LNG工廠混合冷劑液化工藝?yán)湎涮崃垦芯?/h1>
2019-07-02 03:31楊燁殷素娜郭鵬楊振江王顏全
石油與天然氣化工 2019年3期
楊燁 殷素娜 郭鵬 楊振江 王顏全
1.中國(guó)石化江漢油田分公司江漢采油廠湖北新捷LNG項(xiàng)目部 2.中國(guó)石油北京油氣調(diào)控中心
天然氣液化需要-162 ℃以下低溫，液化后體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/600。其生產(chǎn)屬低溫工程領(lǐng)域物理變化過(guò)程，主要依托換熱制冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前該領(lǐng)域制冷方式主要有級(jí)聯(lián)式液化方式、混合冷劑液化方式和膨脹制冷液化方式[1-3]。其中混合冷劑液化方式運(yùn)用最廣，具有流程簡(jiǎn)單、建設(shè)周期短、造價(jià)低、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。最佳的冷劑配比和最優(yōu)的控制操作是此方式成功運(yùn)用的關(guān)鍵，任何操作失誤和設(shè)計(jì)缺陷都能誘發(fā)連鎖導(dǎo)致停機(jī)[4-6]。而級(jí)聯(lián)式液化方式對(duì)工藝設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)操作要求相對(duì)較低，系統(tǒng)運(yùn)行也最為平穩(wěn)。但工藝流程復(fù)雜、建設(shè)周期長(zhǎng)、造價(jià)較高且能耗較大。膨脹制冷液化方式受設(shè)備制造和產(chǎn)能限制運(yùn)用不多[7]。
本文基于湖北500×104m3/d LNG工廠傳統(tǒng)階式制冷循環(huán)工藝與混合冷劑制冷循環(huán)工藝兩者結(jié)合的特殊工藝設(shè)計(jì)，在操作運(yùn)行方面展開探討。針對(duì)最后一級(jí)混合冷劑液化天然氣工藝?yán)湎涮崃空{(diào)整(400×104m3/d提至500×104m3/d)進(jìn)行分析，全方位展示問(wèn)題，提出優(yōu)化解決方案，為該領(lǐng)域生產(chǎn)操作提供實(shí)例參考。
1 工程簡(jiǎn)介
湖北500×104m3/d LNG工廠原料氣自西氣東輸二線管網(wǎng)引入，分別脫除天然氣中的CO2、水、汞和重?zé)N后通過(guò)換熱器逐級(jí)冷卻最終得到LNG進(jìn)行儲(chǔ)存。
所研工廠液化裝置采用傳統(tǒng)階式制冷循環(huán)與混合冷劑制冷循環(huán)結(jié)合式設(shè)計(jì)，具備穩(wěn)定與節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。其中前兩級(jí)為傳統(tǒng)階式制冷工藝，最后一級(jí)為混合冷劑制冷[8]。具體為：第一級(jí)丙烯制冷循環(huán)為天然氣、制冷劑乙烯和制冷劑甲烷提供冷量；第二級(jí)乙烯制冷循環(huán)為天然氣和制冷劑甲烷提供冷量；第三級(jí)甲烷混合冷劑循環(huán)為天然氣及自身提供冷量。其中，甲烷混合冷劑主要包含氮?dú)?、甲烷、乙?種組分，工廠不同產(chǎn)量下的混合冷劑配比(摩爾分?jǐn)?shù))不同，大致為氮?dú)?%～10%，乙烯15%～30%，甲烷60%～80%。
靜設(shè)備方面，天然氣需通過(guò)6個(gè)管殼換熱器和1個(gè)板翅式換熱器(冷箱)冷卻，經(jīng)節(jié)流降溫后液化為L(zhǎng)NG。其中，為防止重?zé)N在低溫環(huán)境下析出，該裝置設(shè)置有重?zé)N洗滌塔，在冷箱換熱節(jié)流前充分脫除原料氣中的重組分，防止冷箱凍堵[9-12]。
