、中海油珠海、達(dá)州匯鑫、靖邊西藍(lán)、蘭州、廣元及廣安[1]等多套LNG裝置使用該工藝。其中，中海油珠海日處理量為60×104m3的天然氣液化裝置[2]在數(shù)年安全運(yùn)行中曾經(jīng)多次出現(xiàn)冷箱積液問題，造成裝置減產(chǎn)甚至生產(chǎn)中斷。冷箱積液是指混合冷劑在系統(tǒng)循環(huán)過程中，其液態(tài)冷劑不能順利離開冷箱，導(dǎo)致冷箱中液態(tài)冷劑堆積，從而造成冷箱無法保持正常循環(huán)，使得液化工段運(yùn)行異常。

1 工藝簡介

珠海天然氣液化裝置的冷箱為板翅式換熱器，共有4個(gè)流通通道。從冷箱上部流道A進(jìn)來的是溫度40 ℃、壓力4 400 kPa(G)且經(jīng)過預(yù)處理的潔凈天然氣，自上而下流動(dòng)，在冷箱內(nèi)部與低溫冷劑進(jìn)行換熱。當(dāng)溫度降至-48 ℃后，從冷箱中上部引出至重?zé)N分離器進(jìn)行重?zé)N分離，以避免產(chǎn)出不合格LNG以及防止重?zé)N在低溫情況下凝結(jié)堵塞流道，破壞冷箱的正常運(yùn)行；脫除重?zé)N后的天然氣經(jīng)流道B回到冷箱，繼續(xù)與低溫冷劑換熱。待溫度降至-153 ℃后，再經(jīng)過一個(gè)節(jié)流閥J-T F1降溫到-162 ℃、降壓到250 kPa(G)后去LNG儲(chǔ)罐儲(chǔ)存；進(jìn)入流道C的是溫度40 ℃、壓力3 900 kPa (G)的高壓混合冷劑，由氮?dú)?、甲烷、乙烯、丙烷和異戊?種組分組成，氣態(tài)冷劑為經(jīng)過E-03冷卻后分離出來的混合氣體，靠自身壓力流動(dòng)到V-03，再從V-03流動(dòng)到冷箱入口。液態(tài)冷劑則是由壓縮機(jī)二段出口的混合冷劑經(jīng)過E-03冷卻后分離出來的混合液體，靠管道坡度與重力及氣體帶動(dòng)流動(dòng)到V-03，再從V-03出口通過P-02冷劑泵提升壓力，由FV控制流量輸送至冷箱入口C處與氣態(tài)混合冷劑混合，在冷箱內(nèi)部均勻混合后自上而下流過冷箱，與低溫冷劑進(jìn)行換熱，溫度降至-150 ℃，且完全轉(zhuǎn)變?yōu)橐合?，再?jīng)過節(jié)流閥J-T H1將壓力降至200 kPa (G)，混合冷劑中的部分低沸點(diǎn)冷劑率先蒸發(fā)，使混合冷劑溫度降至-153 ℃；此低壓混合冷劑從冷箱底部進(jìn)入冷箱流道D，自下而上流過冷箱，各種冷劑逐級(jí)汽化，吸收天然氣和高壓混合冷劑的熱量，溫度升至35 ℃左右離開冷箱進(jìn)入壓縮機(jī)一段吸入罐V-01中，然后氣體再進(jìn)入一個(gè)兩級(jí)離心式冷劑壓縮機(jī)C-01，先經(jīng)C-01一級(jí)壓縮、冷凝、分液,液體儲(chǔ)存在冷劑壓縮機(jī)級(jí)間分液罐V-02中，分離出來的氣態(tài)冷劑經(jīng)冷劑壓縮機(jī)二級(jí)壓縮、冷凝、分液，液體儲(chǔ)存在V-03中，高壓氣態(tài)冷劑通過自身壓力輸送到冷箱入口。經(jīng)過C-01一級(jí)壓縮、冷凝分離出來并存在V-02中的液體通過泵P-01 提升壓力輸送到V-03中，與V-03中的高壓液態(tài)冷劑混合并通過P-02輸送到冷箱入口。V-02通過液位控制閥LCV進(jìn)行調(diào)節(jié)并保持在一個(gè)液位水平上，形成一個(gè)混合冷劑的循環(huán)過程。液化工段流程示意圖見圖1。

