LNG液化工廠冷箱壓差高原因分析及處理

邱應(yīng)杰(河南晉煤天慶煤化工有限責(zé)任公司，河南 焦作 454550)

0 引言

LNG液化工廠被廣泛應(yīng)用于煤層氣抽采加工、煤制天然氣裝置以及焦?fàn)t尾氣合成天然氣裝置的后續(xù)液化處理中，天然氣液化后便于儲(chǔ)存，能夠長距離運(yùn)輸，同時(shí)可以用來給天然氣生產(chǎn)裝置進(jìn)行調(diào)峰，因而備受青睞。液化冷箱內(nèi)部核心設(shè)備板翅式換熱器，常見故障為氣體流道阻力增加，影響液化運(yùn)行負(fù)荷、造成換熱器損壞，甚至可能衍生次生事故。原因主要為機(jī)械固體堵塞或高冰點(diǎn)氣體物質(zhì)凍堵，附著在換熱器表面造成通道變窄、阻力增加。通過分析原料氣組分、和復(fù)熱后冷箱流道內(nèi)部氣體成分判斷阻塞原因，采取吹掃和冷箱置換復(fù)熱的方式進(jìn)行疏通。根據(jù)分析結(jié)果有針對(duì)性的對(duì)進(jìn)冷箱前的氣體預(yù)處理指標(biāo)進(jìn)行重點(diǎn)管控，防止固體雜質(zhì)和高冰點(diǎn)物質(zhì)脫除不干凈，造成超標(biāo)，制定嚴(yán)格的工藝指標(biāo)或進(jìn)行技術(shù)改造，保證后期的安全穩(wěn)定長周期運(yùn)行。

1 LNG液化冷箱壓差高常見原因分析

運(yùn)行過程中造成冷箱壓差高的原因較多，在以煤制天然氣作為燃料氣的液化裝置中常見原因分析主要是以下幾種。

1.1 機(jī)械固體雜質(zhì)造成冷箱堵塞

液化冷箱中的板翅式換熱器流道狹窄，固體雜質(zhì)帶入會(huì)造成通道堵塞阻力增加。主要發(fā)生在開車初期或者檢修后，由于管道吹掃不干凈，管道內(nèi)部焊渣、灰塵等雜物進(jìn)入冷箱；運(yùn)行過程中多發(fā)生在進(jìn)冷箱前的脫水單元，脫水塔內(nèi)絲網(wǎng)破損造成分子篩碎片或粉末帶到后系統(tǒng)，加上進(jìn)冷箱前過濾器損壞，固體物質(zhì)進(jìn)入冷箱，造成堵塞。分析是否為機(jī)械雜質(zhì)堵塞，首先通過氣質(zhì)分析及前期在線數(shù)據(jù)趨勢(shì)分析，如無超標(biāo)趨勢(shì)分析氣體組分是否超標(biāo)。同時(shí)通過冷箱進(jìn)氣量和流道壓差比例關(guān)系進(jìn)行判斷，當(dāng)出現(xiàn)壓差上漲后，將進(jìn)氣量穩(wěn)在一個(gè)數(shù)值后，壓差也能夠穩(wěn)定不再上漲，可初步判斷為機(jī)械雜質(zhì)擁堵流道。

1.2 進(jìn)冷箱二氧化碳超標(biāo)

煤制天然氣采用的甲烷合成工藝生產(chǎn)SNG，為提高產(chǎn)品氣甲烷純度，甲烷合成原料氣的M值(模值)要嚴(yán)格低限3.0±0.1，輕微波動(dòng)導(dǎo)致甲烷合成反應(yīng)碳過量，產(chǎn)品氣中CO2超標(biāo)。CO2冰點(diǎn)是-78.5℃，帶入冷箱在低溫環(huán)境中會(huì)迅速凝結(jié)成并附著在換熱器表面，阻塞通道，持續(xù)超標(biāo)的話會(huì)迅速累積，阻力持續(xù)上漲；碳超標(biāo)的判斷有兩種情況：一種是液化裝置不配套脫碳裝置，SNG直接經(jīng)過脫水后進(jìn)入冷箱，此流程需要甲烷合成產(chǎn)品氣中CO2微量＜20ppm,通常是模值波動(dòng)造成微量超標(biāo)冷箱阻力增加；另一種是液化裝置配有脫碳裝置，產(chǎn)品SNG先經(jīng)過脫碳裝置脫除掉CO2，再經(jīng)過脫水單元后進(jìn)冷箱，造成超標(biāo)多是因?yàn)榍肮ざ蜟O2超標(biāo)嚴(yán)重超出脫碳實(shí)際脫除能力，導(dǎo)致脫除不干凈微量超標(biāo)?；蛘呙撎既芤簼舛戎笜?biāo)下降，吸收效果差，造成脫除不干凈微量超標(biāo)。例如我公司脫碳進(jìn)口設(shè)計(jì)CO2濃度最高為3%，脫碳液有效組分濃度為48%～52%，超過此指標(biāo)運(yùn)行均可能造成氣體凈化出口指標(biāo)招標(biāo)，冷箱阻力增加。

