淺談小型LNG處理裝置冷箱凍堵原因及解決方法

林燕 翟素燕

摘要：冷箱凍堵是小型 LNG 處理裝置在生產(chǎn)運(yùn)行中較為常見的故障，根據(jù)凍堵位置可分為原料氣側(cè)凍堵和冷劑側(cè)凍堵，根據(jù)凍堵介質(zhì)又可分為冰堵、碳堵、烴堵、油堵。本文對小型 LNG 處理裝置冷箱凍堵的類型和表現(xiàn)形式加以總結(jié)說明，并根據(jù)凍堵類型給出原因分析及處理方法。

關(guān)鍵詞：LNG；冷箱；凍堵；處理方法

1 概述

習(xí)總書記指出：“發(fā)展清潔能源，是改善能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全、推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的重要任務(wù)?！彪S著我國對清潔能源需求量的不斷增大，在油氣田開發(fā)歷史中不受關(guān)注的邊遠(yuǎn)零散小井的利用逐漸受到重視。對于零散小井資源利用的最佳方案就是小型 LNG 處理裝置就地液化回收[1]，這種回收方案有著投資少、裝置靈活、可重復(fù)利用等諸多優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛采用。

冷箱是小型 LNG 處理裝置的核心設(shè)備之一，而冷箱凍堵則是生產(chǎn)運(yùn)行過程中常發(fā)生的故障，一旦發(fā)生凍堵，裝置就會(huì)減產(chǎn)、停產(chǎn)， 而且嚴(yán)重威脅裝置安全。

2 凍堵的類型及表現(xiàn)形式

2.1 冷箱原料氣側(cè)凍堵

2.1.1 冷箱原料氣側(cè)冰堵

冷箱冰堵的原因是原料氣中存在游離態(tài)水。游離態(tài)水一般是因原料氣進(jìn)入冷箱前干燥不徹底而存留下來，并且原料氣中分子態(tài)水在一定的溫度和壓力條件下會(huì)析出，成為游離態(tài)。游離態(tài)水可以與天然氣中的某些低分子量的烴類或非烴類氣體分子結(jié)合形成氣體水合物，從而減小管路的流通截面積、增加管路壓降，嚴(yán)重時(shí)堵塞管道，生產(chǎn)被迫中斷。

當(dāng)冷箱原料氣側(cè)冰堵發(fā)生時(shí)，主要表現(xiàn)形式為：干燥氣露點(diǎn)不合格，高溫位壓差突然變大，純氣流量變小，液化量變小等。

2.1.2 冷箱原料氣側(cè)烴堵

冷箱烴堵的原因是原料氣中含有 C5+重?zé)N。重?zé)N類物質(zhì)隨著液化溫度的不斷降低，首先以液態(tài)的形式析出，冷箱流道中介質(zhì)流速變慢， 溫度繼續(xù)降低，重?zé)N類物質(zhì)會(huì)結(jié)晶成固態(tài)晶體，徹底堵塞冷箱流道， 生產(chǎn)中斷。

當(dāng)冷箱原料氣側(cè)烴堵發(fā)生時(shí)，主要表現(xiàn)形式為：脫重?zé)N罐液位增加，高溫位流程段壓差變大，冷劑的制冷溫度和產(chǎn)品 LNG 的冷端溫差變大，產(chǎn)品段 LNG 流量減少。

2.1.3 冷箱原料氣側(cè)碳堵

冷箱碳堵的原因是原料氣中含有二氧化碳?xì)怏w。二氧化碳在低溫下會(huì)與液態(tài)水形成固態(tài)的二氧化碳水合物，同時(shí)純凈的二氧化碳隨著

液化溫度的降低，也會(huì)形成固態(tài)的干冰，堵塞冷箱流道，生產(chǎn)中斷。LNG 液化工廠對原料氣中 CO2 在的含量一般控制在 50ppm，小型撬裝液化裝置可以放寬到 100ppm。

當(dāng)冷箱原料氣側(cè)碳堵發(fā)時(shí)，主要表現(xiàn)形式為：原料氣二氧化碳檢測含量超標(biāo)，中溫位流程段壓差變大，純氣流量減少，液化量減少。

