LNG工廠氮?dú)鈮嚎s機(jī)進(jìn)口壓力波動(dòng)分析

段 玄

（合肥燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，安徽 合肥 230075）

LNG工廠氮?dú)鈮嚎s機(jī)進(jìn)口壓力波動(dòng)分析

段 玄

（合肥燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，安徽 合肥 230075）

LNG生產(chǎn)中發(fā)生氮?dú)鈮嚎s機(jī)進(jìn)口壓力周期性波動(dòng)故障，通過對(duì)液化生產(chǎn)工藝的分析及氮?dú)馕锢硖匦苑治?。確定故障原因?yàn)楣に囍芷谇袚Q中波動(dòng)造成氮?dú)庖夯穑ㄟ^更改工藝控制方法和自動(dòng)控制參數(shù)成功消除故障，確保了液化生產(chǎn)的安全。

液化生產(chǎn)工藝；氮?dú)鈮嚎s機(jī)；壓力波動(dòng)；氮?dú)鉁囟?/p>

1 前言

液化天然氣（LNG）作為清潔、高效的能源。越來越受到國(guó)際社會(huì)的認(rèn)可，正成為全球能源市場(chǎng)的新熱點(diǎn)。同時(shí)LNG作為天然氣資源應(yīng)用的一種重要形式，對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)和實(shí)現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展起著越來越重要的作用。目前我國(guó)的LNG液化生產(chǎn)工廠發(fā)展開始提速，液化生產(chǎn)工藝和技術(shù)也得到了快速的發(fā)展。國(guó)內(nèi)主要的LNG液化生產(chǎn)制冷技術(shù)有階式制冷、膨脹制冷和混合制冷等。在此筆者對(duì)合肥某LNG液化工廠生產(chǎn)中的關(guān)鍵設(shè)備氮?dú)鈮嚎s機(jī)壓力周期性波動(dòng)故障原因作簡(jiǎn)要分析與探討。

合肥某LNG生產(chǎn)工廠采用氮?dú)馀蛎浿评涔に嚿a(chǎn)液化天然氣。采用氮?dú)庋h(huán)制冷工藝較其他相比，制冷劑為氮?dú)?，較為安全。同時(shí)擁有工藝設(shè)備造價(jià)低，開停車檢修方便等優(yōu)點(diǎn)，尤為適合小型的場(chǎng)站[2]。氮膨脹制冷工藝技術(shù)的生產(chǎn)核心裝置之一為賽爾公司生產(chǎn)4BGH24型整體齒輪式壓縮機(jī)。設(shè)計(jì)進(jìn)口壓力0.4Mpa，出口壓力不超過2.5Mpa。液化系統(tǒng)自運(yùn)行以來，出現(xiàn)氮?dú)鈮嚎s機(jī)進(jìn)口壓力瞬間上升至0.43Mpa超壓現(xiàn)象，導(dǎo)致進(jìn)口安全放空閥（自動(dòng)放空設(shè)定值0.41Mpa）自動(dòng)開啟放空，壓縮機(jī)進(jìn)口壓力在0.38至0.43Mpa間波動(dòng)，出口壓力隨之波動(dòng)導(dǎo)致氮循環(huán)回路中的氮?dú)庠鰤和钙脚蛎洐C(jī)轉(zhuǎn)速壓力劇烈波動(dòng)，給設(shè)備安全運(yùn)行和工藝運(yùn)行平穩(wěn)帶來極大的危害。

2 液化工藝及設(shè)備概述

2.1液化天然氣生產(chǎn)采用氮?dú)馀蛎浿评?/p>

工藝流程簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1　液化冷箱工藝流程圖工藝流程

原料天然氣壓力在 4.0Mpa，首先經(jīng)過凈化處理，脫除CO2、硫化物、水和機(jī)械雜質(zhì)后進(jìn)入液化冷箱液化器，經(jīng)板翅式換熱器與返流制冷劑氮?dú)鈸Q熱后TI0902降溫至零下15度，由液化器中部出冷箱后進(jìn)入氟利昂蒸發(fā)器進(jìn)行補(bǔ)充冷量TI0905處降溫至零下35度后再次進(jìn)入液化器中部。繼續(xù)與膨脹機(jī)出口低溫氮?dú)鈸Q熱TI0906處降溫至零下120度液化。進(jìn)入第一級(jí)LNG分離器后節(jié)流降壓至0.5Mpa，閃蒸分離后液相溫度TI0907處降至零下132度進(jìn)入過冷器。在過冷器中與TI0911處零下178度氮?dú)鈸Q熱過冷至零下152度，進(jìn)入第二級(jí)LNG分離器節(jié)流降壓至50Kpa，閃蒸分離后降溫至零下160度，形成常壓低溫LNG產(chǎn)品送入貯罐儲(chǔ)存。