2 冷箱積液產(chǎn)生的原因

冷箱的正常循環(huán)是冷劑汽化后不斷向上流動(dòng)。當(dāng)液態(tài)冷劑過多時(shí)就不能有效汽化，氣體冷劑無法及時(shí)將液態(tài)冷劑帶出冷箱，造成液體堆積在冷劑通道中，從而使氣相冷劑不能順利通過冷箱,惡性循環(huán)造成液態(tài)堆積越來越多，最終循環(huán)被破壞。

3 冷箱積液的危害

冷箱積液的主要危害表現(xiàn)在：一是在冷箱積液時(shí)，冷劑節(jié)流閥J-T H1流通能力減小，大量氣相冷劑流經(jīng)冷劑壓縮機(jī)防喘振管線，無法通過冷箱循環(huán)；二是液態(tài)冷劑持續(xù)進(jìn)入冷箱中，使冷箱無法建立合理的溫降梯度，導(dǎo)致冷箱無法實(shí)現(xiàn)對(duì)天然氣降溫和液化的功能，不能產(chǎn)出合格的LNG產(chǎn)品；三是由于冷箱積液過多時(shí)，混合冷劑出冷箱的溫度會(huì)降低，當(dāng)溫度降至冷劑壓縮機(jī)入口溫度聯(lián)鎖值以下時(shí)，將觸發(fā)壓縮機(jī)緊急停車，致使裝置生產(chǎn)中斷。

4 冷箱積液的現(xiàn)象及原因分析

4.1 液位變化

由于液化工段是個(gè)封閉式循環(huán)系統(tǒng)。因此，系統(tǒng)內(nèi)的冷劑總量是固定的(除了正在向循環(huán)系統(tǒng)添加冷劑外)，V-01、V-02、V-03的液位是相對(duì)穩(wěn)定的，V-01是離心式壓縮機(jī)的一段吸入罐，運(yùn)行中一般情況保持液位為0。當(dāng)冷箱積液逐漸增加時(shí)看出，V-02的液位控制閥逐漸關(guān)小直到關(guān)閉為止，液位不斷下降。V-03的液位會(huì)出現(xiàn)逐漸降低的趨勢，直到低低液位聯(lián)鎖停泵。V-01會(huì)逐漸出現(xiàn)液位并不斷上升，直到高高液位聯(lián)鎖停止冷劑壓縮機(jī)。

這種情況是由于冷箱積液時(shí)，流出冷箱的重冷劑(如丙烷、異戊烷)逐漸減少，被級(jí)間冷卻器冷凝出來的液態(tài)冷劑會(huì)不斷減少，而輸送到冷箱內(nèi)的液態(tài)冷劑保持不變，這樣V-02、V-03的液位將會(huì)逐漸降低，液態(tài)冷劑都存在冷箱當(dāng)中。同時(shí)隨時(shí)間的進(jìn)展，部分重冷劑被帶出冷箱并以液態(tài)形式存在于V-01中。

4.2 壓力變化

冷箱正常運(yùn)行時(shí)冷劑壓縮機(jī)的進(jìn)出口壓力基本保持為一條微微波動(dòng)的直線。當(dāng)冷箱逐漸有積液傾向時(shí)，發(fā)現(xiàn)冷劑壓縮機(jī)的一段入口壓力和流量以及壓縮機(jī)二段出口壓力呈現(xiàn)周期性的波動(dòng)，類似段塞流。同時(shí)伴隨著防喘振的頻繁動(dòng)作。

這種情況發(fā)生的原因是起初流經(jīng)冷箱的氣相冷劑比液態(tài)冷劑多，并保持在穩(wěn)定的比例，氣態(tài)冷劑可以輕松地將液態(tài)冷劑推動(dòng)向上運(yùn)行。當(dāng)氣態(tài)冷劑與液態(tài)冷劑相當(dāng)時(shí)，氣態(tài)冷劑需要克服液態(tài)冷劑的重力才能帶動(dòng)液態(tài)冷劑運(yùn)行；當(dāng)兩者處于臨界點(diǎn)時(shí)，就會(huì)形成類似段塞流，造成流量周期性波動(dòng)引發(fā)壓力的周期性波動(dòng)。防喘振閥是根據(jù)流量進(jìn)行調(diào)節(jié)的，因此，閥門也在周期性頻繁動(dòng)作。

