LNG生產(chǎn)裝置冷箱溫度調(diào)整分析

趙 杰，陳延龍

（延長(zhǎng)石油天然氣股份有限公司，陜西延安 716000）

冷箱作為L(zhǎng)NG生產(chǎn)裝置的核心，其運(yùn)行狀況的良好與否直接影響整個(gè)生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)運(yùn)行，溫度作為衡量冷箱運(yùn)行狀況的最重要的指標(biāo)，冷箱溫度的調(diào)整又是生產(chǎn)裝置中最難、最重要的部分。本工作通過對(duì)冷箱的基本流程和制冷原理的學(xué)習(xí)，探討影響溫度的因素，研究五種冷劑的溫度區(qū)間，確定冷箱溫度調(diào)整的一些基本原則。

1 工藝原理及基本流程

本論文采用的是閉式混合制冷工藝（如圖1）。采用氮?dú)?、甲烷、乙烯、丙烷、異戊烷作為制冷劑，制冷劑組成根據(jù)原料氣的組成和壓力而定，利用多組分混合物中重組分先冷凝、輕組分后冷凝的特性，將其依次冷凝、分離、節(jié)流蒸發(fā)得到-55℃、-120℃、-160℃溫度級(jí)的冷量，在冷箱內(nèi)冷量傳給凈化后的原料氣，原料氣逐漸被預(yù)冷、液化，最后過冷到-160℃出冷箱，再經(jīng)節(jié)流降壓到10kPa，最終得到溫度約為-162℃的LNG 產(chǎn)品。

圖1 冷箱流程圖

液化單元是一個(gè)獨(dú)立的封閉的系統(tǒng)?；旌现评鋭┙?jīng)冷劑壓縮機(jī)分級(jí)壓縮，經(jīng)水（空氣）冷卻后，進(jìn)入換熱器（冷箱）被制冷劑提供的冷量預(yù)冷、液化，然后在不同溫度下逐級(jí)分離，分別液化、過冷后出換熱器，再逐級(jí)節(jié)流后進(jìn)入換熱器的相應(yīng)溫度段，給原料天然氣及熱的制冷劑提供冷量。原料天然氣經(jīng)逐級(jí)預(yù)冷、液化、過冷后出換熱器，再經(jīng)節(jié)流降壓后獲得液態(tài)天然氣產(chǎn)品。

2 冷劑基本特性及對(duì)冷箱溫度的影響情況

采用氮?dú)狻⒓淄?、乙烯、丙烷、異戊烷作為制冷劑，制冷劑組成根據(jù)原料氣的組成和壓力而定，利用多組分混合物中重組分先冷凝、輕組分后冷凝的特性，將其依次冷凝、分離、節(jié)流、蒸發(fā)得到不同溫度級(jí)的冷量，然后利用不同溫度級(jí)的冷量將凈化后的原料氣進(jìn)行預(yù)冷、液化和過冷。

氮?dú)猓簩?duì)冷箱主要影響，一是增大過冷換熱器的冷端溫差，二是增加制冷劑的汽化率，即增加去低溫區(qū)的制冷劑流量，以滿足低溫區(qū)的冷量要求。

甲烷：對(duì)冷箱主要影響，一是增加冷劑的汽化率，二是增加液體制冷劑中低沸點(diǎn)組分，盡管氮?dú)夥悬c(diǎn)也低，但其汽化潛熱小，僅依靠氮?dú)夂茈y滿足低溫區(qū)冷量要求。

乙烯：對(duì)冷箱主要影響，一是滿足預(yù)冷、液化熱器冷端冷量的要求，二是增加冷劑的液化量。

丙烷：對(duì)冷箱主要影響，一是滿足預(yù)冷換熱器熱端冷量要求，二是增加冷劑的液化量。為了降低功耗，混合制冷劑中丙烷的含量不能過高，但是為了能提供滿足工藝需要的冷量而不至于使制冷劑的氣體流量過大，丙烷在制冷劑中的含量不能太低。

異戊烷：對(duì)冷箱主要影響，一是滿足預(yù)冷換熱器熱端冷量要求，二是增加冷劑的液化量。通常分子量越大，則比熱越大，汽化熱越大，絕熱指數(shù)越小，所以異戊烷吸熱能力強(qiáng)，將使冷劑循環(huán)量少。

3 冷箱溫度影響因素及調(diào)整

3.1 影響冷量因素

（1）冷箱溫度受冷劑壓力影響。在滿足冷劑壓縮機(jī)運(yùn)行工況條件下，高壓氣相、液相冷劑壓力越高，經(jīng)過階梯閥后壓降越大，節(jié)流效果越明顯，產(chǎn)生溫降越大，提供的冷量越多。

（2）冷劑循環(huán)需保持循環(huán)量。為滿足天然氣液化，其主要參考指標(biāo)為：高壓氣相冷劑流量、高壓液相冷劑流量、SPR-07氣相流量。上述流量可通過調(diào)節(jié)相應(yīng)階梯閥來調(diào)整冷劑流量，冷劑循環(huán)量越大，冷量越充足。注意：高壓氣、液相過濾器及冷箱壓差影響其流量，可通過清理過濾器及冷箱復(fù)溫吹掃降低壓差。