綜上所述，該工程制冷循環(huán)長(zhǎng)，換熱器及其動(dòng)設(shè)備較多。三機(jī)組的低功耗正常運(yùn)行與換熱器的復(fù)合配套調(diào)控為所研工廠操作難點(diǎn)。而最后一級(jí)冷箱的調(diào)節(jié)以及混合冷劑的配比是影響LNG產(chǎn)品的關(guān)鍵。冷箱異常會(huì)誘發(fā)偏流、凍堵、LNG產(chǎn)品溫度不達(dá)標(biāo)、能耗過(guò)大等多方面問(wèn)題。本文簡(jiǎn)化前端復(fù)雜工藝，針對(duì)最后一級(jí)冷箱提量操作進(jìn)行量化數(shù)據(jù)分析。
2 描述與準(zhǔn)備
所研工廠額定最大生產(chǎn)負(fù)荷為100%～110%。500×104m3/d提量前系統(tǒng)裝置已在400×104m3/d產(chǎn)量下穩(wěn)定生產(chǎn)48 h。針對(duì)500×104m3/d生產(chǎn)指標(biāo)現(xiàn)做準(zhǔn)備工作如下：混合冷劑組分的摩爾分?jǐn)?shù)調(diào)整為氮?dú)?1.668 9%、甲烷65.025 0%、乙烯22.235 9%；調(diào)整并提高前端蒸發(fā)器制冷劑液位；調(diào)整重?zé)N洗滌塔負(fù)荷(穩(wěn)定重?zé)N回流泵排量12～16 t/h、重?zé)N回流罐出口溫度<70 ℃)，防止500×104m3/d情況下重?zé)N帶入冷箱凍堵(見圖1)；優(yōu)化BOG壓縮機(jī)參數(shù)；按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況適當(dāng)關(guān)小喘振閥，降低三機(jī)組功耗[13]。
因?yàn)椴煌M分氣體露點(diǎn)存在差異，所以吸放熱性質(zhì)也會(huì)不同。依據(jù)該性質(zhì)，冷箱冷劑側(cè)盤管溫度測(cè)點(diǎn)(見圖2)能直觀反映對(duì)應(yīng)組分含量及換熱效率(T1#：乙烯，T2#：甲烷，T3#：氮?dú)?。T4是直觀反映冷劑線溫度的關(guān)鍵點(diǎn)，也是判斷混合冷劑相態(tài)的直觀因素。工程設(shè)計(jì)指出，T4>-100 ℃時(shí)混合冷劑為氣體，正常運(yùn)行時(shí)不存在液體，所以正常運(yùn)行時(shí)T4必須大于-100 ℃。查閱歷史數(shù)據(jù)，原滿負(fù)荷(500×104m3/d)生產(chǎn)時(shí)，T4為-99.6 ℃，且系統(tǒng)平穩(wěn)，若T4溫度過(guò)低，冷劑配比不均衡則會(huì)出現(xiàn)冷劑線出口處形成液體，導(dǎo)致冷箱換熱效率降低。另外，冷劑線壓差最大設(shè)計(jì)載荷為80 kPa，若500×104m3/d情況下出現(xiàn)壓差過(guò)高報(bào)警，可暫不處理[14]。由此，針對(duì)提量過(guò)程制定預(yù)警方案如下：
(1)針對(duì)均勻換熱前提下冷劑、產(chǎn)量平衡原則，設(shè)T4混合冷劑出冷箱溫度點(diǎn)為主要考核觀測(cè)點(diǎn)。極端情況時(shí)，首要保證此點(diǎn)溫度在-100 ℃以下，防止混合冷劑中乙烯脫出并液化，從而影響冷箱換熱。
(2)提量至450×104m3/d時(shí)暫停冷箱提量操作。穩(wěn)定觀察，適當(dāng)調(diào)整穩(wěn)定前端三脫負(fù)荷、各換熱器溫度、壓縮機(jī)喘振、重?zé)N洗滌塔負(fù)荷、BOG返輸量，防止前端系統(tǒng)波動(dòng)影響最終提產(chǎn)。
(3)為防止冷箱提量時(shí)出現(xiàn)換熱不均、冷劑兩相流問(wèn)題，可提前小幅度上下調(diào)整冷劑線給冷閥，均一化冷劑。
(4)經(jīng)核算LNG儲(chǔ)罐每臺(tái)泵產(chǎn)生BOG 1000 m3左右，晚間不裝車時(shí)可使用變頻泵打循環(huán)，盡量減少BOG產(chǎn)生。
