LNG工廠脫碳貧液泵運行工況分析

楊燁 李浩宇 代文平 郭曉磊 李華

1.中國石化江漢油田分公司江漢采油廠湖北新捷LNG項目部 2.中國石油北京油氣調(diào)控中心

LNG工廠屬于流程工業(yè)的一種，通常由三脫、液化、BOG、公用工程等部分組成。既有傳統(tǒng)化工企業(yè)生產(chǎn)流程復(fù)雜、過程管控嚴(yán)格等特點，又具備低溫工程領(lǐng)域?qū)υO(shè)備設(shè)施要求高、溫度控制精確等要求[1]。脫碳系統(tǒng)作為LNG生產(chǎn)過程中初始環(huán)節(jié)具有舉足輕重的作用，機泵動力設(shè)備是保證脫碳系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關(guān)鍵。

根據(jù)脫碳系統(tǒng)工藝設(shè)計，貧液循環(huán)泵是脫碳系統(tǒng)的核心設(shè)備，其穩(wěn)定的運行能充分保障吸收塔貧液洗滌量，確保脫碳效果良好[2]。在機泵運行工況分析方面，國外有著系統(tǒng)化的儀器設(shè)備和完善的應(yīng)急處置預(yù)案。能在機泵檢修、安裝、調(diào)試等多個環(huán)節(jié)進(jìn)行全過程數(shù)據(jù)化監(jiān)控，反饋式驗證機泵當(dāng)前情況，進(jìn)行在線式振動分析，杜絕因多種因素造成的機泵損壞[3]。而我國主要偏向經(jīng)驗積累，總結(jié)出了機泵并聯(lián)運行等功能性補充方案和一系列節(jié)能舉措，缺乏自控式儀表數(shù)據(jù)采集和一體化分析辦法[4]。

本文基于湖北500×104m3/d LNG工廠國產(chǎn)化示范工程脫碳裝置生產(chǎn)實例，收集整理貧液循環(huán)泵多年運行問題。以預(yù)防聯(lián)鎖停泵為目的，運用層次分析法進(jìn)行某次溫度、振動互為聯(lián)鎖事件的實例分析。量化表征抽象復(fù)雜問題，為下步改進(jìn)提出合理建議。

1 運行工況

湖北500×104m3/d LNG工廠國產(chǎn)化示范工程脫碳裝置采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為44%的活化MDEA 水溶液吸收脫除天然氣中絕大部分CO2，溶液循環(huán)量約為88 m3/h(CO2體積分?jǐn)?shù)為2.0%時，循環(huán)量約為288 m3/h)，脫除了酸性氣體的濕凈化氣送至下游裝置進(jìn)一步處理。吸收了酸性氣體的MDEA 富胺液經(jīng)閃蒸再生后送至本裝置吸收塔循環(huán)使用。富胺液再生所得酸氣接至火炬酸氣放空系統(tǒng)。閃蒸氣送至燃料氣系統(tǒng)作燃料氣用[5-6]。該系統(tǒng)主要動力裝置為大連華能HKD系列水平中開多級離心泵(見圖1)，共設(shè)置3具(1用2備)，采用450 kW電機驅(qū)動，配備溫度、壓力、振動、功率等聯(lián)鎖保護(hù)。該泵設(shè)計流量10～1 400 m3/h；揚程2 000 m；溫度-60～+200 ℃；壓力25 MPa。該泵至項目2013年12月機械竣工以來已運行5年，現(xiàn)總結(jié)運行工況問題見表1。

表1 貧液泵運行問題匯總Table 1 Summaries of operation problems of lean liquid pump問題描述原因分析改進(jìn)措施處理效果發(fā)生概率出口閥門開關(guān)不利出口壓力高,背壓導(dǎo)致拆解維護(hù)閥門執(zhí)行機構(gòu);出口處加均壓閥門差77%泵體驅(qū)動端溫度高聯(lián)鎖安裝間隙過小更換潤滑油,調(diào)整安裝間隙中8%泵體非驅(qū)動端軸瓦溫度高聯(lián)鎖拆解后發(fā)現(xiàn)軸瓦巴氏合金磨損,判斷為雨水污染潤滑油更換軸瓦,更換潤滑油中2%泵體驅(qū)動端機械密封燒毀冷卻線設(shè)計有誤,后續(xù)為節(jié)約成本使用了非載重機封啟泵時沖水降溫15 min好1%泵體驅(qū)動端振動聯(lián)鎖啟泵沖水、下雨造成潤滑油污染啟泵沖水盡量靠近機封處中4%儀表探頭安裝缺陷/損壞泵體安裝位置加工精度不足;儀表探頭已達(dá)壽命定期檢查更換關(guān)鍵儀表好6%PLC柜主板元件燒毀人為操作失誤加強操作技能培訓(xùn)好2%

