LNG裝置用冷劑離心壓縮機(jī)組開(kāi)車簡(jiǎn)介

趙志玲，隋 健，張 鵬

（沈陽(yáng)鼓風(fēng)機(jī)集團(tuán)股份有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110869）

0 引言

天然氣作為清潔能源，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于全國(guó)各行各業(yè)，在我國(guó)能源中所占比例越來(lái)越高，天然氣消費(fèi)量的增長(zhǎng)必然促進(jìn)LNG 工業(yè)的發(fā)展[1]，冷劑離心壓縮機(jī)組是LNG 裝置液化單元的核心動(dòng)設(shè)備,擔(dān)負(fù)著為天然氣液化提供冷量的重任，在LNG 裝置投產(chǎn)前，必須攻克的關(guān)口就冷劑離心壓縮機(jī)組的開(kāi)車，在LNG 壓縮機(jī)開(kāi)車階段，冷劑是通過(guò)補(bǔ)氣口逐漸加入的，這就形成了冷劑壓縮機(jī)組開(kāi)車時(shí)介質(zhì)組份時(shí)時(shí)變化的特點(diǎn)，也是造成冷劑壓縮機(jī)組開(kāi)車難的主要原因。本文著重闡述采用單混和冷劑液化工藝的LNG 冷劑離心壓縮機(jī)組的開(kāi)車。

1 流程簡(jiǎn)介

在LNG 工藝流程中，可以分為凈化單元、液化單元、儲(chǔ)運(yùn)單元以及BOG 回收系統(tǒng)、火炬系統(tǒng)等。冷劑壓縮機(jī)組位于液化單元，負(fù)責(zé)壓縮一定流量的混合冷劑到流程需要的壓力，通過(guò)調(diào)節(jié)，再為流程提供冷量?；旌侠鋭┑某煞萦杉淄?、乙烯、丙烷、異戊烷和氮?dú)獍匆欢ǖ谋壤旌隙伞８鶕?jù)液化工藝需求，壓縮機(jī)的入口壓力0.3MPa（A），入口溫度33℃，出口壓力3.2 MPa（A），流量97000Nm3/h（采用不同的液化工藝，壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)條件也不相同，這里只選取一個(gè)代表來(lái)進(jìn)行闡述）。壓縮機(jī)采用水平剖分結(jié)構(gòu) （詳見(jiàn)圖1），分2 段6 級(jí)壓縮，兩段葉輪背靠背布置（見(jiàn)圖1）。壓縮機(jī)組采用變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，變速箱增速。

圖1 壓縮機(jī)剖面圖

在流程中，壓縮機(jī)一段入口設(shè)有進(jìn)口分離器，段間設(shè)有段間分離器和段間冷卻器，壓縮機(jī)最終出口設(shè)有出口冷卻器和出口分離器。系統(tǒng)中設(shè)有兩路防喘振，低壓段的防喘振管線從壓縮機(jī)段間分離器出口引至壓縮機(jī)一段入口分離器。高壓段的防喘振管線由壓縮機(jī)最終出口分離器引至壓縮機(jī)段間入口分離器。同時(shí)在一段入口分離器設(shè)有冷劑五種組份各自的補(bǔ)氣口（流程簡(jiǎn)圖詳見(jiàn)圖2）。

在正常的制冷循環(huán)中，冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)進(jìn)行一段壓縮，一段壓縮后的冷劑進(jìn)入段間冷卻器，被冷卻到36℃后再進(jìn)入段間分離器，分離器將冷凝下來(lái)的液態(tài)冷劑分離出來(lái)，氣態(tài)冷劑進(jìn)入壓縮機(jī)二段繼續(xù)升壓，段間分離器分離出來(lái)的液態(tài)冷劑通過(guò)烴泵打到壓縮機(jī)最終出口冷卻器前，與經(jīng)過(guò)二段壓縮的氣態(tài)冷劑一起進(jìn)入出口冷卻器、出口分離器進(jìn)行冷卻、分離，氣態(tài)冷劑和液態(tài)冷分別進(jìn)入管網(wǎng)系統(tǒng)（見(jiàn)圖2），通過(guò)JT 閥等調(diào)節(jié)手段，為流程提供冷量。