(5)若出現(xiàn)冷箱換熱不足或機(jī)體功耗大等一連串問(wèn)題，可以采用調(diào)整冷劑配比、提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速等手段進(jìn)行處理[15]。若不能根治或情況惡化，則可對(duì)冷箱進(jìn)行降量復(fù)溫后重新平衡系統(tǒng)，再做提量嘗試。
3 分析與指引
為全面觀測(cè)提量過(guò)程中冷箱變化情況，現(xiàn)記錄各時(shí)間點(diǎn)操作細(xì)節(jié)并收集相應(yīng)數(shù)據(jù)，做各時(shí)間段21組關(guān)鍵數(shù)據(jù)圖譜(見圖3～圖7)。本次提產(chǎn)于10:00開始，16:43結(jié)束，歷經(jīng)7 h。實(shí)際操作在提量方案框架下，依據(jù)LNG線產(chǎn)品閥開0.1%、冷劑線給冷閥開0.2%經(jīng)驗(yàn)緩開閥門。
依據(jù)圖5的T4溫度曲線可知，10:18提量前，T4溫度為-113.3 ℃。顯然當(dāng)前T4溫度過(guò)低，冷劑線有液柱出現(xiàn)。但通過(guò)圖7可知，當(dāng)前冷劑配比未出現(xiàn)不均衡情況，可能為冷劑未充分混合造成。10:59提量至450×104m3/d時(shí)，通過(guò)圖4的T2、T2#溫度層異常，出現(xiàn)溫度反轉(zhuǎn)，及T2
靜至觀察，到13:34冷劑組分未發(fā)生明顯變化，估計(jì)系統(tǒng)還未混合均勻。但T1、T2、T3各層溫度反轉(zhuǎn)現(xiàn)象加劇。且T2、T2#溫度層溫差達(dá)28 ℃，冷熱極為不均，情況緊急。若繼續(xù)惡化則會(huì)導(dǎo)致冷箱應(yīng)力拉傷，產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)性損壞[16-18]。此時(shí)必須采取緊急措施，無(wú)法繼續(xù)等到系統(tǒng)冷劑混合均勻、溫度自然好轉(zhuǎn)。所以，在13:34做緊急降量處理(降至460×104m3/d)，并于14:20開始開大冷劑線調(diào)節(jié)閥，充分給冷，冷透冷箱。操作完成后，T1、T2、T3各層溫度反轉(zhuǎn)現(xiàn)象好轉(zhuǎn)，但通過(guò)圖7可知，乙烯在13:52被甩出，加劇冷劑混合不均現(xiàn)象。14:26甲烷吸入罐開始積液，凝液收集罐液位下降(見圖8)，進(jìn)一步證明乙烯被甩出。此時(shí)，開大甲烷吸入罐熱吹，氣化乙烯將其混入系統(tǒng)。14:33繼續(xù)開大冷箱冷劑線供給閥，充分冷透冷箱。冷箱T1、T2、T3溫度層換熱好轉(zhuǎn)，溫度反轉(zhuǎn)現(xiàn)象逐步緩解并消失。由此證明，乙烯組分重回混合冷劑中，后續(xù)可以繼續(xù)提量。下一步需注意控制產(chǎn)品線溫度，防止因提量而造成的LNG儲(chǔ)罐BOG大規(guī)模閃蒸導(dǎo)致的BOG壓縮機(jī)負(fù)荷加大[19]。
觀測(cè)分析截止16:43提量至500×104m3/d的所有數(shù)據(jù)可知，冷箱T1、T2、T3各溫度層又出現(xiàn)溫度反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但間隔時(shí)間短屬于正常周期變化，符合冷箱板翅式換熱器高熱導(dǎo)性特點(diǎn)，本次提量操作方案科學(xué)可行。通過(guò)本次提量操作得出如下通用性經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)前冷箱流道存在兩相流情況，且無(wú)法徹底解決[20]；乙烯組分始終不主動(dòng)融合進(jìn)混合冷劑，致使甲烷吸入罐積液，凝液收集罐液位下降；執(zhí)行暫時(shí)性復(fù)溫降產(chǎn)操作能有效緩解冷箱換熱效率低、冷劑配比不均等問(wèn)題，但不能徹底解決，而由于乙烯組分不進(jìn)入混合冷劑，致使在線色譜分析不準(zhǔn)確，所以也不能隨意添加冷劑組分[21]；如若保持當(dāng)前情況運(yùn)轉(zhuǎn)，下一步可能會(huì)出現(xiàn)甲烷凝液收集罐液位降低(20:50出現(xiàn))，唯一應(yīng)急辦法為加大甲烷吸入罐熱吹，并補(bǔ)充甲烷冷劑，但也無(wú)法徹底解決問(wèn)題。