1.3 進(jìn)冷箱水分超標(biāo)

煤制天然氣裝置產(chǎn)品SNG本身攜帶部分飽和水，不論是直接過脫水，或者中間經(jīng)過脫碳裝置再進(jìn)脫水，均有部分飽和水?dāng)y帶，必須經(jīng)過脫水單元脫除凈后，再進(jìn)冷箱進(jìn)行液化，分析脫水后露點(diǎn)必須低于-65℃以下。水超標(biāo)原因分析，進(jìn)脫水單元?dú)赓|(zhì)發(fā)生變化，水含量增加或帶入游離水，如脫碳裝置帶液造成進(jìn)脫水帶水，造成脫水分子篩失活，吸水效果下降，出口超標(biāo)?；蛘呙撍畣卧肿雍Y再生不好，分子篩再生溫度不夠，造成再生不完全，吸附效果下降，出口超標(biāo)；脫水單元分子篩運(yùn)行周期長，活性衰減后吸附效果下降達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，造成出口超標(biāo)。

1.4 進(jìn)冷箱重?zé)N等其他物質(zhì)含量超標(biāo)

煤制天然氣裝置由于催化劑的選擇性，不會(huì)生成重?zé)N類物質(zhì)，此類物質(zhì)超標(biāo)多發(fā)生在進(jìn)冷箱天然氣來源為石化企業(yè)的裝置中，氣體中凝固點(diǎn)較高的重?zé)N類物質(zhì)含量超標(biāo)，進(jìn)入冷箱造成阻力增加，此類問題解決需通過增加脫重?zé)N單元進(jìn)行烴類脫除。還有一種情況是，天然氣經(jīng)過往復(fù)式壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，壓縮機(jī)潤滑油攜帶進(jìn)入天然氣中，除油過濾器除油不干凈，造成進(jìn)冷箱天然氣中潤換油含量超標(biāo)，冷箱壓差增加。

1.5 閥門狀態(tài)不對(duì)造成氣體短路

正常生產(chǎn)運(yùn)行，氣體流程從前到后，一步步經(jīng)過過濾脫除凈化最后進(jìn)冷箱，如果閥門未關(guān)閉或者關(guān)閉不嚴(yán)，造成主流程被旁路，氣體走短路不經(jīng)過凈化單元，例如固體雜質(zhì)不經(jīng)過過濾器過濾進(jìn)入冷箱，SNG不經(jīng)過脫碳裝置、或脫水裝置直接進(jìn)冷箱，造成冷箱壓差增加，此類問題需要嚴(yán)格確認(rèn)排查。

2 液化冷箱壓差高處理措施

2.1 機(jī)械固體堵塞處理

對(duì)堵塞的冷箱流道進(jìn)行逆流程反吹，首先關(guān)閉該流道進(jìn)冷箱閥門，導(dǎo)氮?dú)膺M(jìn)入流道后系統(tǒng)LNG閃蒸罐和管道，充壓至壓力不超過閃蒸罐最高工作壓力0.35MPa,將該流道進(jìn)冷箱閥門遠(yuǎn)離冷箱一側(cè)脫開，作為吹掃排放口，打開該閥門進(jìn)行泄壓吹掃，在排放口處放置白漆板，觀察排放氣有無帶出物有。兩種方案：氮?dú)饬鞒棠軌驖M足大氣量吹掃的，進(jìn)行連續(xù)排放吹掃；氮?dú)饬鞒淌芟薜倪M(jìn)行憋壓間斷吹掃，先將壓力充至最高后，快速打開排放閥，進(jìn)行吹掃；連續(xù)排放吹掃同樣要進(jìn)行快速開關(guān)閥門，形成流速變化，容易帶出堵塞物質(zhì)。必要時(shí)候需要進(jìn)行管道、管件、閥門的拆卸，并制作部分臨時(shí)管道，建立起足夠氮?dú)夤?yīng)的流程進(jìn)行吹掃。

2.2 二氧化碳和水的凍堵處理

首先將原料氣進(jìn)冷箱流道、氣相和液相冷劑流道進(jìn)出冷箱閥門進(jìn)行隔離，在進(jìn)口處通入復(fù)溫氮?dú)?，將冷箱正流程上的閥門前后的低溫導(dǎo)淋及閃蒸槽和汽提塔的放空打開，進(jìn)行置換復(fù)溫；冷劑系統(tǒng)的氣相液相冷劑節(jié)流閥全部打開、氣液相聯(lián)通打開，各處導(dǎo)淋全部打開，置換復(fù)溫。主要記錄溫度點(diǎn)：觀察并記錄冷箱內(nèi)部自上而下各層溫度、各流道內(nèi)節(jié)流閥、調(diào)節(jié)閥前溫度，能監(jiān)控的冷箱內(nèi)部溫度全部記錄，控制溫升趨勢(shì)不超過10℃/h，根據(jù)升溫速率調(diào)整氮?dú)饧尤肓俊?/p>