液化器及過冷器冷源均為氮?dú)庋h(huán)提供，氮?dú)獠扇∶荛]循環(huán)方式運(yùn)行，關(guān)鍵設(shè)備由氮?dú)鈮嚎s機(jī)、增壓透平膨脹機(jī)組成，如圖1：0.4Mpa氮?dú)饨?jīng)過氮?dú)鈮嚎s機(jī)四級(jí)壓縮至2.2Mpa，經(jīng)循環(huán)冷卻水溫度降為常溫，再經(jīng)過增壓透平膨脹機(jī)加壓至3.4Mpa后再次水冷至常溫，進(jìn)入低溫冷箱液化器，經(jīng)氟利昂蒸發(fā)器預(yù)冷TI0904處降溫至零下30度后回液化器繼續(xù)降溫至-55度后分成兩路。一路經(jīng)膨脹機(jī)膨脹端后降壓至0.4Mpa、TI0916處降溫至零下132度返流，作為低溫冷箱液化器主冷源。另一路出液化器于TI0917處降溫至零下124度，經(jīng)節(jié)流閥TCV0908節(jié)流降壓至0.4Mpa、降溫至零下178度作為過冷器主冷源。出過冷器復(fù)溫至零下 134度，與膨脹機(jī)出口返流氮?dú)鈪R合，作為液化器補(bǔ)充冷源。在液化器中換熱復(fù)溫至常溫，反流至氮?dú)鈮嚎s機(jī)進(jìn)口完成循環(huán)。

2.2氮?dú)鈮嚎s機(jī)設(shè)備運(yùn)行工作原理

就氮膨脹制冷原理LNG液化工藝來講，氮?dú)鈮嚎s機(jī)是其核心設(shè)備，氮壓機(jī)采用賽爾公司生產(chǎn)4BGH24型整體齒輪式壓縮機(jī)，采用四級(jí)等溫壓縮。氣體從導(dǎo)葉進(jìn)入第一級(jí)葉輪，經(jīng)高速旋轉(zhuǎn)的葉輪壓縮后提高壓力，并以較高流速進(jìn)入擴(kuò)壓器中，氣體在擴(kuò)壓器中流速降低，壓力進(jìn)一步升高后由蝸殼匯集，由排氣管送出，經(jīng)水冷至常溫后，再進(jìn)入下一級(jí)葉輪壓縮。如此經(jīng)過4級(jí)壓縮，氮?dú)庥?.4Mpa壓縮至2.2Mpa送出，經(jīng)膨脹機(jī)及冷箱后回流至氮?dú)鈮嚎s機(jī)進(jìn)口，保持了氮壓機(jī)進(jìn)口壓力的平衡和穩(wěn)定。

3 故障現(xiàn)象描述及分析

在運(yùn)行中氮?dú)饷荛]循環(huán)，循環(huán)量穩(wěn)定在20000m3/h，各點(diǎn)壓力流量均平衡穩(wěn)定。發(fā)現(xiàn)氮壓機(jī)進(jìn)口壓力出現(xiàn) 8小時(shí)周期性波動(dòng)，進(jìn)口壓力無法穩(wěn)定，突然升高，氮壓機(jī)進(jìn)口放空閥超壓放空，排放后壓力下降，如此反復(fù)產(chǎn)生進(jìn)口壓力波動(dòng)氮?dú)庋h(huán)流量出現(xiàn)18000～22000m3/h波動(dòng)，膨脹機(jī)轉(zhuǎn)速亦隨之上升后又快速下降波動(dòng)。造成整個(gè)氮?dú)庋h(huán)系統(tǒng)工藝混亂，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備管道異常震動(dòng)，對(duì)液化生產(chǎn)關(guān)鍵大型設(shè)備氮壓機(jī)、膨脹機(jī)及液化冷箱的安全運(yùn)行構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

