LNG冷能空分設(shè)備啟動(dòng)操作中的難點(diǎn)分析

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LNG冷能空分設(shè)備啟動(dòng)操作中的難點(diǎn)分析

鄭祖瑋

（江蘇杭氧潤(rùn)華氣體有限公司，江蘇如東226413）

【摘要】根據(jù)LNG冷能液體空分設(shè)備的特點(diǎn)，嘗試提出此項(xiàng)技術(shù)開(kāi)車(chē)操作過(guò)程中主要集中在LNG冷能換熱設(shè)備的操作難點(diǎn)和重點(diǎn)，如乙二醇水溶液換熱器、液化冷箱、低溫氮壓機(jī)等，闡述裝置啟動(dòng)過(guò)程中負(fù)荷變化與LNG供量方面存在的關(guān)系，探討如何通過(guò)精細(xì)化操作縮短開(kāi)車(chē)時(shí)間，在容易發(fā)生失誤的步驟中增加操作過(guò)程的安全性。

【關(guān)鍵詞】LNG；冷能利用；空氣分離；操作

1　前言

采用液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡(jiǎn)稱(chēng)LNG）汽化時(shí)放出的冷能進(jìn)行空氣分離的技術(shù)近幾年在國(guó)內(nèi)迅速發(fā)展，如福建莆田L(fēng)NG項(xiàng)目、浙江寧波LNG項(xiàng)目、河北唐山LNG項(xiàng)目、廣東珠海LNG項(xiàng)目等。目前應(yīng)用最為廣泛的深度冷卻分離空氣的方法，工藝中最低溫度達(dá)到-193℃，比較LNG冷能利用的其他途徑，常壓下-162℃的LNG汽化到5℃～10℃供應(yīng)給天然氣管網(wǎng)每噸釋放出約830 kJ/kg的冷量，深冷空分工藝過(guò)程幾乎將LNG的冷量全部利用，成為L(zhǎng)NG冷能直接利用的最合理方式。伴隨著我國(guó)LNG接收站項(xiàng)目建設(shè)的逐年擴(kuò)大和增加，也給空分行業(yè)帶來(lái)更廣闊和嶄新的發(fā)展空間，與此同時(shí)，LNG冷能空分設(shè)備的啟動(dòng)操作、運(yùn)行維護(hù)等等新知識(shí)勢(shì)必也將拉開(kāi)空分從業(yè)者探討的新局面。

2　流程概況

本套LNG冷能空分是由杭氧股份有限公司利用中石油江蘇LNG接收站冷能設(shè)計(jì)建造的全液體空分，設(shè)計(jì)LNG供應(yīng)壓力為9.5 MPa（g），流量為67988 m3/h，一期工況下設(shè)計(jì)空分總生產(chǎn)能力如表1。

表1　裝置設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力

作為循環(huán)介質(zhì)的氮?dú)馔ㄟ^(guò)低溫氮壓機(jī)增壓，在高壓液化冷箱和LNG完成熱量交換，被液化的一部分氮?dú)鈹y帶著大量冷量送往空分裝置補(bǔ)充冷量，另一部分直接送入儲(chǔ)罐，液氧和液氬在精餾塔內(nèi)提純后送往儲(chǔ)罐。從高壓液化冷箱中抽出來(lái)～-70℃的NG，去乙二醇水溶液換熱器再次復(fù)熱，和從高壓液化冷箱頂部抽出～5℃的NG匯合后并入中石油天然氣外供管路。概括地講，LNG冷量在經(jīng)過(guò)一套壓縮設(shè)備和一套換熱設(shè)備，分別使用了兩個(gè)溫度階梯完成整個(gè)冷量的利用，低溫部分（≤-70℃）在高壓液化冷箱內(nèi)和氮?dú)馔瓿衫淞拷粨Q，高溫部分（-70℃到5℃之間）在乙二醇水溶液冷卻器內(nèi)和水溶液完成能量交換。此外，空壓機(jī)和低溫氮壓機(jī)負(fù)荷的大小，決定了加工空氣量和液氮帶入ASU冷量的大小，由此匹配出相應(yīng)的LNG供應(yīng)量，這是一個(gè)相對(duì)緊密結(jié)合的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程代替了常規(guī)空分通過(guò)膨脹機(jī)獲取冷量的方式，膨脹機(jī)成為關(guān)鍵制冷設(shè)備，對(duì)比常規(guī)空分啟動(dòng)操作，LNG冷能空分啟動(dòng)操作中的難點(diǎn)無(wú)疑集中在LNG冷能換熱部分，即LNG-乙二醇水溶液換熱器、高壓液化冷箱方面，高壓液化冷箱又包括最重要的設(shè)備——低溫氮壓機(jī)。