2.2 冷箱冷劑側(cè)凍堵

2.2.1 冷箱冷劑側(cè)冰堵

冷箱冷劑側(cè)冰堵的原因是冷劑中含有水。冷劑中含水的情況較少發(fā)生，一般因?yàn)橘徺I了不合格的冷劑，導(dǎo)致冷劑中水含量超標(biāo)造成的， 也有冷劑循環(huán)管道部分連接處在停機(jī)零壓狀態(tài)下滲入水的情況。如果冷劑中含水，在冷劑循環(huán)管道中就會(huì)形成冰掛壁，減小流道截面積， 甚至堵塞冷劑流道。

當(dāng)冷箱冷劑側(cè)碳堵發(fā)時(shí)，主要表現(xiàn)形式為：中溫冷劑分離罐與節(jié)流閥前壓差增大，高溫位反流冷劑壓差增大，冷劑循環(huán)量減少，冷劑分離罐液位升高。

2.2.2 冷箱冷劑側(cè)油堵

冷箱冷劑側(cè)油堵的原因是冷劑中含有大量的潤滑油。冷箱冷劑油堵一般發(fā)生在螺桿式壓縮機(jī)冷劑壓縮系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，壓縮時(shí)壓縮氣體與潤滑油一同進(jìn)入油氣分離器，在經(jīng)過 2-3 次油氣分離后，絕大部分潤滑油與壓縮氣體分離開來，潤滑油回至壓縮機(jī)組，壓縮氣體進(jìn)入冷箱。但是油氣分離器溫度過低，內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞等原因會(huì)導(dǎo)致大量的潤滑油隨壓縮氣體進(jìn)入冷箱，隨著液化溫度的降低，潤滑油逐漸粘稠，導(dǎo)致冷劑側(cè)流通不暢，甚至完全堵塞冷劑流道。

當(dāng)冷箱冷劑側(cè)碳堵發(fā)時(shí)，主要表現(xiàn)形式為：預(yù)冷段溫度升高至-10

℃以上，預(yù)冷段壓差增大，冷劑側(cè)中溫位溫度升高，預(yù)冷冷劑分離罐液位升高。

3 凍堵原因分析及處理方法

3.1 冷箱原料氣側(cè)冰堵

3.1.1 原因分析

天然氣會(huì)與其中所帶的液體或水形成固體化合物，脫水能保證天然氣在深冷的條件下裝置能正常運(yùn)行。常見的脫水的方法有冷卻法、化學(xué)反應(yīng)法、溶劑吸收法、固體吸附法、膜分離法等[2]。小型 LNG 處理裝置一般采用干燥系統(tǒng)（分子篩吸附脫水）對原料天然氣進(jìn)行脫水， 可使得天然氣的水露點(diǎn)降至-70℃以下，含水量降至0.1×10-6～10× 10-6。冷箱原料氣側(cè)冰堵的原因是原料天然氣水露點(diǎn)不合格。

（1） 干燥系統(tǒng)再生塔再生不完全

無論是等壓再生干燥系統(tǒng)還是減壓再生干燥系統(tǒng)，只要再生塔再生不完全即轉(zhuǎn)為吸收塔使用，就會(huì)導(dǎo)致分子篩整體水容量降低，原料天然氣脫水不完全，水露點(diǎn)不合格。

再生溫度低，再生時(shí)間不夠，再生氣流量過大或過小均能導(dǎo)致再生塔再生不完全。

當(dāng)再生壓力降低時(shí)，飽和蒸汽壓也降低，分子篩床層中吸附的水汽容易被汽化，再生時(shí)間可以縮短，再生效果可以提高。因此，盡可能采用低壓再生。

（2） 分子篩失效

干燥系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，充壓、泄壓速度太快，升溫、降溫速度過快， 分子篩質(zhì)量不合格等因素均會(huì)造成分子篩碎裂，分子篩失效。