圖2 冷劑壓縮機(jī)組典型流程簡(jiǎn)圖

2 現(xiàn)場(chǎng)冷劑投料前準(zhǔn)備

2.1 吹掃階段

為了將系統(tǒng)中的雜質(zhì)吹掃干凈，通常會(huì)通過(guò)壓縮機(jī)組壓縮氮?dú)饣蚩諝獾搅鞒讨衼?lái)實(shí)現(xiàn)。吹掃工況在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)階段是不作為考核工況的，需要根據(jù)已經(jīng)選型設(shè)計(jì)好的壓縮機(jī)來(lái)對(duì)吹掃工況進(jìn)行核算，來(lái)確定吹掃工況的參數(shù)，通常轉(zhuǎn)速選定在滿足壓縮機(jī)組一階臨界轉(zhuǎn)速隔離裕度要求的最低轉(zhuǎn)速即可，對(duì)于本文的兩段壓縮的壓縮機(jī)來(lái)講，吹掃工況通常表現(xiàn)為二段壓縮段無(wú)法完成一段壓縮段過(guò)來(lái)的全流量，這樣需要在吹掃階段控制一段防喘振閥門的開(kāi)度，不可全部關(guān)閉，來(lái)保證二段無(wú)法吸入的流量通過(guò)防喘振閥打回到壓縮機(jī)一段入口分離器。

2.2 置換、干燥階段

吹掃階段完成后，進(jìn)入置換、干燥階段，使用的介質(zhì)通常為氮?dú)?，為滿足冷劑系統(tǒng)的露點(diǎn)要求，氮?dú)庵脫Q盡量進(jìn)行徹底。置換后檢測(cè)露點(diǎn)溫度，露點(diǎn)溫度滿足系統(tǒng)要求后，置換、干燥工作完成。此階段一般不用啟動(dòng)壓縮機(jī)組，滿足流程要求后再進(jìn)入后續(xù)充壓階段。

2.3 實(shí)氣置換、充壓階段

冷劑系統(tǒng)投料試車前，用甲烷或乙烯置換出氮?dú)猓ㄖ脫Q時(shí)放空至火炬），并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行充壓。此冷劑系統(tǒng)采用的是用甲烷置換。

2.4 冷劑填充階段

啟動(dòng)壓縮機(jī)組前，對(duì)冷劑系統(tǒng)內(nèi)填充的冷劑可以是單一冷劑組分，也可以是混合冷劑組分，原則是請(qǐng)壓縮機(jī)設(shè)計(jì)工程師進(jìn)行初步估算，在壓縮機(jī)低轉(zhuǎn)速 （避開(kāi)一階臨界轉(zhuǎn)速） 時(shí)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)系統(tǒng)實(shí)際填充介質(zhì)的工況參數(shù)。冷劑壓縮機(jī)須要帶壓?jiǎn)?dòng)，機(jī)內(nèi)壓力要高于火炬線壓力，否則一級(jí)密封上下游可能會(huì)形成負(fù)壓差，啟動(dòng)后會(huì)損壞干氣密封。但初始填充壓力過(guò)高，又會(huì)使啟動(dòng)的靜摩擦力矩過(guò)大，造成啟動(dòng)困難。一般初始填充壓力以0.3～0.7MPa（G）為宜。

這套冷劑壓縮機(jī)的一階臨界轉(zhuǎn)速在2700RPM 左右，轉(zhuǎn)速初始填充冷劑選擇的是100%乙烯，經(jīng)過(guò)計(jì)算，確定首次啟動(dòng)的最低轉(zhuǎn)速設(shè)置在5200RPM，初始填充壓力為0.3MPa（G）左右，壓縮機(jī)一段入口的流量為40000Nm3/h左右，二段入口流量27000Nm3/h 左右。

3 現(xiàn)場(chǎng)冷劑開(kāi)車

3.1 變頻啟動(dòng)速率設(shè)定

對(duì)于變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的冷劑壓縮機(jī)組，可以直接升速到冷劑填充介質(zhì)工況的最低工作轉(zhuǎn)速，在變頻升速速率設(shè)置中可以設(shè)置兩種速率，第一種是快速?zèng)_過(guò)一階臨界轉(zhuǎn)速隔離裕度的升速速率，另外一種是隔離裕度外的升速速率。這個(gè)工作由變頻器專業(yè)工程師根據(jù)機(jī)組啟動(dòng)負(fù)荷的大小來(lái)設(shè)定，需要避免啟動(dòng)過(guò)程出現(xiàn)主電超電流的現(xiàn)象。

3.2 建立小循環(huán)