通過(guò)T4溫度點(diǎn)與提量期間各溫度層變化情況看，系統(tǒng)中乙烯組分偏多。下步可補(bǔ)充甲烷組分遏制甲烷凝液收集罐液位下降，另外甲烷分子量較輕，不會(huì)明顯增加系統(tǒng)負(fù)荷；針對(duì)乙烯組分被甩出不參與混合冷劑循環(huán)現(xiàn)象，可采取開甲烷凝液收集罐放空閥泄放冷劑，以釋放氮?dú)?，從而為乙烯組分留出空間，然后重調(diào)冷劑組分；為防止冷箱流道雜質(zhì)堵塞問(wèn)題，下次停工檢修時(shí)可采取反相吹掃冷箱及爆破吹掃手段，徹底清潔冷箱。
表1 混合冷劑冷箱提量針對(duì)性意見表Table 1 Targeted opinions for improving quantity of mixed refrigerant cold box層面因素問(wèn)題意見操作提量前不同產(chǎn)量下冷劑組分配比不同,或當(dāng)前組分混合不均導(dǎo)致化驗(yàn)數(shù)據(jù)失真明確最終提量目標(biāo),做好目標(biāo)產(chǎn)量下的冷劑配比并讓各組分充分融合(根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)所研LNG工廠0～250×104 m3/d～350×104 m3/d～500×104 m3/d不同生產(chǎn)負(fù)荷下冷劑配比應(yīng)不同,不能執(zhí)行原設(shè)計(jì)方所給固定參數(shù),且穩(wěn)產(chǎn)時(shí)應(yīng)避免150×104 m3/d、250×104 m3/d、350×104 m3/d、450×104 m3/d 4個(gè)不穩(wěn)定生產(chǎn)點(diǎn));保證提量前系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行24 h以上,冷劑組分混合均勻,化驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效提量中冷劑混合不均,乙烯等輕組分始終不融入;冷箱偏流,各溫度點(diǎn)混亂;同層換熱點(diǎn)溫差過(guò)大,產(chǎn)生有害應(yīng)力杜絕補(bǔ)充配比冷劑和提/降量操作同時(shí)進(jìn)行,減小系統(tǒng)波動(dòng)因素,避免多因素互為影響下的系統(tǒng)參數(shù)擾動(dòng);按照目標(biāo)產(chǎn)量充分配比完冷劑后再進(jìn)行提量操作,如若需要再次調(diào)整冷劑組分,需暫停提量操作,組分調(diào)整完畢,系統(tǒng)運(yùn)行2 h以上方可再次提量;若發(fā)現(xiàn)同層換熱點(diǎn)溫差接近30 ℃,應(yīng)立即降量復(fù)熱冷箱,待同層換熱點(diǎn)溫差正常并穩(wěn)定0.5 h后,方可執(zhí)行下步操作提量后混合冷劑收集罐液位下降;冷箱各溫度測(cè)點(diǎn)紊亂;壓縮機(jī)負(fù)荷波動(dòng)提量完成后連續(xù)觀察冷劑組分變化2 h,人工取樣30 min/次,并與在線色譜結(jié)果比對(duì)。