脫酸系統(tǒng)參數(shù)控制紊亂，大量的 MDEA 溶液進(jìn)入干燥系統(tǒng)，會(huì)導(dǎo)致分子篩中毒失效。

（3） 再生氣竄氣

脫水單元的均壓閥門和底部手動(dòng)切換閥內(nèi)漏，飽和含水的再生氣竄到干氣流道中，進(jìn)入冷箱。

（4） 干燥系統(tǒng)自控邏輯錯(cuò)誤

干燥系統(tǒng)自控邏輯錯(cuò)誤，吸附、再生等時(shí)間控制錯(cuò)亂，導(dǎo)致再生塔再生不完全。

3.1.2 處理方法

（1） 解凍、解堵

首先開大天然氣冷箱閥位，50%～100%用大氣量放空，將未凍堵完全的通道沖開，若壓差減小，證明有效。

若壓差繼續(xù)增大，表示冷箱流道已完全堵死，須調(diào)整參數(shù)，對冷箱通道做升溫處理，化解凍堵，在升溫的同時(shí)重復(fù)大氣量放空操作， 如壓差減小，證明有效。如若壓差持續(xù)增大，則需停運(yùn)冷劑壓縮機(jī)， 對冷箱徹底復(fù)溫，待冷箱溫度升至 0℃以上，大氣量放空操作，解除凍堵。

（2） 預(yù)防措施

重點(diǎn)關(guān)注冷箱天然氣進(jìn)口壓力與節(jié)流閥閥前壓力差，若壓差≧ 0.2MPa，且持續(xù)升高，應(yīng)意識到存在冷箱凍堵的趨勢，及時(shí)排查原因并做處理。

保持淺冷溫度在-25℃～-50℃之間，這樣可預(yù)防冰堵發(fā)生在通道的中冷、深冷工段，如有冰堵即發(fā)生在淺冷工段，處理時(shí)間較短，影響較小。

按規(guī)程操作切塔作業(yè)，切塔作業(yè)是導(dǎo)致分子篩機(jī)械強(qiáng)度降低和粉化的一個(gè)主要因素，在切換時(shí)要緩慢地升壓和降壓。

避免大量烴類、MDEA 溶液、雜志進(jìn)入分子篩，這些物質(zhì)都會(huì)導(dǎo)致分子篩中毒失活，影響脫水效果。

3.2 冷箱原料氣側(cè)烴堵

3.2.1 原因分析

原料天然氣氣中含有 C5+重?zé)N。重?zé)N類物質(zhì)隨著液化溫度的不斷降低，首先以液態(tài)的形式析出，冷箱流道中介質(zhì)流速變慢，溫度繼續(xù)降低，重?zé)N類物質(zhì)會(huì)結(jié)晶成固態(tài)晶體，徹底堵塞冷箱流道。常見的脫烴方法有淺冷脫除法（適用于富氣）、冷箱級間分離脫除法、變溫吸附（TSA）法等[3]。小型 LNG 處理裝置一般采用冷箱級間分離脫除法對原料天然氣進(jìn)行脫烴。

（1） 重?zé)N脫除流程參數(shù)不穩(wěn)定

重?zé)N脫除流程參數(shù)不穩(wěn)定，若脫重?zé)N罐前溫度過低則會(huì)造成重?zé)N提前液化，堵塞淺冷工段冷箱通道，若溫度過高，則會(huì)造成部分重?zé)N以氣態(tài)形式進(jìn)入深冷工段。系統(tǒng)壓力不穩(wěn)時(shí)，也會(huì)造成重?zé)N分離罐脫烴不徹底。

（2） 重?zé)N脫除流程不合理

在重?zé)N脫除流程中只設(shè)置一個(gè)重?zé)N分離器，不設(shè)置重?zé)N洗滌塔?；蛘咧?zé)N脫除工段流程過短。

3.2.2 處理方法

（1） 解凍、解堵

冷箱原料氣側(cè)烴堵的解凍、解堵方法與冰堵的解凍、解堵方法類似，唯一不同的是冷箱復(fù)溫操作溫度可適當(dāng)降低至-30℃，不必復(fù)溫至 0℃。