當(dāng)冷箱積液趨于嚴(yán)重時(shí)，發(fā)現(xiàn)冷劑壓縮機(jī)一段吸入壓力不斷減小，冷劑壓縮機(jī)二段出口壓力不斷上升，上升到一定高點(diǎn)后，壓縮機(jī)的進(jìn)出口壓力開始隨著防喘振閥動(dòng)作而調(diào)整，并最終隨著防喘振閥調(diào)整的穩(wěn)定而穩(wěn)定下來。同時(shí)，伴隨冷劑壓縮機(jī)的防喘振閥的余量會(huì)不斷減少，然后防喘振閥逐漸開大并調(diào)整，直到壓縮機(jī)段間入口流量穩(wěn)定。

這種情況發(fā)生的原因是隨著冷箱中積聚的液態(tài)冷劑過多時(shí)，液體會(huì)逐漸堵塞冷劑通道，造成氣相冷劑無法順利通過冷箱，氣態(tài)冷劑因無法循環(huán)進(jìn)而堆積在壓縮機(jī)出口，導(dǎo)致壓力上升。流出冷箱的冷劑減少造成冷劑壓縮機(jī)吸入量減少，流出冷箱的冷劑溫度較低，所以吸入壓力下降。由于冷箱通道堵塞造成壓縮機(jī)段間流量不足，防喘振閥門自動(dòng)開大以維持壓縮機(jī)的穩(wěn)定流量運(yùn)行。上述情況的前提是冷劑壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速保持不變。

4.3 冷箱的溫度及梯度變化

當(dāng)冷箱運(yùn)行時(shí)，冷箱內(nèi)部各溫度點(diǎn)的趨勢近乎是一條直線。當(dāng)冷箱逐漸向積液發(fā)展時(shí)，冷箱底部低溫端溫度逐漸大幅升高，冷箱上部高溫端溫度逐漸大幅降低，而中部溫度變化不大，冷箱的溫度逐漸趨于一致，各點(diǎn)間溫差很小，無法形成明顯的溫度梯度。

出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是由于液態(tài)冷劑主要是丙烷和異戊烷，而這兩種冷劑的沸點(diǎn)高，不易汽化，在運(yùn)行中起到制冷劑和載冷劑的作用。載冷劑的作用即在重冷劑溫度低于沸點(diǎn)時(shí)難以汽化，其主要功能是將冷箱底部氮?dú)?、甲烷產(chǎn)生的低溫冷量向上帶。到了冷箱上部時(shí)，溫度達(dá)到重冷劑的沸點(diǎn)，制冷劑開始汽化吸收熱量。當(dāng)冷箱積液過多時(shí)，由于氣態(tài)冷劑無法流入冷箱，即無法通過J-T H1產(chǎn)生低溫冷量，液態(tài)冷劑源源不斷地流入冷箱吸收冷量，天然氣也不斷流過冷箱吸收冷量，使得冷箱底部溫度快速上升，J-T H1的溫差縮小，閥前后溫度快速上升。另外，由于重冷劑量堆積大，蓄能大，冷量不斷向上傳遞，因其沸點(diǎn)高，難以在冷箱中上部汽化，造成冷箱上部的冷量過剩，溫度不斷降低。中部溫度變化較小，整體看就是冷箱各個(gè)點(diǎn)溫度向中部收斂。

4.4 冷箱冷劑流道壓差的變化

當(dāng)冷箱開始出現(xiàn)積液時(shí)，冷箱低壓冷劑流道的壓差開始上升，主要是因?yàn)榱鞯乐幸后w堆積，靜液柱壓力增大，導(dǎo)致壓差計(jì)檢測的壓差上升。

5 冷箱積液的排除方法

5.1 減少液態(tài)冷劑并增加熱負(fù)荷

冷箱積液時(shí)，逐漸減少甚至停止液態(tài)冷劑向冷箱的輸送，減少液態(tài)冷劑在冷箱中的堆積，同時(shí)增加天然氣流量以增加冷箱的熱負(fù)荷，加快液態(tài)冷劑的汽化逐漸流出冷箱。

5.2 增大氣態(tài)冷劑

開大冷劑節(jié)流閥J-T H1或者通過使用旁路讓更多高壓的氣態(tài)冷劑流入冷箱，高壓冷劑可以有效地克服液態(tài)冷劑重力的影響，將液態(tài)冷劑推出冷箱。

5.3 打開加熱線

使用冷劑壓縮機(jī)一段出口的高溫冷劑加熱線汽化V-01的液體，將重冷劑丙烷和異戊烷通過循環(huán)、冷凝重新回到V-02和V-03中。

5.4 處理成功的現(xiàn)象

冷箱積液排除成功的現(xiàn)象：冷劑節(jié)流閥J-T H1前段及后段段間壓差下降到正常水平，冷箱內(nèi)部各點(diǎn)溫度開始擴(kuò)散建立有效溫度梯度。同時(shí)，V-01的液位持續(xù)下降至最低點(diǎn)，V-02和V-03的液位開始上升并逐漸趨向正常操作范圍，冷劑壓縮機(jī)各點(diǎn)參數(shù)逐漸趨向穩(wěn)定，并恢復(fù)到正常操作范圍。

