LNG冷箱凍堵危害及原因分析

王 飚

(晉城天煜新能源有限公司，山西 晉城 048006)

引 言

LNG冷箱是LNG工廠液化的核心設(shè)備，原料氣(甲烷)在冷箱中被降溫到-162 ℃成為LNG，由于其特有的低溫特性，對原料氣的潔凈度要求很高，原料氣中各類在低溫容易凍堵的物質(zhì)必須提前被凈化脫除，否則就會造成冷箱凍堵與工況紊亂，直接關(guān)系到液化工藝的安全與產(chǎn)品質(zhì)量。近期，我公司LNG冷箱工藝參數(shù)出現(xiàn)異常發(fā)生凍堵，現(xiàn)將凍堵過程分析與預(yù)防措施總結(jié)如下。

1 LNG冷箱液化發(fā)生凍堵的部位與危害

1.1 LNG冷箱液化工藝流程(見圖1)

經(jīng)凈化脫除雜質(zhì)氣的5.0 MPa的甲烷原料氣進入冷箱，先經(jīng)過冷箱的上板式換熱器，將溫度降低到-60 ℃～-40 ℃，然后，再進入冷箱下板式換熱器，進一步將溫度降至-160 ℃～-155 ℃，此時，甲烷原料氣大部分被液化，經(jīng)FV0801A/B閥到LNG閃蒸罐，最終將20 kPa～50 kPa的LNG產(chǎn)品輸送到LNG儲罐儲存。

1.2 LNG冷箱發(fā)生凍堵的主要部位

LNG冷箱發(fā)生凍堵的部位主要在板式換熱器的通道，凍堵的物質(zhì)主要有在凈化流程中未脫除到正常工藝指標的水、CO2、重?zé)N等。

圖1 LNG液化冷箱原料氣工藝流程示意圖

1.3 LNG冷箱凍堵的危害

1.3.1 影響液化處理量和能耗

冷箱發(fā)生凍堵后，由于原料氣通道內(nèi)壁有凍堵物質(zhì)存在，嚴重影響換熱，下板式換熱器的換熱效果變差，冷劑添加進去后，無法有效提高原料氣處理量，同時也導(dǎo)致制冷能耗增加。

1.3.2 影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定

當冷箱發(fā)生凍堵時，導(dǎo)致制冷劑無法有效換熱，冷劑返流溫度低，會造成冷箱局部過冷、冷劑偏流，不僅加劇原料氣通道的凍堵，還可能造成冷劑通道凍堵，增加系統(tǒng)操作難度。離心機制冷系統(tǒng)甚至還會影響喘振安全，工況惡化時，需要大幅度減少產(chǎn)量，排放冷劑，造成很大的不安全因素和浪費。

1.3.3 影響設(shè)備操作安全

在處置冷箱凍堵時，目前常用的辦法是停車或不停車隔離冷箱后復(fù)溫吹掃，復(fù)溫吹掃過程需要大幅度減量、操作低溫閥門、排放部分制冷劑，極易引發(fā)各類操作安全事故。

2 LNG冷箱凍堵與復(fù)溫過程分析

我公司LNG液化裝置近期檢修完畢，運行35 d后，在冷箱下板式換熱器出現(xiàn)了明顯凍堵，表1、表2是凍堵與復(fù)溫過程分析。

3 冷箱凍堵特征分析

3.1 從原料氣通道液位異常變化分析

7月5日至7月9日冷箱A、B兩側(cè)下板式換熱器原料氣通道差壓液位計先后顯示負值，在此之前，原料氣液位每天呈下降趨勢，說明原料氣通道差壓液位計正壓側(cè)取壓管是緩慢堵上的，最終因引壓管道堵塞完全取不上壓，造成液化計顯示負值。

表1 冷箱A、B板式換熱器原料氣通道凍堵過程主要特征

表2 冷箱A、B板式換熱器復(fù)溫吹掃過程主要特征

3.2 從冷箱下板式換熱器壓差異常變化分析

7月12日，冷箱A下板式換熱器出現(xiàn)30 kPa壓差，到7月18日短短5 d就上升至900 kPa，而B下板式換熱器在7月17日壓差僅為30 kPa，到7月19日就增加到200 kPa。說明在冷箱之前的預(yù)處理階段，有原料氣中的雜質(zhì)氣未能有效脫除，凍堵物質(zhì)在冷箱換熱器內(nèi)是逐漸形成的，當累計到一定量時，才反應(yīng)在壓差上，并且后期越堵越快。

3.3 從復(fù)溫吹掃過程分析

7月18日，吹掃A板式換熱器過程中，在冷劑閥門尚未完全關(guān)閉、FV0801還未關(guān)閉，調(diào)試回收V0803還未開啟時，當原料氣出下板式換熱器溫度由-155 ℃回升到-120 ℃左右，冷箱A板式換熱器原料氣通道壓差已基本消除，這時，冷箱V0803A調(diào)試回收閥尚未打開，凍堵物質(zhì)沒有吹出冷箱，很可能在FV0801A閥門前、后管道或LNG閃蒸罐，后續(xù)要跟蹤觀察FV0801A在同壓力、同流量下的開度變化，如，經(jīng)幾次復(fù)溫吹掃后，F(xiàn)V0801A開度明顯變大，則凍堵物質(zhì)可能轉(zhuǎn)移到此處。

