某天然气液化工艺冷箱积液分析及排除
Outline:
郑智伟
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袁清
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吴锐
收稿日期：2014-03-04
作者简介：郑智伟(1985-), 男, 助理工程师, 主要从事液化天然气生产过程中的技术管理工作。地址:(519030)广东省珠海市横琴新区环岛北路1680号。电话:0756-8921000。E-mail:
zhengzhiwei16@126.com.
摘要：某工艺是一套国内外应用广泛的天然气液化工艺技术，具有工艺流程简单、布置紧凑、设备数量少等优点，但该工艺因冷箱（板翅式换热器）容易积液，导致装置减产或生产中断的问题。描述了珠海天然气液化装置冷箱积液时的工艺现象（压力、液位、压差、温度等），分析了产生积液的原因，并提出了处理方法，为同类装置及时判断及科学处理冷箱积液问题提供了参考。
Analysis and elimination of cold box abnormal liquid-flooding in natural gas liquefaction process
Outline:
Zheng Zhiwei
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Yuan Qing
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Wu Rui
CNOOC Guangdong LNG Co., Ltd, Zhuhai 519060, Guangdong, China
Abstract: The MRC technology is a widely used natural gas liquefaction technology, and it has the advantages of simple process, compact layout, less equipment, etc., but the liquid-flooding phenomenon of cold box (plate-fin heat exchanger) occurs easily, which leads to the yield reduction or production interruption. This article describes the cold box liquid-flooding phenomenon of Zhuhai natural gas liquefaction plant, such as pressure, liquid level, differential pressure and temperature, analyses the reasons and proposals treatment methods. It is helpful for similar LNG plants to judge and handle the cold box liquid-flooding problem in time.
美国某液化工艺是一种单级混合冷剂制冷工艺，在全球应用广泛，仅在中国就有鄂尔多斯星星能源、中海油珠海、达州汇鑫、靖边西蓝、兰州、广元及广安[1]等多套LNG装置使用该工艺。其中，中海油珠海日处理量为60×104 m3的天然气液化装置[2]在数年安全运行中曾经多次出现冷箱积液问题，造成装置减产甚至生产中断。冷箱积液是指混合冷剂在系统循环过程中，其液态冷剂不能顺利离开冷箱，导致冷箱中液态冷剂堆积，从而造成冷箱无法保持正常循环，使得液化工段运行异常。
1 工艺简介
珠海天然气液化装置的冷箱为板翅式换热器，共有4个流通通道。从冷箱上部流道A进来的是温度40 ℃、压力4 400 kPa(G)且经过预处理的洁净天然气，自上而下流动，在冷箱内部与低温冷剂进行换热。当温度降至-48 ℃后，从冷箱中上部引出至重烃分离器进行重烃分离，以避免产出不合格LNG以及防止重烃在低温情况下凝结堵塞流道，破坏冷箱的正常运行；脱除重烃后的天然气经流道B回到冷箱，继续与低温冷剂换热。待温度降至-153 ℃后，再经过一个节流阀J-T F1降温到-162 ℃、降压到250 kPa(G)后去LNG储罐储存；进入流道C的是温度40 ℃、压力3 900 kPa (G)的高压混合冷剂，由氮气、甲烷、乙烯、丙烷和异戊烷5种组分组成，气态冷剂为经过E-03冷却后分离出来的混合气体，靠自身压力流动到V-03，再从V-03流动到冷箱入口。