關(guān)閉冷劑系統(tǒng)中的相關(guān)閥門，打開(kāi)壓縮機(jī)組的防喘振閥，建立冷劑在壓縮機(jī)組自身小系統(tǒng)內(nèi)的循環(huán)。小循環(huán)是通過(guò)壓縮機(jī)兩段出口分別設(shè)置的向各段入口打回流的防喘振閥來(lái)實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)調(diào)節(jié)防喘振閥的開(kāi)度，來(lái)實(shí)現(xiàn)壓縮機(jī)出口壓力的調(diào)節(jié)。建立小循環(huán)的目的是縮短壓縮機(jī)組的調(diào)節(jié)時(shí)間，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，這樣也能減少冷劑的初期投入，因?yàn)槔鋭┦前葱枨筚?gòu)買的，避免造成浪費(fèi)。

根據(jù)預(yù)先計(jì)算的冷劑開(kāi)車工況，將壓縮機(jī)組升速到計(jì)算的轉(zhuǎn)速5200RPM，運(yùn)行10 分鐘，觀察個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)是否正常。如各參數(shù)穩(wěn)定，則通過(guò)主電機(jī)變頻器提升壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，每次提升100-200RPM，穩(wěn)定一段時(shí)間，如無(wú)異常，直至冷劑壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速提升至7500RPM 左右，壓縮機(jī)出口壓力約15MPa（G），完成冷劑壓縮機(jī)組小循環(huán)的建立。

升速過(guò)程中壓縮機(jī)壓縮氣體的能力也在提升，應(yīng)及時(shí)調(diào)節(jié)入口流量，可通過(guò)補(bǔ)充冷劑方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。應(yīng)該注意的是，冷劑的補(bǔ)充是交替進(jìn)行的，根據(jù)在線色譜所分析的數(shù)據(jù)，各種冷劑應(yīng)該按一定的比例關(guān)系逐漸加入，目標(biāo)是使分子量由輕變重，并接近設(shè)計(jì)工況的冷劑組成。

在小循環(huán)建立的過(guò)程中，實(shí)際運(yùn)行工況與設(shè)計(jì)工況會(huì)有較大差別，在壓縮機(jī)加載和補(bǔ)充冷劑時(shí)，應(yīng)密切注意壓縮機(jī)入口溫度、出口溫度、防喘狀態(tài)、軸承溫度、軸承振動(dòng)、主電機(jī)電流等參數(shù)。如果在填充冷劑期間發(fā)生壓縮機(jī)組跳車，則應(yīng)立即停止冷劑的填充操作。

3.3 建立冷箱冷劑大循環(huán)

當(dāng)壓縮機(jī)組小循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)后，可以開(kāi)始建立冷箱冷劑的大循環(huán)。在建立冷劑大循環(huán)操作中，主要是通過(guò)控制冷劑JT 閥開(kāi)度，進(jìn)行冷箱的溫度調(diào)節(jié)，需要小開(kāi)度緩慢進(jìn)行，同時(shí)根據(jù)冷劑壓縮機(jī)的防喘振狀態(tài)，對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)緩慢關(guān)小壓縮機(jī)防喘振閥，提高壓縮機(jī)的冷劑處理能力。這個(gè)過(guò)程是對(duì)整個(gè)液化單元的綜合調(diào)節(jié)，壓縮機(jī)提速、冷劑補(bǔ)充、防喘振閥調(diào)節(jié)、JT 閥調(diào)節(jié)同步進(jìn)行，應(yīng)避免由于操作幅度過(guò)大而引起的機(jī)組和系統(tǒng)的不穩(wěn)定，操作期間要盡量接近裝置的設(shè)計(jì)條件 （流量控制、冷劑組成比例、溫度、能耗、壓縮機(jī)出口壓力）。

4 結(jié)束語(yǔ)

LNG 冷劑壓縮機(jī)組開(kāi)車有其自身的特點(diǎn)，需要充分了解壓縮機(jī)的特性[2]，再結(jié)合整個(gè)LNG 工藝流程來(lái)確定冷劑壓縮機(jī)的開(kāi)車方案和開(kāi)車過(guò)程中的具體操作流程。從而確保LNG 裝置的順利投運(yùn)。

[1] 林文勝，顧安忠，朱剛.天然氣液化裝置的流程選擇[J].真空與低溫，2001，2.

[2] 葛麗玲，康建興，劉洋.尿素裝置二氧化碳?jí)嚎s機(jī)開(kāi)車簡(jiǎn)介[J].化工設(shè)計(jì)通訊，2013，6.