綜上所述，貧液循環(huán)泵電機載荷大，使用頻率高，且為LNG工廠關(guān)鍵動力設(shè)備，聯(lián)鎖保護(hù)復(fù)雜；為保證工廠平穩(wěn)生產(chǎn)不出現(xiàn)經(jīng)常性的停泵故障檢查和維修，必須在停工檢修期間對設(shè)備工況進(jìn)行徹底排查，根治問題，并在正常生產(chǎn)期間按運轉(zhuǎn)時間切換維保。

通過近幾年貧液循環(huán)泵組運行問題匯總可以看出，出口閥門開關(guān)不利發(fā)生概率最大，是影響機泵操作的主要問題。而在誘發(fā)機泵聯(lián)鎖問題上，溫度、振動、儀表損壞等原因具有交叉性，既能單一觸發(fā)聯(lián)鎖又能互為促進(jìn)導(dǎo)致停泵,極具技術(shù)分析復(fù)雜性，操作管理難度大，當(dāng)前的改進(jìn)措施只能局部或暫時解決問題，后續(xù)是否存在缺陷需要時間驗證[7-9]。下面基于某次溫度、振動互為聯(lián)鎖事件進(jìn)行實例分析，在現(xiàn)場數(shù)據(jù)支撐下進(jìn)行數(shù)學(xué)建模式問題表征。

2 量化分析

事件問題：2018年3月11日13:25，高壓貧液泵A軸承端溫度高報警，13日凌晨3:31軸承負(fù)載端振動聯(lián)鎖跳停，事后緊急切換B泵運行。收集整理2018年3月11日6:46至2018年3月13日3:42聯(lián)鎖跳停后關(guān)鍵數(shù)據(jù)做折線圖，見圖2。由圖2可以看出，機泵軸承端溫度12日13:25達(dá)78.9 ℃，報警值前有突然上升過程，與前一周期11日6:46到14:52現(xiàn)象類似，查閱前一天數(shù)據(jù)均顯周期性變化。與前段時間不同的是，定子溫度高溫持續(xù)時間明顯變長(12日13:25，78.9 ℃至17:00，81.7 ℃)，共持續(xù)4 h。

根據(jù)數(shù)據(jù)表征，判斷該事件問題是溫度高導(dǎo)致軸承材料性質(zhì)改變，誘發(fā)機械形變最終導(dǎo)致振動聯(lián)鎖，該事件因果關(guān)系為典型多因素互相影響所致。管理上存在思想麻痹，高溫報警未引起重視；操作上存在分析手段不足，不能快速梳理問題互為因果關(guān)系，判定后果，及時預(yù)警[10]。

基于該泵5年運行問題匯總，結(jié)合現(xiàn)場操作經(jīng)驗，選用層次分析法( analytic hierarchy process，AHP)將機泵聯(lián)鎖抽象化復(fù)雜問題進(jìn)行不同組成因素的決策分解。首先梳理問題導(dǎo)向，將因素與問題邏輯設(shè)定成具有分組型層次結(jié)構(gòu)的目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、方案層[11]；其次通過矩陣構(gòu)造，兩兩比較各因素間相互影響關(guān)系，從而量化問題組成因素，計算出各自在系統(tǒng)中的權(quán)重；最后通過機泵現(xiàn)場維修拆解數(shù)據(jù)進(jìn)行反向驗證。

根據(jù)層次分析法特點，首先確立聯(lián)鎖停泵為目標(biāo)層；然后根據(jù)所研究LNG工廠機泵實際特點，確立振動聯(lián)鎖B1、溫度聯(lián)鎖B2、壓力聯(lián)鎖B3為準(zhǔn)則層；最后依據(jù)貧液泵運行問題匯總和以操作經(jīng)驗確立潤滑油污染C1、循環(huán)水冷卻線堵塞C2、操作失誤C3、儀表探頭故障C4、設(shè)計缺陷C5五項為方案層，完成結(jié)構(gòu)模型搭建(見圖3)。計算步驟如下：