如若冷劑組分變化不大,混合冷劑收集罐液位與提量前相比,降幅度在10%以內(nèi),此為正常提量后冷劑相變所至,否則應(yīng)密切關(guān)注冷箱各溫度測(cè)點(diǎn)變化,并檢查前端換熱器是否竄料;如若遇到冷箱各溫度測(cè)點(diǎn)紊亂,壓縮機(jī)負(fù)荷波動(dòng)則應(yīng)在確保壓縮機(jī)不聯(lián)鎖前提下做緊急降量處理,后續(xù)重新配比冷劑后,再重新提量設(shè)計(jì)方法流體物性參數(shù)隨壓力溫度等因素變化;且介質(zhì)流體為多組分混合物將物性參數(shù)設(shè)為變量目標(biāo)。在定壓比熱條件下明確冷劑種類和組分后,融入分段設(shè)計(jì)理念。將換熱器分成n段并實(shí)驗(yàn)獲取初態(tài)與n段間過(guò)程態(tài)溫度參數(shù),運(yùn)用對(duì)數(shù)平均溫差算法進(jìn)行傳熱面積及相關(guān)細(xì)則設(shè)計(jì)[22]結(jié)構(gòu)材料成本高,現(xiàn)場(chǎng)安裝敷設(shè)位置受限均衡考量輕量化設(shè)計(jì)成本與換熱效率余量;根據(jù)易檢修、易安裝的原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)冷箱安裝缺陷、部件應(yīng)力變形或設(shè)備老化誘發(fā)換熱效率下降明確冷箱安裝與操作細(xì)則;保證流道絕對(duì)潔凈與充分干燥;設(shè)定換熱溫差上限聯(lián)鎖停機(jī)值(30 ℃),避免一切操作因素下的部件應(yīng)力損傷;進(jìn)行首次1次/3年、后期1次/年的大修拆解,并跟蹤核算換熱效率等關(guān)鍵參數(shù)
所研工廠冷箱換熱設(shè)備截止2019年1月1日已機(jī)械竣工6年，生產(chǎn)運(yùn)行5年?？紤]到設(shè)備老化與工廠間歇性生產(chǎn)特性多重因素影響，針對(duì)此次提產(chǎn)操作中出現(xiàn)的溫度層反轉(zhuǎn)及冷劑配比不均等問(wèn)題，在操作與設(shè)計(jì)層面提出針對(duì)性意見，見表1。
4 結(jié)論與建議
混合冷劑液化制冷方式造價(jià)低且節(jié)能。其中科學(xué)的冷劑配比與匹配的壓縮機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能充分優(yōu)化系統(tǒng)功耗，達(dá)到最佳制冷效果。理論上，制冷劑組分越多，換熱器內(nèi)的冷熱流換熱溫差越均勻，換熱效果越好，可調(diào)范圍越大。但制冷劑組分的增多會(huì)造成冷劑儲(chǔ)配系統(tǒng)復(fù)雜，冷箱換熱設(shè)備設(shè)計(jì)與操作難度增大，LNG工廠整體系統(tǒng)穩(wěn)定性偏低。所以，恰當(dāng)?shù)睦鋭┙M成與合理的工藝搭配非常重要。
湖北500×104m3/d LNG工廠截至2019年1月1日已生產(chǎn)運(yùn)行5年，但由于LNG市場(chǎng)行情變化、上游原料氣供給等原因一直處于間歇生產(chǎn)狀態(tài)，且很少達(dá)到500×104m3/d滿負(fù)荷生產(chǎn)目標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行情況可知：所研LNG工廠在250×104m3/d以下生產(chǎn)時(shí)，對(duì)冷劑配比精度要求不高，能在冷劑組分不變的前提下通過(guò)冷箱節(jié)流閥大幅度進(jìn)行產(chǎn)量調(diào)節(jié)。在(250～350)×104m3/d生產(chǎn)時(shí)，需要重新調(diào)整冷劑后進(jìn)行小幅度產(chǎn)量調(diào)節(jié)。為提高效率，該階段可同時(shí)進(jìn)行提/降量操作與冷劑組分調(diào)節(jié)。在350×104m3/d以上生產(chǎn)時(shí)，冷箱溫度場(chǎng)復(fù)雜而敏感，任何不當(dāng)?shù)牟僮鞫紩?huì)導(dǎo)致冷箱偏流、壓差過(guò)大和混合冷劑各換熱層溫度紊亂。因此，合理協(xié)調(diào)上游氣源與下游銷售，保證LNG工廠產(chǎn)量穩(wěn)定，并在大幅度提/降量操作前做好冷劑組分調(diào)節(jié)是確保工廠換熱系統(tǒng)穩(wěn)定性的最佳手段。