采用30%的乙二醇配比70%的蒸餾水混合制成水溶液，冰點(diǎn)溫度約為-15℃儲(chǔ)存在乙二醇水溶液處理罐H7101中，通過(guò)水泵加壓至0.45 MPa（g），在繞管式乙二醇水溶液換熱器被LNG降溫，經(jīng)過(guò)空壓機(jī)級(jí)間及末級(jí)冷卻器；空壓機(jī)電機(jī)、潤(rùn)滑油冷卻器；低溫氮壓機(jī)電機(jī)、潤(rùn)滑油冷卻器匯合回到乙二醇水溶液處理罐，回水溫度為15℃，由于是閉路循環(huán)水溫又較低幾乎沒(méi)有水量損失，所以節(jié)水可達(dá)99%以上。乙二醇水溶液處理罐頂有開(kāi)口朝下通向大氣的彎管，罐頂通入2～5 m3/h氮?dú)馀c大氣充分隔離防止乙二醇水溶液發(fā)生氧化反應(yīng)，保持pH約7.8左右，亦無(wú)須再加維持水質(zhì)要求的藥劑。

在LNG簡(jiǎn)化流程圖1中，V5304、V6302、V6306為緊急切斷閥，V5307、V5308、V7206、V7207、V6307、V6308為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥，V7201、V7211為兩位關(guān)斷閥。

圖1　LNG換熱簡(jiǎn)易流程圖

3　 LNG冷能空分熱態(tài)啟動(dòng)操作難點(diǎn)分析

3.1乙二醇水溶液換熱器的操作

LNG管線、設(shè)備投用前，首先使用干燥、潔凈的氮?dú)饨?jīng)過(guò)吹掃置換，露點(diǎn)合格（-60℃以下），含氧量分析為0%后開(kāi)始預(yù)冷管線，當(dāng)LNG供液管線溫度預(yù)冷到-120℃時(shí)開(kāi)始增壓，采用LNG管線設(shè)備整體增壓的方式，即LNG供液管線和NG返回管線可全部導(dǎo)通同時(shí)增壓，增壓到正常工作壓力。這一系列過(guò)程中注意各閥門(mén)掛牌上鎖是否正確；控制溫降和壓升速率；做好管托位移記錄；檢查法蘭連接處、儀表接頭有無(wú)天然氣泄漏；NG返回BOG壓縮機(jī)入口管線的壓力不超過(guò)20 kPa，并啟動(dòng)乙二醇水溶液泵維持水溫不低于5℃。

當(dāng)LNG管線處于冷備狀態(tài)又不至于使較長(zhǎng)的LNG管線在到達(dá)空分前沒(méi)有較大的溫升，要控制好LNG流量，過(guò)多的冷量進(jìn)來(lái)又會(huì)使水溶液溫度過(guò)低造成凍堵。如果LNG管線處于冷備時(shí)LNG需用量為2 t/h，這時(shí)乙二醇水溶液泵的功率近似等于LNG釋放的冷量，正好滿足出乙二醇水溶液換熱器水溫的要求。啟動(dòng)空壓機(jī)后，假設(shè)空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)70%的負(fù)荷功率為3000 kW·h，每噸LNG冷量折合功率為175 kW·h，相應(yīng)要增加17 t/h的LNG才可維持住空壓機(jī)各級(jí)進(jìn)氣溫度，通過(guò)乙二醇水溶液換熱器啟動(dòng)端出口控制閥V7202以較快的速度將LNG的量提高至20 t/h左右，才不至于在短時(shí)間內(nèi)引起空壓機(jī)排氣溫度過(guò)高停車(chē)。V7207為液化冷箱的旁路閥也是乙二醇冷卻器啟動(dòng)端LNG汽化后NG的返回通路。由此看出，LNG管線處于保冷狀態(tài)和啟動(dòng)空壓機(jī)時(shí)LNG用量有很大的變化，短時(shí)間內(nèi)將LNG量由2 t/h提高到20 t/h，控制好乙二醇水溶液?jiǎn)?dòng)端和高壓液化器旁路閥的開(kāi)度，操作上要緊湊、準(zhǔn)確。

啟動(dòng)空壓機(jī)前，LNG走乙二醇水溶液換熱器啟動(dòng)端流路，啟動(dòng)空壓機(jī)后可切換至工作流路，即走高壓換熱器頂抽和中抽，頂抽由閥門(mén)V6307、V6308控制，中抽由V7206液化器旁路閥和中抽出口閥V7207調(diào)節(jié)，前提是高壓液化冷箱內(nèi)部管路設(shè)備已冷卻完成。