2.1 確定聯(lián)鎖停泵問題，構(gòu)建層次結(jié)構(gòu)模型

2.2 兩兩比較打分，確定下層對上層的分?jǐn)?shù)

準(zhǔn)則層中各因素在決策者衡量標(biāo)準(zhǔn)下所占比重不一致，所以設(shè)數(shù)字1～9及其倒數(shù)作為標(biāo)度來定義與判斷矩陣。

2.3 層次合成計算及一致性檢驗

(1) 計算一致性指標(biāo)CI：

(1)

式中：λmax為判斷矩陣的最大特征值。

(2) 計算一致性比例CR：

(2)

當(dāng)CR<0.10時，認(rèn)為通過了一次性檢驗，否則應(yīng)作適當(dāng)修正。

2.4 計算權(quán)重向量W

層次分析法有3種計算方法求權(quán)重：算術(shù)平均法、幾何平均法、特征向量法。文中選用幾何平均法(方根法)求權(quán)重[12]。

(3)

聯(lián)鎖停泵問題確定各判斷矩陣及權(quán)重向量Wi如表2～表5所示。

表2 A判斷矩陣Table 2 A judgment matrixAB1B3B2WiB11310.443 4B311/20.169 2B210.387 4

表3 B1判斷矩陣Table 3 B1 judgment matrixB1C1C2C3C4C5WiC1132120.304 8C211/21/230.140 5C31230.265 3C4110.185 4C510.104 0

表4 B2判斷矩陣Table 4 B2 judgment matrixB2C1C2C3C4C5WiC1121/3250.246 1C211/2120.146 6C31340.396 1C4130.146 6C510.064 6

表5 B3判斷矩陣Table 5 B3 judgment matrixB3C3C4C5WiC31340.625 0C4120.238 5C510.136 5

表2～表5一次性檢驗均通過。將不同方案各準(zhǔn)則要素的權(quán)重矩陣Wi與各準(zhǔn)則要素的相對權(quán)重矩陣Wi相乘，得到各方案層要素權(quán)重并排序(見表6)。經(jīng)計算還能得到準(zhǔn)則層要素權(quán)重并排序(見表7)。

根據(jù)建模結(jié)果可知，運用層次分析法得出的脫碳貧液泵聯(lián)鎖停泵問題誘發(fā)因素排序為：操作失誤C3>潤滑油污染C1>儀表探頭故障C4>循環(huán)水冷卻線堵塞C2>設(shè)計缺陷C5。其中，操作失誤C3與潤滑油污染C1權(quán)重最大且均達(dá)到0.2以上，應(yīng)重點防范。查閱當(dāng)班員工操作記錄未發(fā)現(xiàn)操作失誤現(xiàn)象，因此判定該事件為潤滑油污染所至。準(zhǔn)則層權(quán)重排序中，振動聯(lián)鎖B1與溫度聯(lián)鎖B2權(quán)重更大且較為接近，證明兩者互為關(guān)聯(lián)性，生產(chǎn)過程中應(yīng)合并分析，如遇單點數(shù)值報警，需同時注意兩者變化過程。

表6 方案層權(quán)重排序Table 6 Weight ranking of scheme layer方案層權(quán)重排序操作失誤C30.376 81潤滑油污染C10.230 52儀表探頭故障C40.179 43循環(huán)水冷卻線堵塞C20.119 14設(shè)計缺陷C50.094 35

表7 準(zhǔn)則層權(quán)重排序Table 7 Weight ranking of standard layer準(zhǔn)則層權(quán)重排序振動聯(lián)鎖B10.443 41溫度聯(lián)鎖B20.387 42壓力聯(lián)鎖B30.169 23

緊急切換B泵后拆解A泵驅(qū)動端軸瓦，發(fā)現(xiàn)軸瓦良好，未見磨損；機械部件良好，未見磕碰。但潤滑油明顯污染，呈烏黑渾濁狀，化驗潤滑油含水為14.37%(體積分?jǐn)?shù))?；匮b軸瓦時發(fā)現(xiàn)，溫度探頭安裝孔加工不合格，導(dǎo)致溫度探頭安裝不到位，誘發(fā)誤報或者溫度高不聯(lián)鎖，有損壞機泵風(fēng)險[13]。拆解情況證明，層次分析量化建模有效，問題判定正確。觀察現(xiàn)場(見圖4)，查閱脫碳貧液泵運行記錄得出：