（2） 預(yù)防措施

根據(jù)井口氣組分，選取科學(xué)合理的脫烴流程，如重?zé)N洗滌法、低溫冷脫法、固體吸附法等。

重點(diǎn)關(guān)注重?zé)N分離罐或者重?zé)N洗滌塔的液位，防止液位過高，將重?zé)N帶至下游。

根據(jù)操作規(guī)程嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，包括系統(tǒng)壓力、各工段溫位， 保證脫烴系統(tǒng)有效運(yùn)行。

3.3 冷箱原料氣側(cè)碳堵

3.3.1 原因分析

冷箱碳堵的原因是原料氣中二氧化碳?xì)怏w含量超標(biāo)，超標(biāo)的二氧化碳?xì)怏w在低溫狀態(tài)下形成二氧化碳水合物和固態(tài)干冰，堵塞冷箱流道。常見的脫酸方法有三種，即醇胺法、熱鉀堿法，砜胺法[4]。小型LNG 處理裝置采用醇胺法的居多，因?yàn)榇及贩ㄓ兄に嚦墒臁⑼顿Y較少、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。

（1） MDEA 溶液濃度不合理

MDEA 溶液濃度一般控制在 45%～55%之間。按理說 MDEA 液濃度越高，其吸收能力越強(qiáng)，循環(huán)量越小，但由于溶液粘度高，溶液濃度過高輸送不易，且分布性能差；并且二氧化碳溶解于水是吸收反應(yīng)速度控制的主要過程。所以溶液濃度過高反而影響吸收效率，故控制吸收液濃度在 45～55%。

（2） 脫酸系統(tǒng)工藝參數(shù)不穩(wěn)定

脫酸系統(tǒng)重點(diǎn)工藝參數(shù)包括再生塔塔頂溫度、再生塔塔底溫度、再生塔塔頂壓力、再生塔液位、貧液泵出口流量、貧液儲(chǔ)罐溫度等， 這些參數(shù)如果不穩(wěn)定均會(huì)影響再生塔的富液再生效果，繼而影響系統(tǒng)脫酸效果。

（3） MDEA 溶液發(fā)泡

溶液中混入某些有機(jī)雜質(zhì)降低了溶液的表面張力，使氣體容易進(jìn)入液體表面而形成氣泡，溶液中的某些雜質(zhì)增加了氣泡的穩(wěn)定性，就引起了 MDEA溶液發(fā)泡，發(fā)泡會(huì)極大的影響系統(tǒng)脫酸效果[5]。

（4） MDEA 溶液失效

原料天然氣中帶有的油污、鐵銹、重?zé)N等，都會(huì)使 MDEA 溶液受污染，降解失效。

3.3.2 處理方法

（1） 解凍、解堵

冷箱原料氣側(cè)碳堵的解凍、解堵方法與冰堵的解凍、解堵方法類似，唯一不同的是冷箱復(fù)溫操作溫度可適當(dāng)降低至-50℃，不必復(fù)溫至 0℃。

（2） 預(yù)防措施

保證 MDEA 溶液濃度在 45%～55%范圍內(nèi)，定期抽樣化驗(yàn)，如發(fā)現(xiàn)濃度偏離及時(shí)調(diào)整配比。

嚴(yán)格按照操作規(guī)程控制脫酸系統(tǒng)參數(shù)，保證系統(tǒng)的再生效果和脫酸效果。

及時(shí)清洗原料氣流程前段除砂器、過濾器，保證進(jìn)入脫酸系統(tǒng)氣體的純凈，采用純凈水配比 MDEA 溶液，嚴(yán)格控制 MDEA 溶液的發(fā)泡和失效現(xiàn)象。

3.4 冷箱冷劑側(cè)冰堵

3.4.1 原因分析

冷箱冷劑側(cè)冰堵的原因是采用的混合冷劑中水含量超標(biāo)。

混合冷劑較多采用的甲烷、氮?dú)?、乙烯、丙烷、異丁烷、異戊烷等均為純凈類物質(zhì)，因此冷劑中含水的情況較少發(fā)生，但有時(shí)采購了不合格批次的冷劑，就會(huì)造成混合冷劑中含水。