（3）天然氣進(jìn)冷箱溫度影響冷箱溫降。天然氣溫度越高，降溫時(shí)所需的冷量越多，因此要盡可能降低天然氣進(jìn)冷箱溫度。分子篩冷吹時(shí)將塔內(nèi)溫度均勻地降至最低；投運(yùn)重?zé)N換熱器E-09，降低天然氣進(jìn)冷箱溫度。

（4）冷劑進(jìn)冷箱溫度。冷劑進(jìn)冷箱溫度過高，節(jié)流后冷劑溫度高，且混合冷劑組分受溫度影響較大。利用空冷及水冷器降低高壓冷劑溫度，有利于冷劑組分趨于正常，且冷劑節(jié)流后獲得更多冷量。

（5）SPR-07 入口冷劑溫度。影響高壓氣相冷劑的二次分離，溫度過高將影響其氣、液相冷劑組分，造成冷箱中、下部溫度達(dá)不到設(shè)計(jì)值，從而影響冷箱整體溫度。

（6）冷劑配比。

五種冷劑混合后經(jīng)過階梯閥發(fā)生降溫，提供不同溫度級(jí)冷量使得天然氣液化為L(zhǎng)NG。因此合理的冷劑配比對(duì)冷箱溫度影響至關(guān)重要。如表1所示，每種冷劑在不同壓力下沸點(diǎn)不同，而且在冷箱不同區(qū)域起到不同的作用。經(jīng)過大量數(shù)據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為丙烷主要控制上部階梯閥閥前溫度，乙烯主要控制上部階梯閥閥后溫度，如圖2。

表1 五種冷劑不同壓力下沸點(diǎn)

圖2 階梯閥冷劑控制

3.2 冷箱各部溫度控制及冷劑組分調(diào)整操作

3.2.1 E-06 溫度控制

E-06溫度應(yīng)控制在-45～-55℃。

（1）當(dāng)溫度高于-45℃時(shí)，觀察LV-5301開度，應(yīng)處于55%～75%，若閥門開度到位，此時(shí)應(yīng)進(jìn)行C3H8或C2H4冷劑補(bǔ)充；

（2）E-07溫度低于-120℃則補(bǔ)充丙烷；

（3）E-07溫度高于-120℃則補(bǔ)充乙烯。

3.2.2 E-07 溫度控制

E-07溫度應(yīng)控制在-122～-126℃。

（1）觀察LV-3501開度，應(yīng)處于55%～70%，若閥門開度到位，此時(shí)應(yīng)補(bǔ)充甲烷或乙烯；

（2）E-07溫度低于-120℃則補(bǔ)充甲烷；

（3）E-07溫度高于-120℃則補(bǔ)充乙烯。

3.2.3 E-08 溫度控制

E-08溫度應(yīng)控制在-158～-162℃之間。

（1）溫度高于-158℃時(shí)，觀察PV-5301開度，應(yīng)處于65%～75%，若閥門開度到位，此時(shí)觀察閥門前后溫差；

（2）PV-5301閥前后溫差大于5℃則補(bǔ)充甲烷；

（3）PV-5301閥前后溫差小于5℃則補(bǔ)充氮?dú)狻?/p>

冷箱溫度調(diào)整控制見表2。

表2 冷箱溫度調(diào)整控制表

3.2.4 換熱器熱端溫差過大

如果各換熱器都出現(xiàn)熱端溫差過大且冷端溫差基本符合設(shè)計(jì)值或小于設(shè)計(jì)值的情況，則說明冷量過多，如短時(shí)間的波動(dòng)可通過關(guān)小對(duì)應(yīng)的冷劑節(jié)流閥來縮小熱端溫差，比如預(yù)冷換熱器E-06熱端溫差偏大，可以減小預(yù)冷段冷劑節(jié)流閥LV-5301的開度，但若是長(zhǎng)期現(xiàn)象或呈現(xiàn)出熱端溫差不斷增大的趨勢(shì)，則按以下優(yōu)先順序選擇調(diào)整方法：

（1）增加液化產(chǎn)量：可通過開大LNG節(jié)流閥PV-2902A/B增加液化產(chǎn)量，將富余的冷量充分利用，但前提是要穩(wěn)定天然氣通道的壓力，同時(shí)應(yīng)控制冷端溫差不應(yīng)超過設(shè)計(jì)值；

（2）降低能耗：如果熱端溫差較大，開大PV-2902A/B熱端溫差仍然沒有很大改善或無足夠的原料氣導(dǎo)致不能開大PV-2902A/B，則應(yīng)減少冷劑循環(huán)量，降低冷劑壓縮機(jī)的負(fù)荷，使能耗降低，但至少應(yīng)保證冷劑壓縮機(jī)的最小流量；