總而言之，湖北500×104m3/d LNG工廠兼具傳統(tǒng)階式制冷循環(huán)與混合冷劑制冷循環(huán)優(yōu)點(diǎn)，在系統(tǒng)穩(wěn)定性與可調(diào)節(jié)性能上均具優(yōu)勢(shì)。針對(duì)滿負(fù)荷提量生產(chǎn)調(diào)整得出操作指引如下：
(1)提量時(shí)應(yīng)先給足冷量，使冷箱充分冷透，再增加LNG產(chǎn)量。防止因產(chǎn)品線冷量不夠、溫度不合格而導(dǎo)致儲(chǔ)罐BOG放空；防止因大幅度提量而造成的系統(tǒng)波動(dòng)，壓縮機(jī)負(fù)荷過(guò)大。
(2)提量前可先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算優(yōu)化，減小BOG量，使火炬零放空。
(3)提量前及提量期間要實(shí)時(shí)關(guān)注冷劑組分變化，并根據(jù)各換熱層動(dòng)態(tài)變化做相應(yīng)調(diào)整。同時(shí)注意優(yōu)化LNG工廠整體工藝系統(tǒng)能耗，在BOG壓縮機(jī)運(yùn)行、前端胺液循環(huán)量、重?zé)N洗滌塔溫度上做好預(yù)判調(diào)整。
(4)提量期間應(yīng)控制好循環(huán)水溫度及前端各蒸發(fā)器液位，為最后一級(jí)混合冷劑冷箱調(diào)控做好換熱準(zhǔn)備。
(5)提量期間給冷、提產(chǎn)要緩。若有問(wèn)題可穩(wěn)定觀察一段時(shí)間后再進(jìn)行提產(chǎn)；也可以小規(guī)模反復(fù)增、減冷劑及其產(chǎn)品。充分混合冷劑，克服兩相流干擾，曲線提產(chǎn)。
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天然氣液化需要-162 ℃以下低溫，液化后體積約為同量氣態(tài)天然氣體積的1/600。其生產(chǎn)屬低溫工程領(lǐng)域物理變化過(guò)程，主要依托換熱制冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前該領(lǐng)域制冷方式主要有級(jí)聯(lián)式液化方式、混合冷劑液化方式和膨脹制冷液化方式[1-3]。其中混合冷劑液化方式運(yùn)用最廣，具有流程簡(jiǎn)單、建設(shè)周期短、造價(jià)低、能耗低等優(yōu)點(diǎn)。最佳的冷劑配比和最優(yōu)的控制操作是此方式成功運(yùn)用的關(guān)鍵，任何操作失誤和設(shè)計(jì)缺陷都能誘發(fā)連鎖導(dǎo)致停機(jī)[4-6]。而級(jí)聯(lián)式液化方式對(duì)工藝設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)操作要求相對(duì)較低，系統(tǒng)運(yùn)行也最為平穩(wěn)。但工藝流程復(fù)雜、建設(shè)周期長(zhǎng)、造價(jià)較高且能耗較大。膨脹制冷液化方式受設(shè)備制造和產(chǎn)能限制運(yùn)用不多[7]。
本文基于湖北500×104m3/d LNG工廠傳統(tǒng)階式制冷循環(huán)工藝與混合冷劑制冷循環(huán)工藝兩者結(jié)合的特殊工藝設(shè)計(jì)，在操作運(yùn)行方面展開探討。針對(duì)最后一級(jí)混合冷劑液化天然氣工藝?yán)湎涮崃空{(diào)整(400×104m3/d提至500×104m3/d)進(jìn)行分析，全方位展示問(wèn)題，提出優(yōu)化解決方案，為該領(lǐng)域生產(chǎn)操作提供實(shí)例參考。