液态冷剂则是由压缩机二段出口的混合冷剂经过E-03冷却后分离出来的混合液体，靠管道坡度与重力及气体带动流动到V-03，再从V-03出口通过P-02冷剂泵提升压力，由FV控制流量输送至冷箱入口C处与气态混合冷剂混合，在冷箱内部均匀混合后自上而下流过冷箱，与低温冷剂进行换热，温度降至-150 ℃，且完全转变为液相，再经过节流阀J-T H1将压力降至200 kPa (G)，混合冷剂中的部分低沸点冷剂率先蒸发，使混合冷剂温度降至-153 ℃；此低压混合冷剂从冷箱底部进入冷箱流道D，自下而上流过冷箱，各种冷剂逐级汽化，吸收天然气和高压混合冷剂的热量，温度升至35 ℃左右离开冷箱进入压缩机一段吸入罐V-01中，然后气体再进入一个两级离心式冷剂压缩机C-01，先经C-01一级压缩、冷凝、分液, 液体储存在冷剂压缩机级间分液罐V-02中，分离出来的气态冷剂经冷剂压缩机二级压缩、冷凝、分液，液体储存在V-03中，高压气态冷剂通过自身压力输送到冷箱入口。经过C-01一级压缩、冷凝分离出来并存在V-02中的液体通过泵P-01提升压力输送到V-03中，与V-03中的高压液态冷剂混合并通过P-02输送到冷箱入口。V-02通过液位控制阀LCV进行调节并保持在一个液位水平上，形成一个混合冷剂的循环过程。液化工段流程示意图见图 1。
2 冷箱积液产生的原因
冷箱的正常循环是冷剂汽化后不断向上流动。当液态冷剂过多时就不能有效汽化，气体冷剂无法及时将液态冷剂带出冷箱，造成液体堆积在冷剂通道中，从而使气相冷剂不能顺利通过冷箱, 恶性循环造成液态堆积越来越多，最终循环被破坏。
3 冷箱积液的危害
冷箱积液的主要危害表现在：一是在冷箱积液时，冷剂节流阀J-T H1流通能力减小，大量气相冷剂流经冷剂压缩机防喘振管线，无法通过冷箱循环；二是液态冷剂持续进入冷箱中，使冷箱无法建立合理的温降梯度，导致冷箱无法实现对天然气降温和液化的功能，不能产出合格的LNG产品；三是由于冷箱积液过多时，混合冷剂出冷箱的温度会降低，当温度降至冷剂压缩机入口温度联锁值以下时，将触发压缩机紧急停车，致使装置生产中断。
4 冷箱积液的现象及原因分析
4.1 液位变化
由于液化工段是个封闭式循环系统。因此，系统内的冷剂总量是固定的(除了正在向循环系统添加冷剂外)，V-01、V-02、V-03的液位是相对稳定的，V-01是离心式压缩机的一段吸入罐，运行中一般情况保持液位为0。当冷箱积液逐渐增加时看出，V-02的液位控制阀逐渐关小直到关闭为止，液位不断下降。V-03的液位会出现逐渐降低的趋势，直到低低液位联锁停泵。V-01会逐渐出现液位并不断上升，直到高高液位联锁停止冷剂压缩机。
这种情况是由于冷箱积液时，流出冷箱的重冷剂(如丙烷、异戊烷)逐渐减少，被级间冷却器冷凝出来的液态冷剂会不断减少，而输送到冷箱内的液态冷剂保持不变，这样V-02、V-03的液位将会逐渐降低，液态冷剂都存在冷箱当中。同时随时间的进展，部分重冷剂被带出冷箱并以液态形式存在于V-01中。
4.2 压力变化
冷箱正常运行时冷剂压缩机的进出口压力基本保持为一条微微波动的直线。当冷箱逐渐有积液倾向时，发现冷剂压缩机的一段入口压力和流量以及压缩机二段出口压力呈现周期性的波动，类似段塞流。同时伴随着防喘振的频繁动作。
这种情况发生的原因是起初流经冷箱的气相冷剂比液态冷剂多，并保持在稳定的比例，气态冷剂可以轻松地将液态冷剂推动向上运行。当气态冷剂与液态冷剂相当时，气态冷剂需要克服液态冷剂的重力才能带动液态冷剂运行；当两者处于临界点时，就会形成类似段塞流，造成流量周期性波动引发压力的周期性波动。防喘振阀是根据流量进行调节的，因此，阀门也在周期性频繁动作。
当冷箱积液趋于严重时，发现冷剂压缩机一段吸入压力不断减小，冷剂压缩机二段出口压力不断上升，上升到一定高点后，压缩机的进出口压力开始随着防喘振阀动作而调整，并最终随着防喘振阀调整的稳定而稳定下来。同时，伴随冷剂压缩机的防喘振阀的余量会不断减少，然后防喘振阀逐渐开大并调整，直到压缩机段间入口流量稳定。
这种情况发生的原因是随着冷箱中积聚的液态冷剂过多时，液体会逐渐堵塞冷剂通道，造成气相冷剂无法顺利通过冷箱，气态冷剂因无法循环进而堆积在压缩机出口，导致压力上升。流出冷箱的冷剂减少造成冷剂压缩机吸入量减少，流出冷箱的冷剂温度较低，所以吸入压力下降。由于冷箱通道堵塞造成压缩机段间流量不足，防喘振阀门自动开大以维持压缩机的稳定流量运行。上述情况的前提是冷剂压缩机的转速保持不变。
4.3 冷箱的温度及梯度变化