通過氮?dú)庋h(huán)工藝分析，氮壓機(jī)進(jìn)口氮?dú)鈦碓从袃陕?，一路是密閉循環(huán)氮?dú)饨?jīng)冷箱返流至氮壓機(jī)進(jìn)口。瞬時(shí)流量穩(wěn)定在20000m3/h。另一路是為補(bǔ)充氮壓機(jī)及膨脹機(jī)軸封和密封氣的正常氮?dú)鈸p失，由空分系統(tǒng)提供的0.55Mpa，300m3/h的補(bǔ)充氮?dú)?。?dāng)?shù)獨(dú)鈮嚎s機(jī)進(jìn)口壓力開始出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，調(diào)閱空分系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)其運(yùn)行正常，各工藝控制點(diǎn)參數(shù)都穩(wěn)定，壓力在0.55Mpa左右穩(wěn)定運(yùn)行，氮?dú)夤┙o量在300～320m3/h之間，不足以造成進(jìn)口壓力波動(dòng)，可以排除空分系統(tǒng)補(bǔ)充氮?dú)庠斐傻挠绊憽?/p>

通過調(diào)取DCS記錄數(shù)據(jù)曲線分析，上述波動(dòng)情況周期基本與凈化系統(tǒng)吸附塔切換周期相符，吸附塔為脫水裝置，A、B、C塔依次工作8小時(shí)切換，當(dāng)出現(xiàn)上述波動(dòng)情況時(shí)均在吸附塔卸壓過程中。分析吸附塔泄壓時(shí)工藝參數(shù)發(fā)現(xiàn)，卸壓時(shí)主要控制點(diǎn)參數(shù)變化較為明顯，尾氣排放壓力由0.4Mpa上升至0.5Mpa左右。1#LNG分離器壓力PICA0901由0.5Mpa隨之上升至0.55pa左右，進(jìn)而導(dǎo)致1#分離器液位下降。1#LNG分離器液位調(diào)節(jié)閥LCV0902為保持其液位快速關(guān)小，幅度在20%左右。3.4Mpa高壓氮?dú)庠谶^冷器節(jié)流閥TCV0908前溫度如圖2：高壓氮?dú)獬鲞^冷器溫度TI0912由-146度下降至-152度。由此推測(cè)上述情況是造成氮壓機(jī)進(jìn)口壓力波動(dòng)的原因。為此，筆者對(duì)上述工藝參數(shù)變化做如下分析；

圖2　高壓氮?dú)獬鲞^冷氣溫度曲線

氮?dú)鈮毫εc沸點(diǎn)關(guān)系。經(jīng)查閱氮?dú)馕锢硇再|(zhì)發(fā)現(xiàn)，氮?dú)獾膲毫εc沸點(diǎn)關(guān)系如圖3所示（參考文獻(xiàn)）。氮?dú)馀R界壓力為3.39Mpa，臨界溫度為-147.05℃，1 立方米的液氮可以氣化出696立方米 21°C的純氣態(tài)氮。

表1　氮?dú)鈮毫εc沸點(diǎn)關(guān)系表

圖3　氮?dú)鈮毫εc沸點(diǎn)曲線

由上述氮?dú)馕锢硇再|(zhì)分析得出氮?dú)庠谶^冷器節(jié)流閥TCV0908前出現(xiàn)液化現(xiàn)象，由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)，氣、液體積比接近700:1，導(dǎo)致TCV0908前氮?dú)馑查g大量液化聚集，氮?dú)饬吭黾?，膨脹機(jī)及氮壓機(jī)出口壓力隨之出現(xiàn)下降趨勢(shì)，氮?dú)庋h(huán)量出現(xiàn)短暫快速增加。通過節(jié)流閥TCV0908后液態(tài)氮?dú)夤?jié)流降壓至0.4Mpa，此壓力等級(jí)下氮?dú)夥悬c(diǎn)為-181.76度，液氮瞬間又大量氣化后返流至氮?dú)鈮嚎s機(jī)進(jìn)口。導(dǎo)致氮?dú)鈮嚎s機(jī)進(jìn)口壓力急劇增加，進(jìn)口放空閥超壓保護(hù)自動(dòng)開啟排放，整個(gè)氮?dú)夤苈返獨(dú)饬鲃?dòng)平衡被打破，氮?dú)鈮嚎s機(jī)進(jìn)口壓力及氮?dú)庋h(huán)量出現(xiàn)波動(dòng)，從而造成氮?dú)庹w循環(huán)、氮壓機(jī)、膨脹機(jī)和氮?dú)夤芫€的劇烈震蕩。