同時(shí)排放口取樣做分析，監(jiān)控隨著冷箱溫度上漲后，堵塞流道置換出來的微量成分，并觀察下降趨勢(shì)，用來判斷凍堵物質(zhì)是否吹除干凈。為確保復(fù)熱徹底，冷箱要進(jìn)行升溫復(fù)熱，將氮?dú)庾哒鞒趟椭撩撍偕鷼饧訜崞骷訜岷螅椭吝M(jìn)冷箱管線，逐步提高進(jìn)氣溫度將冷箱溫度提高至冷箱最高允許溫度，設(shè)計(jì)為不超50℃。每提高5℃，穩(wěn)定2h以上同時(shí)穩(wěn)定住進(jìn)氣量，觀察冷箱壓差變化及各點(diǎn)溫度變化趨勢(shì)。最終出口排放氣中堵塞微量成分分析連續(xù)未檢出視為置換干凈。

疑似凍堵物質(zhì)的判定，如不確定堵塞物質(zhì)成分，可將堵塞流道單獨(dú)隔離后保壓，先不進(jìn)行置換復(fù)溫。只是對(duì)冷箱內(nèi)另外的進(jìn)原料氣流道和冷劑流道進(jìn)行通氮?dú)鈴?fù)溫，等冷箱各層溫度復(fù)熱至常溫后，視為堵塞流道物質(zhì)汽化，從保壓管道排放口取樣做分析，能夠判斷出來堵塞成分，便于下一步有針對(duì)性的預(yù)防。

3 采取的應(yīng)對(duì)及預(yù)防措施

3.1 機(jī)械固體雜質(zhì)的預(yù)防

首先，原始開車或者檢修后的裝置要將冷箱外部的管道及設(shè)備徹底吹掃干凈，減少機(jī)械雜質(zhì)殘留可能，尤其是甲烷合成反應(yīng)器催化劑粉末、和進(jìn)冷箱前脫水單元的分子篩，一旦過濾不掉，極易帶入冷箱造成堵塞。因此，要重點(diǎn)監(jiān)控進(jìn)冷箱前過濾器的壓差，并定期切換和檢查過濾器濾芯情況，及時(shí)清理更換，確保過濾效果合格。

3.2 進(jìn)冷箱氣體微量超標(biāo)的預(yù)防

原料氣成分的控制：甲烷合成反應(yīng)模值在保證SNG純度情況下，不應(yīng)過低，控制3.0±0.1最好，確保CO2微量不超標(biāo)，最好要配備脫碳轉(zhuǎn)裝置，無脫碳裝置情況下微量CO2控制小于20ppm，有脫碳裝置情況下根據(jù)脫碳能力確定SNG中CO2含量，控制<1.5%；原料氣凈化單元凈化效果保障：脫碳液要每天分析胺液濃度，并補(bǔ)充胺液保證濃度，胺液再生塔底溫度120±5℃，塔頂100～105℃，且要保證穩(wěn)定，確保再生效果能夠滿足脫碳能力；脫水塔出口在線實(shí)時(shí)監(jiān)控露點(diǎn)分析數(shù)據(jù)，運(yùn)行時(shí)間長的裝置重點(diǎn)關(guān)注脫水進(jìn)口及出口露點(diǎn)分析，尤其是分子篩的吸附末期的露點(diǎn)分析，必須確保露點(diǎn)合格，最高不超過-65℃，如發(fā)現(xiàn)末期吸附能力下降，及時(shí)進(jìn)行提高再生溫度調(diào)整，或更換分子篩吸附劑。同時(shí)，生產(chǎn)運(yùn)行調(diào)整過程中重點(diǎn)監(jiān)控由于旁路閥門內(nèi)漏或未關(guān)嚴(yán)的情形，造成原料氣未經(jīng)凈化單元直接進(jìn)冷箱造成堵塞。

4 結(jié)語

綜上所述，煤制天然氣配套LNG液化裝置冷箱壓差上升原因，相對(duì)簡(jiǎn)單并好判斷，除了機(jī)械雜質(zhì)常見凍堵物質(zhì)就是二氧化碳和水，處理措施為氮?dú)獯祾吆图訜釓?fù)溫吹除。生產(chǎn)過程中可通過原料氣及凈化裝置的指標(biāo)控制及日常監(jiān)控各類指標(biāo)變化，預(yù)防和判斷出成分變化，避免原料氣中低熔點(diǎn)物質(zhì)微量超標(biāo)，從而避免冷箱凍堵造成的不必要停車和設(shè)備損壞，確保液化裝置穩(wěn)定滿負(fù)荷運(yùn)行。