（3）提高進(jìn)冷箱溫度：如天然氣通道流量已無法增加，且冷劑壓縮機(jī)已工作于其穩(wěn)定運(yùn)行所需的最小流量，則可通過壓縮機(jī)末級(jí)冷卻器E-14冷卻器冷卻水流量或調(diào)節(jié)其旁通閥，以及根據(jù)早晚溫差來啟?？绽銩-05、A-06風(fēng)機(jī)臺(tái)數(shù)，以及閉式冷卻塔風(fēng)機(jī)和噴淋泵，來提高高壓冷劑進(jìn)冷箱的溫度；

（4）調(diào)節(jié)冷劑組分（具體調(diào)整以各點(diǎn)冷劑設(shè)計(jì)配比為準(zhǔn)）：如以上措施已無法保證達(dá)到調(diào)節(jié)的目的，為保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，可通過調(diào)節(jié)冷劑組分來實(shí)現(xiàn)。①過冷換熱器E-08熱端溫差偏大，減少冷劑中甲烷含量；②液化換熱器E-07熱端溫差偏大，減少冷劑中乙烯含量；③預(yù)冷換熱器E-06熱端溫差偏大，減少冷劑中異戊烷含量。

3.2.5 換熱器冷端溫差過大

如果冷端溫差大于設(shè)計(jì)值，或熱流出換熱器溫度高于設(shè)計(jì)值，則表明低溫冷量不足，如是短時(shí)間的波動(dòng)可通過開大對(duì)應(yīng)的冷劑節(jié)流閥來控制，也可通過關(guān)小LNG節(jié)流閥PV-2902A/B減少天然氣通道的流量來調(diào)整。但若是長(zhǎng)期現(xiàn)象或呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)則應(yīng)調(diào)整冷劑組分，大致按以下原則來進(jìn)行調(diào)整（具體調(diào)整以各點(diǎn)冷劑設(shè)計(jì)配比為準(zhǔn)）。

①過冷換熱器E-08冷端溫差偏大，增大冷劑中氮含量；②液化換熱器E-07冷端溫差偏大，增大冷劑中甲烷含量；③預(yù)冷換熱器E-06冷端溫差偏大，增大冷劑中乙烯含量。

根據(jù)不同的氣候條件下，冷卻水溫度有變化，通過調(diào)節(jié)組分組成，盡可能利用冷卻水溫度降低帶來的冷量變化，在保證液化產(chǎn)量不變的情況下，減小冷劑壓縮機(jī)的負(fù)荷，從而降低能耗。

在調(diào)整冷劑組分過程中，以下幾處主要冷劑組分為：①冷劑增壓泵P-06A/B出口。該處主要組分為異戊烷。②分離器SPR-07氣相出口。該處主要組分為甲烷。（3）分離器SPR-07液相出口。該處主要組分為丙烷和乙烯。（4）分離器SPR-10氣相出口。該處主要組分為氮?dú)狻?/p>

4 高壓冷劑分離器液位與冷箱溫度的關(guān)系

4.1 SPR-07液位與冷劑組分的關(guān)系

SPR-07液位主要以C3H8（15%）、C2H4（52%）、CH4（22%）為主，SPR-07液位較低時(shí)，則根據(jù)溫度控制，補(bǔ)充C2H4、CH4。

4.2 SPR-07液位與E-06溫度的關(guān)系

SPR-07液位主要取決于冷劑組分和E-06溫度的控制，若E-06溫度較低，則SPR-07液位較高。

4.3 SPR-07液位與E-07、E-08溫度的關(guān)系

若E-06溫度較低，高壓氣相通過E-06進(jìn)入SPR-07后，氣液相分離較好，大量C2H4、C3H8形成液相進(jìn)入E-07進(jìn)行降溫，E-07溫度處于合理區(qū)間，SPR-07形成液封，SPR-07氣相不會(huì)進(jìn)入E-07，E-07不會(huì)與E-08進(jìn)行搶量；氣液相分離較好后，SPR-07氣相中C3H8較少，不會(huì)搶占N2、CH4占比，E-08溫度會(huì)降至更低。

若E-06溫度較高，高壓氣相進(jìn)入SPR-07后，氣液相分離不徹底，SPR-07不能形成液封，SPR-07氣相會(huì)竄至E-07，則E-07溫度會(huì)降低很多，氣相通過LV-3501，長(zhǎng)時(shí)間會(huì)對(duì)閥門造成損傷，氣液相分離不徹底，大量的C3H8會(huì)進(jìn)入SPR-07的氣相，搶占N2、CH4占比，造成E-08溫度較高，冷箱溫度難以調(diào)整，E-07負(fù)荷較大。

5 結(jié)語

冷箱溫度的調(diào)整作為L(zhǎng)NG生產(chǎn)中的難點(diǎn)和重點(diǎn)，同時(shí)也對(duì)LNG生產(chǎn)成本影響較大；冷箱溫度影響因素較多，通過對(duì)所有因素逐項(xiàng)分析研究，結(jié)合實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，得出較為簡(jiǎn)單易懂，便于操作的調(diào)整方法。通過理論與實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比指導(dǎo)生產(chǎn)運(yùn)行，減少BOG和冷劑的放空量，達(dá)到降低生產(chǎn)運(yùn)行成本、節(jié)能降耗的目的。