6 冷箱積液排除的注意事項(xiàng)

6.1 壓縮機(jī)入口壓力

處理冷箱積液時(shí)要嚴(yán)密注意壓縮機(jī)的入口壓力，避免壓縮機(jī)一段入口壓力大幅波動(dòng)造成壓縮機(jī)聯(lián)鎖停機(jī)。主要原因是積液過程中冷劑壓縮機(jī)入口壓力下降有利于液態(tài)冷劑的汽化。同時(shí)，由于天然氣依舊不斷流過冷箱使液態(tài)冷劑汽化，并流出溫度較低的重冷劑，甚至還可能是液態(tài)冷劑逐漸溢出冷箱，造成冷劑壓縮機(jī)吸入口內(nèi)出現(xiàn)大量的丙烷和異戊烷，這些重冷劑相對(duì)于輕冷劑(氣態(tài)冷劑如氮?dú)?、甲烷、乙?質(zhì)量大得多，壓縮機(jī)流量計(jì)檢測到流量突然增大，防喘振閥將自動(dòng)快速關(guān)小，以保持一段入口流量穩(wěn)定，這樣造成一段入口壓力急劇下降，二段出口壓力也隨之下降?？赏ㄟ^手動(dòng)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)一段入口防喘振閥來解決壓力大幅波動(dòng)的問題。

6.2 溫度變化速率

處理冷箱積液過多時(shí)要嚴(yán)格按照廠家給出的操作指標(biāo)，控制冷箱內(nèi)部的溫度變化速率，避免由于溫變速率過大產(chǎn)生的熱應(yīng)力損壞冷箱。本裝置要求冷箱各點(diǎn)的溫度變化速率小于30 ℃/h，同一層面溫度差小于28 ℃，最高溫度不得超過66 ℃。

6.3 LNG儲(chǔ)罐壓力

由于在冷箱積液過多的處理過程中，冷箱溫度會(huì)上升，但是LNG的液化過程并沒有停止，生產(chǎn)的LNG密度低、溫度高，與儲(chǔ)罐中的LNG相差較大。此時(shí)，要嚴(yán)密注意LNG儲(chǔ)存罐的壓力，尤其要防止常壓的LNG存儲(chǔ)罐中發(fā)生分層甚至渦旋[3]與超壓，盡快將LNG的進(jìn)液方式調(diào)整為上進(jìn)液，將放空壓力設(shè)定值調(diào)低。另外，保險(xiǎn)的做法可以將生產(chǎn)出的溫度高、密度低的LNG放空，暫時(shí)不進(jìn)入儲(chǔ)罐中。

6.4 天然氣中重?zé)N含量

由于冷箱積液時(shí)冷箱中部溫度會(huì)很低，但是在解決冷箱積液過多的過程中會(huì)減少重冷劑的量，中部溫度則會(huì)上升。此時(shí)，要嚴(yán)密注意冷箱天然氣通道壓差以及色譜分析所顯示的重?zé)N含量，防止重?zé)N類物質(zhì)未脫除干凈便進(jìn)入冷箱下部，堵塞冷箱的天然氣通道[4]。

7 結(jié) 語

冷箱(板翅式換熱器)容易積液是某天然氣液化裝置中特有的異常工況，常常在操作不當(dāng)時(shí)出現(xiàn)?？赏ㄟ^文中描述的幾種現(xiàn)象迅速做出正確判斷，并進(jìn)行有效處理。但在處置中需要小心謹(jǐn)慎，避免造成二次故障工況的出現(xiàn)，如冷箱天然氣側(cè)冰堵、大罐分層渦旋及壓縮機(jī)液擊等。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉盛鵬.廣安LNG裝置冷箱積液處理[J].石油與天然氣化工，2013,42(2)：154-155.

[2] 郭海燕，張煒森.珠海LNG裝置技術(shù)分析與運(yùn)行情況[J].石油與天然氣化工，2012,41(1)：43-47.

[3] 顧安忠，魯雪生，汪榮順，等.液化天然氣技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

[4] 袁清，鄭智偉.一起冷箱冰堵事故的經(jīng)過和原因分析[J].廣州化工，2013,41(15)：198-200.