混合冷劑循環(huán)系統(tǒng)在停機(jī)零壓狀態(tài)下，在其管件連接處、水換熱設(shè)備處也均有可能發(fā)生滲水現(xiàn)象。

3.4.2 處理方法

（1） 解凍、解堵

冷箱冷劑側(cè)冰堵的發(fā)生后必須徹底停機(jī)復(fù)溫，將冷箱復(fù)溫至 0℃以上，再采用干燥氣大氣量吹掃冷劑側(cè)通道，排放出系統(tǒng)中不合格的冷劑。

（2） 預(yù)防措施

購買正規(guī)廠家的冷劑。

冷劑添加進(jìn)入系統(tǒng)前外掛干燥系統(tǒng)。

冷劑循環(huán)系統(tǒng)停機(jī)時(shí)保持微正壓，防止?jié)癯笨諝馇秩搿?/p>

冷劑循環(huán)系統(tǒng)水換熱處連接緊密，無漏點(diǎn)，冷劑循環(huán)系統(tǒng)微正壓時(shí)水循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)處于零壓狀態(tài)。

3.5 冷箱冷劑側(cè)油堵

3.5.1 原因分析

冷箱冷劑側(cè)油堵的原因是冷劑中含有大量的潤滑油。冷箱冷劑油堵一般發(fā)生在螺桿式壓縮機(jī)冷劑壓縮系統(tǒng)[6]。

（1） 油氣分離器不匹配

油氣分離器設(shè)計(jì)分離容量過小，加熱器功率過小，油氣分離不徹底。

（2） 油氣分離器損壞、回油管路堵塞

油氣分離器內(nèi)部結(jié)構(gòu)損壞，包括折流板等，導(dǎo)致油氣分離效果差?；赜凸苈范氯?，造成積壓的油過多，部分潤滑油經(jīng)氣路進(jìn)入冷箱。

（3） 系統(tǒng)壓力過低

系統(tǒng)壓力控制過低，分離器內(nèi)的離心力小于工作要求，油氣分離效果差。

（4） 冷劑循環(huán)系統(tǒng)工藝參數(shù)不穩(wěn)定

冷劑循環(huán)系統(tǒng)工藝參數(shù)不穩(wěn)定，冷箱換熱不充分，壓縮機(jī)回氣溫度過低，導(dǎo)致壓縮后進(jìn)入油氣分離器的油氣混合物溫度過低，油氣分離不徹底。

3.5.2 處理方法

（1） 解凍、解堵

冷箱冷劑側(cè)油堵后，須停壓縮機(jī)，將冷箱溫度復(fù)溫至-20℃以上， 從冷劑循環(huán)系統(tǒng)低點(diǎn)排污口將潤滑油和冷劑的混合物徹底排放干凈， 再用干燥氣大氣量吹掃冷劑側(cè)通道，直至通常。

（2） 預(yù)防措施

選取正規(guī)廠家設(shè)計(jì)生產(chǎn)的冷劑壓縮循環(huán)系統(tǒng)，不可未經(jīng)設(shè)計(jì)單位許可私自更改、更換循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備流程。正確安裝冷劑壓縮循環(huán)系統(tǒng)的管路，包括氣路、油路、油氣混合路，盡量避免油路爬坡、兩相流湍流等情況發(fā)生。

嚴(yán)格按照操作規(guī)程控制冷劑循環(huán)系統(tǒng)工藝參數(shù)，保證油氣分離效果，避免潤滑油進(jìn)入冷箱。

定期檢查各級油氣分離器及其回油管線，保證設(shè)備及管線良好在用。

4 結(jié)論

小型 LNG 處理裝置回收方案是目前在油氣田開發(fā)中對零散小井資源就地回收的最佳方案，符合國家產(chǎn)業(yè)政策導(dǎo)向，隨著我國對清潔能源 需求量的不斷增大，該回收方案將會(huì)在更多的區(qū)域得到應(yīng)用和發(fā)展。

本文就小型 LNG 處理裝置冷箱凍堵的類型進(jìn)行了分類，對不同位置、不同介質(zhì)凍堵的表現(xiàn)形式加以描述。根據(jù)凍堵的類型，給出了詳細(xì)的原因分析、正確處理方法和預(yù)防措施。對于該領(lǐng)域從業(yè)者處理冷箱凍堵故障有一定的指導(dǎo)意義。

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