4 采取的消除故障的方法

事故過程初步分析可以看出，1#LNG分離器液位調(diào)節(jié)閥LCV0902開度變小，導(dǎo)致液化冷箱過冷器冷量過剩，TCV0908閥前氮?dú)庖夯窃斐傻獨(dú)鈮嚎s機(jī)進(jìn)口壓力波動(dòng)的直接原因。在隨后生產(chǎn)時(shí)的又一次波動(dòng)出現(xiàn)過程中，筆者通過人為開大、穩(wěn)定LCV0902開度，使得TCV0908閥前溫度慢慢恢復(fù)到正常范圍，氮?dú)鈮嚎s機(jī)的進(jìn)口壓力波動(dòng)很快消除后穩(wěn)定。進(jìn)一步印證了筆者的分析。

筆者總結(jié)分析，LCV0902開度變小是導(dǎo)致波動(dòng)的主要原因，而根本原因則是因?yàn)槲剿秹簩?dǎo)致的1#分離器壓力控制異常，出現(xiàn)突然升高而影響到液位的控制。為此我們首先針對(duì)吸附塔的卸壓時(shí)間與控制要求做更進(jìn)一步的合理分析，在工藝允許范圍內(nèi)將吸附塔的卸壓時(shí)間由500秒延長(zhǎng)至720秒，更加均衡的調(diào)節(jié)卸壓調(diào)節(jié)閥的開啟速度，根據(jù)卸壓時(shí)間和吸附塔壓力設(shè)定自動(dòng)控制程序，逐步提高吸附塔的卸壓調(diào)節(jié)閥開度。確保卸壓對(duì)后端壓力的影響降低至最小，更加均勻平穩(wěn)，泄壓時(shí)尾氣壓力控制由先前的 0.5Mpa逐步穩(wěn)定在最高不超過0.45Mpa。同時(shí)在吸附塔切換階段對(duì)1#LNG分析器液位調(diào)節(jié)閥LCV0902做到自動(dòng)至手動(dòng)的轉(zhuǎn)換，確保過冷器熱源LNG的穩(wěn)定流通，在后期的運(yùn)行過程中，至今再未出現(xiàn)過氮?dú)鈮嚎s機(jī)進(jìn)口壓力波動(dòng)的現(xiàn)象，確保了LNG生產(chǎn)的安全穩(wěn)定。

5 總結(jié)

氮壓機(jī)作為液化生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵核心設(shè)備，與膨脹機(jī)配合為生產(chǎn)提供著連續(xù)平穩(wěn)的冷量。筆者通過及時(shí)的分析總結(jié)，成功解決了氮壓機(jī)的壓力波動(dòng)問題，并及時(shí)對(duì)班組員工進(jìn)行了培訓(xùn)教育，確保了后期液化天然氣生產(chǎn)運(yùn)行的安全與平穩(wěn)。

[1] 顧安忠.液化天然氣技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003:10.

[2] 王保慶.天然氣液化工藝技術(shù)比較分析[J].天然氣工業(yè),2009, 29(1):111-113.

LNG plant nitrogen compressor inlet pressure fluctuation analysis

LNG production occurs in cyclical nitrogen compressor inlet pressure fault, through the production process of liquefaction analysis and physical characterization of nitrogen. Determine the cause of the handover process cycle fluctuations nitrogen liquefaction caused by changing the process control method and automatic control parameters to eliminate the fault, ensure the safety of liquefaction production.

Liquefaction production process; nitrogen compressors; pressure fluctuations; nitrogen temperature

TE64

A

1008-1151(2015)10-0045-02

2015-09-11

段玄(1988－)，男，安徽碭山人，合肥燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司助理工程師，從事LNG場(chǎng)站管理。