3.2 LNG高壓液化換熱器的冷卻

高壓液化冷箱的冷卻從打開(kāi)V5308時(shí)開(kāi)始，冷的LNG和從乙二醇冷卻器啟動(dòng)端復(fù)熱來(lái)的熱態(tài)NG匯合，逐漸控制進(jìn)入液化冷箱天然氣的流量和溫度，如果溫度變化過(guò)低過(guò)快，會(huì)造成兩種不良后果，其一，液化換熱器頂部熱端正流氣溫度約15℃，NG出口的設(shè)計(jì)溫度為10℃，如果出液化換熱器的溫度過(guò)低，溫差增加使熱應(yīng)力過(guò)大不利于設(shè)備安全，設(shè)計(jì)高壓液化換熱器熱端最高溫差不大于50℃，因此NG出換熱器溫度要求不得低于-10℃。其二，會(huì)使NG返回中石油天然氣管網(wǎng)溫度走低觸及切斷整個(gè)LNG供應(yīng)的聯(lián)鎖發(fā)生。在液化冷箱冷卻階段頂抽控制閥V6307或V6308保持微開(kāi)即可，盡可能增加中抽的LNG量。

3.3低溫氮壓機(jī)

液化冷箱的整體溫降達(dá)到-50℃時(shí)，開(kāi)始冷卻低溫氮壓機(jī)。低溫氮壓機(jī)為Atlas Copco公司制造，四級(jí)壓縮分兩段控制的整體齒輪式徑向離心機(jī)，一段排氣壓力為2.1 MPa（g），二段排氣壓力為6.2 MPa（g），段入口溫度設(shè)計(jì)-120℃，處于低溫狀態(tài)的氮?dú)怏w積流量減小，使得在排氣壓相同的情況下相比常溫氣體壓縮消耗的功耗要小得多，除了機(jī)體外與壓縮機(jī)相連的管道均有保冷措施。低溫氮?dú)獗粔嚎s后溫度升高，在進(jìn)入液化冷箱內(nèi)又被LNG冷卻下來(lái)，充當(dāng)了氣體冷卻器的效果，壓縮機(jī)入口溫度再次降至-120℃，形同于“等溫壓縮”，以此不斷和LNG進(jìn)行冷量交換。

低溫氮壓機(jī)每次啟動(dòng)各級(jí)進(jìn)、出口管線和回流管線流路必須進(jìn)行氮?dú)庵脫Q，分別在一段出口和二段出口分析排出氮?dú)獾穆饵c(diǎn)，露點(diǎn)低于-60℃以下為合格。繼續(xù)冷卻液化冷箱和低溫氮壓機(jī)管線，氮壓機(jī)級(jí)入口溫度都達(dá)到-50℃以下時(shí)，啟動(dòng)壓縮機(jī)，理想啟動(dòng)溫度為-60℃。

未啟動(dòng)低溫氮壓機(jī)前LNG的供量只和循環(huán)水溶液溫度高低存在換熱關(guān)系，一旦低溫氮壓機(jī)啟動(dòng)LNG供量和氮?dú)膺M(jìn)行換熱，需再次根據(jù)裝置負(fù)荷增加LNG供量。假設(shè)低溫氮壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)70%的負(fù)荷功率為2000 kW·h，啟動(dòng)低溫氮壓機(jī)時(shí)需增加12 t/h 的LNG。

一開(kāi)始ASU裝置并不能提供氮?dú)?，液體貯存系統(tǒng)設(shè)置中壓液氮儲(chǔ)罐，將液氮汽化后專(zhuān)供氮壓機(jī)預(yù)冷、啟動(dòng)階段至下塔氮?dú)饧兌群细襁@段時(shí)間工藝所需氮?dú)夂烷_(kāi)車(chē)用儀表氣、密封氣。氮壓機(jī)啟動(dòng)前首先確定最小啟動(dòng)用氮?dú)饬?，控制好V1884開(kāi)度，壓力過(guò)高過(guò)低都會(huì)引起壓縮機(jī)跳車(chē)。當(dāng)下塔產(chǎn)出純度合格的氮?dú)猓獙⒌獕簷C(jī)氮?dú)夤?yīng)流路通過(guò)V109閥切換至下塔流路，根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)要控制好閥門(mén)開(kāi)度，保證流路切換平穩(wěn)，如果氮壓機(jī)跳車(chē)將延誤1個(gè)小時(shí)左右的開(kāi)車(chē)時(shí)間。