1 工程簡(jiǎn)介
湖北500×104m3/d LNG工廠原料氣自西氣東輸二線管網(wǎng)引入，分別脫除天然氣中的CO2、水、汞和重?zé)N后通過(guò)換熱器逐級(jí)冷卻最終得到LNG進(jìn)行儲(chǔ)存。
所研工廠液化裝置采用傳統(tǒng)階式制冷循環(huán)與混合冷劑制冷循環(huán)結(jié)合式設(shè)計(jì)，具備穩(wěn)定與節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。其中前兩級(jí)為傳統(tǒng)階式制冷工藝，最后一級(jí)為混合冷劑制冷[8]。具體為：第一級(jí)丙烯制冷循環(huán)為天然氣、制冷劑乙烯和制冷劑甲烷提供冷量；第二級(jí)乙烯制冷循環(huán)為天然氣和制冷劑甲烷提供冷量；第三級(jí)甲烷混合冷劑循環(huán)為天然氣及自身提供冷量。其中，甲烷混合冷劑主要包含氮?dú)?、甲烷、乙?種組分，工廠不同產(chǎn)量下的混合冷劑配比(摩爾分?jǐn)?shù))不同，大致為氮?dú)?%～10%，乙烯15%～30%，甲烷60%～80%。
靜設(shè)備方面，天然氣需通過(guò)6個(gè)管殼換熱器和1個(gè)板翅式換熱器(冷箱)冷卻，經(jīng)節(jié)流降溫后液化為L(zhǎng)NG。其中，為防止重?zé)N在低溫環(huán)境下析出，該裝置設(shè)置有重?zé)N洗滌塔，在冷箱換熱節(jié)流前充分脫除原料氣中的重組分，防止冷箱凍堵[9-12]。
綜上所述，該工程制冷循環(huán)長(zhǎng)，換熱器及其動(dòng)設(shè)備較多。三機(jī)組的低功耗正常運(yùn)行與換熱器的復(fù)合配套調(diào)控為所研工廠操作難點(diǎn)。而最后一級(jí)冷箱的調(diào)節(jié)以及混合冷劑的配比是影響LNG產(chǎn)品的關(guān)鍵。冷箱異常會(huì)誘發(fā)偏流、凍堵、LNG產(chǎn)品溫度不達(dá)標(biāo)、能耗過(guò)大等多方面問(wèn)題。本文簡(jiǎn)化前端復(fù)雜工藝，針對(duì)最后一級(jí)冷箱提量操作進(jìn)行量化數(shù)據(jù)分析。
2 描述與準(zhǔn)備
所研工廠額定最大生產(chǎn)負(fù)荷為100%～110%。500×104m3/d提量前系統(tǒng)裝置已在400×104m3/d產(chǎn)量下穩(wěn)定生產(chǎn)48 h。針對(duì)500×104m3/d生產(chǎn)指標(biāo)現(xiàn)做準(zhǔn)備工作如下：混合冷劑組分的摩爾分?jǐn)?shù)調(diào)整為氮?dú)?1.668 9%、甲烷65.025 0%、乙烯22.235 9%；調(diào)整并提高前端蒸發(fā)器制冷劑液位；調(diào)整重?zé)N洗滌塔負(fù)荷(穩(wěn)定重?zé)N回流泵排量12～16 t/h、重?zé)N回流罐出口溫度<70 ℃)，防止500×104m3/d情況下重?zé)N帶入冷箱凍堵(見圖1)；優(yōu)化BOG壓縮機(jī)參數(shù)；按現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況適當(dāng)關(guān)小喘振閥，降低三機(jī)組功耗[13]。