当冷箱运行时，冷箱内部各温度点的趋势近乎是一条直线。当冷箱逐渐向积液发展时，冷箱底部低温端温度逐渐大幅升高，冷箱上部高温端温度逐渐大幅降低，而中部温度变化不大，冷箱的温度逐渐趋于一致，各点间温差很小，无法形成明显的温度梯度。
出现这种现象的原因是由于液态冷剂主要是丙烷和异戊烷，而这两种冷剂的沸点高，不易汽化，在运行中起到制冷剂和载冷剂的作用。载冷剂的作用即在重冷剂温度低于沸点时难以汽化，其主要功能是将冷箱底部氮气、甲烷产生的低温冷量向上带。到了冷箱上部时，温度达到重冷剂的沸点，制冷剂开始汽化吸收热量。当冷箱积液过多时，由于气态冷剂无法流入冷箱，即无法通过J-T H1产生低温冷量，液态冷剂源源不断地流入冷箱吸收冷量，天然气也不断流过冷箱吸收冷量，使得冷箱底部温度快速上升，J-T H1的温差缩小，阀前后温度快速上升。另外，由于重冷剂量堆积大，蓄能大，冷量不断向上传递，因其沸点高，难以在冷箱中上部汽化，造成冷箱上部的冷量过剩，温度不断降低。中部温度变化较小，整体看就是冷箱各个点温度向中部收敛。
4.4 冷箱冷剂流道压差的变化
当冷箱开始出现积液时，冷箱低压冷剂流道的压差开始上升，主要是因为流道中液体堆积，静液柱压力增大，导致压差计检测的压差上升。
5 冷箱积液的排除方法
5.1 减少液态冷剂并增加热负荷
冷箱积液时，逐渐减少甚至停止液态冷剂向冷箱的输送，减少液态冷剂在冷箱中的堆积，同时增加天然气流量以增加冷箱的热负荷，加快液态冷剂的汽化逐渐流出冷箱。
5.2 增大气态冷剂
开大冷剂节流阀J-T H1或者通过使用旁路让更多高压的气态冷剂流入冷箱，高压冷剂可以有效地克服液态冷剂重力的影响，将液态冷剂推出冷箱。
5.3 打开加热线
使用冷剂压缩机一段出口的高温冷剂加热线汽化V-01的液体，将重冷剂丙烷和异戊烷通过循环、冷凝重新回到V-02和V-03中。
5.4 处理成功的现象
冷箱积液排除成功的现象：冷剂节流阀J-T H1前段及后段段间压差下降到正常水平，冷箱内部各点温度开始扩散建立有效温度梯度。同时，V-01的液位持续下降至最低点，V-02和V-03的液位开始上升并逐渐趋向正常操作范围，冷剂压缩机各点参数逐渐趋向稳定，并恢复到正常操作范围。
6 冷箱积液排除的注意事项
6.1 压缩机入口压力
处理冷箱积液时要严密注意压缩机的入口压力，避免压缩机一段入口压力大幅波动造成压缩机联锁停机。主要原因是积液过程中冷剂压缩机入口压力下降有利于液态冷剂的汽化。同时，由于天然气依旧不断流过冷箱使液态冷剂汽化，并流出温度较低的重冷剂，甚至还可能是液态冷剂逐渐溢出冷箱，造成冷剂压缩机吸入口内出现大量的丙烷和异戊烷，这些重冷剂相对于轻冷剂(气态冷剂如氮气、甲烷、乙烯)质量大得多，压缩机流量计检测到流量突然增大，防喘振阀将自动快速关小，以保持一段入口流量稳定，这样造成一段入口压力急剧下降，二段出口压力也随之下降。可通过手动调节压缩机一段入口防喘振阀来解决压力大幅波动的问题。
6.2 温度变化速率
处理冷箱积液过多时要严格按照厂家给出的操作指标，控制冷箱内部的温度变化速率，避免由于温变速率过大产生的热应力损坏冷箱。本装置要求冷箱各点的温度变化速率小于30 ℃/h，同一层面温度差小于28 ℃，最高温度不得超过66 ℃。
6.3 LNG储罐压力
由于在冷箱积液过多的处理过程中，冷箱温度会上升，但是LNG的液化过程并没有停止，生产的LNG密度低、温度高，与储罐中的LNG相差较大。此时，要严密注意LNG储存罐的压力，尤其要防止常压的LNG存储罐中发生分层甚至涡旋[3]与超压，尽快将LNG的进液方式调整为上进液，将放空压力设定值调低。另外，保险的做法可以将生产出的温度高、密度低的LNG放空，暂时不进入储罐中。
6.4 天然气中重烃含量
由于冷箱积液时冷箱中部温度会很低，但是在解决冷箱积液过多的过程中会减少重冷剂的量，中部温度则会上升。此时，要严密注意冷箱天然气通道压差以及色谱分析所显示的重烃含量，防止重烃类物质未脱除干净便进入冷箱下部，堵塞冷箱的天然气通道[4]。
7 结语
冷箱(板翅式换热器)容易积液是某天然气液化装置中特有的异常工况，常常在操作不当时出现。可通过文中描述的几种现象迅速做出正确判断，并进行有效处理。但在处置中需要小心谨慎，避免造成二次故障工况的出现，如冷箱天然气侧冰堵、大罐分层涡旋及压缩机液击等。
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顾安忠, 鲁雪生, 汪荣顺, 等. 液化天然气技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 2003.
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2014, Vol. 43