3.4由液化冷箱向ASU提供冷量的流路切換

隨著低溫氮壓機(jī)的加載運(yùn)行，液化冷箱內(nèi)的溫度持續(xù)降低，打開(kāi)V3001和V3002將壓縮機(jī)出口氣體逐漸導(dǎo)入后線設(shè)備，逐漸冷卻液化換熱器過(guò)冷器。通過(guò)啟動(dòng)管線V362、V367向AUS導(dǎo)入低溫氣體，逐漸降低進(jìn)空分板式換熱器的空氣溫度。板式換熱器溫度降至-120℃時(shí)，打開(kāi)V3005，將啟動(dòng)管線閥門(mén)V362、V367關(guān)閉，切換到正常流路，ASU逐漸進(jìn)入冷卻向積液的過(guò)渡階段。保持進(jìn)塔空氣量，提高氮壓機(jī)負(fù)荷，同步增加LNG用量到額定值加快精餾塔的冷卻，積液成功后，逐漸開(kāi)始調(diào)純并開(kāi)啟工藝液氧泵，建立主冷工況產(chǎn)出合格液體。

4　其他

（1）由于生產(chǎn)工藝和產(chǎn)氣源地的不同液化天然氣的成分很復(fù)雜，一般來(lái)講以甲烷（CH4）為主，含量占天然氣成分的80%以上，密度隨甲烷含量的增加而減小，通常密度范圍為430 kg/m3～470 kg/m3左右。按照《石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 50183—2004)油氣火災(zāi)危險(xiǎn)性分類(lèi)，天然氣屬于甲A類(lèi)易燃、易爆物質(zhì)，在空氣中混合后的爆炸極限為5%~15%。從本質(zhì)安全的角度出發(fā)，LNG管線設(shè)備所在的231區(qū)設(shè)置為防爆生產(chǎn)區(qū)，

（2）尤其注意的是LNG管線設(shè)備的吹掃、加溫、微正壓密封靜置時(shí)必須采用干燥、純凈的氮?dú)?，不得和ASU的吹掃、加溫、密封氣等可能有空氣成分的氣路相連，以防誤操作引起事故，防爆區(qū)內(nèi)閥門(mén)儀表氣宜采用氮?dú)夤?yīng)。

（3）能夠和水以任意比例混合的乙二醇在低溫環(huán)境的使用中容易產(chǎn)生酸性物質(zhì)，對(duì)金屬有腐蝕作用。由于水的沸點(diǎn)比乙二醇低，使用中水分會(huì)首先蒸發(fā)，使得乙二醇含量升高，因此，定期檢測(cè)乙二醇含量和水溶液冰點(diǎn)溫度在要求值內(nèi)。

（4）存在跨單位合作的特性，應(yīng)建立有效的溝通機(jī)制。

5　結(jié)束語(yǔ)

為使裝置產(chǎn)出液體，前提要調(diào)整好LNG冷能換熱設(shè)備。從LNG管線設(shè)備冷卻、增壓開(kāi)始逐步敘述開(kāi)車(chē)過(guò)程中的關(guān)鍵點(diǎn)可以看出LNG冷能空分開(kāi)車(chē)過(guò)程完全不同于常規(guī)空分中由膨脹機(jī)提供主要冷量的流程操作，在制冷量導(dǎo)入ASU前有很多工作要做，熱態(tài)開(kāi)車(chē)比常規(guī)空分所需的時(shí)間要長(zhǎng)，理清開(kāi)車(chē)中的難、重點(diǎn)有利于減少開(kāi)車(chē)中可能出現(xiàn)的意外失誤，避免發(fā)生不必要的損失，使開(kāi)車(chē)過(guò)程順利完成。

[參考文獻(xiàn)]

[1]夏鴻雁，顧燕新. LNG冷能在液體空分設(shè)備上的應(yīng)用研究[J].低

溫技術(shù)，2014（01）.

熱電

Analysis of the Difficulties in the Startup of LNG Cold Energy ASU

ZHENG Zuwei

(Jiangsu Hangyang Runhua Gases Co., Ltd., Rudong, Jiangsu 226413, China)

【Abstract】According to the characteristics of LNG cold energy liquid air separation plant, the paper tries to present the operational difficulties and key points concentrated in the LNG cold energy heat exchanger during startup operation, such as the ethylene glycol aqueous solution heat exchanger, liquefying cold boxes and cryogenic nitrogen compressor. The relationship between load change during startup of the device and LNG supply quantity is explained. It is also discussed how to shorten the startup time through refined operation and improve operation safety during the steps prone to errors.

【Keywords】LNG; cold energy utilization; air separation; operation

作者簡(jiǎn)介：鄭祖瑋（1984－），男，畢業(yè)于內(nèi)蒙古科技大學(xué)化學(xué)工程與工藝專(zhuān)業(yè)，本科學(xué)歷，助理工程師，現(xiàn)從事空分專(zhuān)業(yè)技術(shù)工作。

收稿日期：2015－10－19

【文章編號(hào)】1006-6764(2015)12-0027-03

【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【中圖分類(lèi)號(hào)】TB657.7