(1) 為避免機泵驅(qū)動端機封燒毀，早已采用沖水降溫啟泵的操作方式進(jìn)行解決，但存在水進(jìn)入軸瓦污染潤滑油風(fēng)險。

(2) 機泵為露天布置，未設(shè)置遮雨篷，有雨水長期沖刷竄入軸瓦的風(fēng)險。

(3) 機泵冷卻液線設(shè)計存在問題，冷卻液(胺液)接入處為泵體進(jìn)口，當(dāng)冷卻液灌入后會迅速被泵體抽吸排出，無法充分冷卻機封(未執(zhí)行啟泵沖水操作前發(fā)生過機封燒毀事件)。

3 下步建議

綜上所述，LNG工廠脫碳貧液泵振動、溫度聯(lián)鎖問題不單純是某單一測點表露的問題，不同時間段的復(fù)合型數(shù)據(jù)變化有著互為影響的規(guī)律。單一的數(shù)據(jù)測點報警需要操作人員重視，并進(jìn)行運行工況的全過程分析，預(yù)警式防范機泵聯(lián)鎖停機[14-16]，全面保障LNG工廠平穩(wěn)運行?；谒泄S脫碳貧液泵提出以下建議：

(1) 廠家改冷卻液接入點到泵體非載重端，充分冷卻機械密封。

(2) 啟泵沖水操作時盡量減小水量和沖水時間，避免水串入，污染潤滑油。

(3) 如若發(fā)生振動聯(lián)鎖，有機械損壞振動探頭和振動探頭老化失效的可能性。存在單一影響和互相影響的情況。因此，應(yīng)定期校檢儀表探頭及接線盒。

(4) 搭建泵體雨棚，防止雨水沖刷導(dǎo)致的潤滑油進(jìn)水。

(5) 加強機泵檢修監(jiān)督管理，杜絕安裝間隙、零部件磕傷、安裝方向錯誤等一系列安裝缺陷誘發(fā)的生產(chǎn)事故。

4 結(jié) 論

湖北500×104m3/d LNG工廠國產(chǎn)化示范工程已竣工5年，因受市場行情影響，采取間歇式生產(chǎn)。機泵累計運行時間短，閑置時間長。設(shè)備設(shè)施上存在自然老化現(xiàn)象，人員操控上存在思想麻痹傾向。下步應(yīng)強化隊伍管理，加強操作技能培訓(xùn)。本文工作量及創(chuàng)新點：

(1) 湖北500×104m3/d LNG工廠國產(chǎn)化示范工程點多面長，環(huán)環(huán)相扣。關(guān)鍵機泵故障會導(dǎo)致局部工藝系統(tǒng)聯(lián)鎖甚至觸發(fā)全廠停運，嚴(yán)重影響LNG工廠平穩(wěn)生產(chǎn)。

(2) 在多年貧液泵運行問題匯總前提下，使用模糊數(shù)學(xué)語言量化分析了脫碳貧液泵聯(lián)鎖停泵事件，采用層次分析數(shù)學(xué)模型對相應(yīng)問題進(jìn)行了現(xiàn)場驗證分析，梳理出了互為因果關(guān)系。

(3) 運用層次分析法進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，能充分利用當(dāng)前信息進(jìn)行問題分析。有效將模糊定性的聯(lián)鎖停機現(xiàn)象量化為科學(xué)權(quán)重，指導(dǎo)相應(yīng)問題的剖析與具體方案的制定，解決了因分析資料有限而造成的決策瓶頸，降低了盲目購買更換備件的經(jīng)濟風(fēng)險，提升了管理水平。

(4) 為保證工廠平穩(wěn)生產(chǎn)，不能出現(xiàn)經(jīng)常性的停泵故障檢查和維修。必須在停工檢修期間對設(shè)備工況進(jìn)行徹底排查，根治問題，并在正常生產(chǎn)期間按運轉(zhuǎn)時間切換維保。

(5) 溫度、振動、儀表損壞等誘發(fā)機泵聯(lián)鎖原因具有交叉性，既能單一觸發(fā)聯(lián)鎖又能互為促進(jìn)導(dǎo)致停泵，極具技術(shù)分析復(fù)雜性，操作管理難度大，當(dāng)前的改進(jìn)措施只能局部或暫時解決問題，后續(xù)是否存在缺陷需要時間驗證。