7月19日，在吹掃B板式換熱器時的情況與A類似，在復(fù)溫到-148 ℃左右，V0803B調(diào)試回收閥尚未打開時，冷箱B板式換熱器原料氣通道壓差已基本消除。

4 凍堵原因分析

4.1 凍堵物質(zhì)分析

我公司 LNG冷箱上板式換熱器的日常運行溫度在-40 ℃至-60 ℃，低溫段下板翅換熱器日常運行溫度在-155 ℃至-158 ℃，日常原料氣凈化后的露點在-65 ℃以下，CO2含量在10×10-6～20×10-6，并且工藝包設(shè)計單位在進行干燥塔脫水設(shè)計時，所填充的4A分子篩量可以滿足12 500 m3/h原料氣脫水需要，而此月實際工況時原料氣平均在9 000 m3/h。如果是水或者CO2凍堵，應(yīng)在冷箱上板翅換熱器凍堵，所以基本可以排除水和CO2凍堵。

凍堵的位置在下板翅換熱器，并且在原料氣出下板翅換熱器復(fù)溫至-120 ℃時，尚未打開調(diào)試回收管線吹掃，凍堵就自動消除，可以排除機械雜質(zhì)堵塞。

經(jīng)對入廠的原料氣分析化驗，原料氣內(nèi)C5以上重組分(主要是戊烷、己烷)達到800×10-6以上，在經(jīng)干燥塔活性炭吸附凈化后，進入冷箱時C5以上含量變化不大，以此可以推測冷箱前的凈化工段未能有效脫除重?zé)N物質(zhì)。在吹掃過程中，當原料氣從上板式換熱器出來的溫度升高到一定的溫度，而后進入下板式換熱器時，使下板式換熱器凍堵的部位溫度升高到凍堵物質(zhì)的熔點以上，從而使在狹窄的板式換熱器以及差壓液位計引壓管中的凍堵物質(zhì)融化吹出，外在反應(yīng)就是壓差消失，液位正常，流量明顯提高。

4.2 C5以上重?zé)N凈化效果不良原因分析

上游原料氣組分發(fā)生變化，可能導(dǎo)致脫除效果差，需在上游供氣各個環(huán)節(jié)進行排查，找出組分變化的原因。

原料氣凈化單元脫重?zé)N設(shè)備工況不良，或無法有針對性地脫除某些重?zé)N組分，會導(dǎo)致脫除效果差。

5 解決方案

1) 對上游各供氣點原料氣組分進行分析化驗，查找重組分的來源點，檢查是否有新的含有重組分的氣源進入供氣管網(wǎng)。如發(fā)現(xiàn)氣源組分嚴重偏離設(shè)計組分，則要對重?zé)N凈化單元進行重新工藝設(shè)計。

2) 到上游增壓站進行調(diào)研，檢查是否因壓縮機工況差，潤滑油氣泄漏進原料氣，導(dǎo)致原料氣重組分大量增加，而目前凈化工藝流程中干燥塔復(fù)合床層中的活性炭，不能有效地吸附分離竄入天然氣中的潤滑油氣重組分，導(dǎo)致冷箱凍堵?？煞e極協(xié)調(diào)上游供氣單位，加強設(shè)備檢修和維護保養(yǎng)，或者采用無油潤滑加壓設(shè)備，減少杜絕潤滑油氣進入原料氣。如確認是上游壓縮機油氣污染氣源，可針對此油氣種類，有針對性地選擇吸附劑，提高吸附脫除的效果，減少進入冷箱的重?zé)N含量。

3) 對我公司凈化系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)進行優(yōu)化，提高凈化系統(tǒng)原料氣壓力、增大干燥再生氣流量和再生溫度、降低再生氣冷卻器冷卻溫度，盡可能地提高活性炭吸附脫除重?zé)N效果，延緩凍堵周期。

4) 針對目前的凍堵情況，可以采取臨時解決方案，在冷箱下板翅換熱器出現(xiàn)明顯凍堵，影響冷箱換熱和產(chǎn)量時，可以有計劃地減少下板翅的輕冷劑循環(huán)量，同時控制原料氣量，使下板翅回溫到-100 ℃左右運行一段時間，將冷箱板翅式換熱器原料氣通道內(nèi)的凍堵物質(zhì)融化吹出，消除冷箱凍堵，提高冷箱換熱效果。因凍堵物質(zhì)仍然會在后續(xù)低溫管道與系統(tǒng)中凝固，所以長時間運行后，仍需徹底吹除管道中積累的重?zé)N物質(zhì)。

5) 可對冷箱系統(tǒng)進行改造，在冷箱外增加重?zé)N低溫分離器，在原料氣經(jīng)過冷箱上板翅，溫度降到-60 ℃以下，引出冷箱后進入低溫分離器，分離出重?zé)N物質(zhì)后，再進入冷箱下板翅液化。也可在下板翅出口FV0801閥前或V0803閥前的管道上，增加一組串聯(lián)的LNG低溫排污閥門，接出到水浴加熱器或殘液分離器，在對凍堵物質(zhì)進行復(fù)溫吹掃時，可打開此閥門，將凍堵物質(zhì)排出冷箱系統(tǒng)。

6 結(jié)語

LNG冷箱原料氣通道凍堵，是LNG工廠常見的故障，并且凍堵的現(xiàn)象也不盡相同，但通過對凍堵過程及參數(shù)變化進行深入分析，找出凍堵物質(zhì)，進而采取相應(yīng)措施，可以減緩或消除凍堵，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，也可以確保系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。