因?yàn)椴煌M分氣體露點(diǎn)存在差異，所以吸放熱性質(zhì)也會(huì)不同。依據(jù)該性質(zhì)，冷箱冷劑側(cè)盤管溫度測(cè)點(diǎn)(見圖2)能直觀反映對(duì)應(yīng)組分含量及換熱效率(T1#：乙烯，T2#：甲烷，T3#：氮?dú)?。T4是直觀反映冷劑線溫度的關(guān)鍵點(diǎn)，也是判斷混合冷劑相態(tài)的直觀因素。工程設(shè)計(jì)指出，T4>-100 ℃時(shí)混合冷劑為氣體，正常運(yùn)行時(shí)不存在液體，所以正常運(yùn)行時(shí)T4必須大于-100 ℃。查閱歷史數(shù)據(jù)，原滿負(fù)荷(500×104m3/d)生產(chǎn)時(shí)，T4為-99.6 ℃，且系統(tǒng)平穩(wěn)，若T4溫度過(guò)低，冷劑配比不均衡則會(huì)出現(xiàn)冷劑線出口處形成液體，導(dǎo)致冷箱換熱效率降低。另外，冷劑線壓差最大設(shè)計(jì)載荷為80 kPa，若500×104m3/d情況下出現(xiàn)壓差過(guò)高報(bào)警，可暫不處理[14]。由此，針對(duì)提量過(guò)程制定預(yù)警方案如下：
(1)針對(duì)均勻換熱前提下冷劑、產(chǎn)量平衡原則，設(shè)T4混合冷劑出冷箱溫度點(diǎn)為主要考核觀測(cè)點(diǎn)。極端情況時(shí)，首要保證此點(diǎn)溫度在-100 ℃以下，防止混合冷劑中乙烯脫出并液化，從而影響冷箱換熱。
(2)提量至450×104m3/d時(shí)暫停冷箱提量操作。穩(wěn)定觀察，適當(dāng)調(diào)整穩(wěn)定前端三脫負(fù)荷、各換熱器溫度、壓縮機(jī)喘振、重?zé)N洗滌塔負(fù)荷、BOG返輸量，防止前端系統(tǒng)波動(dòng)影響最終提產(chǎn)。
(3)為防止冷箱提量時(shí)出現(xiàn)換熱不均、冷劑兩相流問(wèn)題，可提前小幅度上下調(diào)整冷劑線給冷閥，均一化冷劑。
(4)經(jīng)核算LNG儲(chǔ)罐每臺(tái)泵產(chǎn)生BOG 1000 m3左右，晚間不裝車時(shí)可使用變頻泵打循環(huán)，盡量減少BOG產(chǎn)生。
(5)若出現(xiàn)冷箱換熱不足或機(jī)體功耗大等一連串問(wèn)題，可以采用調(diào)整冷劑配比、提高壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速等手段進(jìn)行處理[15]。若不能根治或情況惡化，則可對(duì)冷箱進(jìn)行降量復(fù)溫后重新平衡系統(tǒng)，再做提量嘗試。
3 分析與指引
為全面觀測(cè)提量過(guò)程中冷箱變化情況，現(xiàn)記錄各時(shí)間點(diǎn)操作細(xì)節(jié)并收集相應(yīng)數(shù)據(jù)，做各時(shí)間段21組關(guān)鍵數(shù)據(jù)圖譜(見圖3～圖7)。本次提產(chǎn)于10:00開始，16:43結(jié)束，歷經(jīng)7 h。實(shí)際操作在提量方案框架下，依據(jù)LNG線產(chǎn)品閥開0.1%、冷劑線給冷閥開0.2%經(jīng)驗(yàn)緩開閥門。
依據(jù)圖5的T4溫度曲線可知，10:18提量前，T4溫度為-113.3 ℃。顯然當(dāng)前T4溫度過(guò)低，冷劑線有液柱出現(xiàn)。但通過(guò)圖7可知，當(dāng)前冷劑配比未出現(xiàn)不均衡情況，可能為冷劑未充分混合造成。10:59提量至450×104m3/d時(shí)，通過(guò)圖4的T2、T2#溫度層異常，出現(xiàn)溫度反轉(zhuǎn)，及T2 靜至觀察，到13:34冷劑組分未發(fā)生明顯變化，估計(jì)系統(tǒng)還未混合均勻。但T1、T2、T3各層溫度反轉(zhuǎn)現(xiàn)象加劇。且T2、T2#溫度層溫差達(dá)28 ℃，冷熱極為不均，情況緊急。若繼續(xù)惡化則會(huì)導(dǎo)致冷箱應(yīng)力拉傷，產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)性損壞[16-18]。此時(shí)必須采取緊急措施，無(wú)法繼續(xù)等到系統(tǒng)冷劑混合均勻、溫度自然好轉(zhuǎn)。所以，在13:34做緊急降量處理(降至460×104m3/d)，并于14:20開始開大冷劑線調(diào)節(jié)閥，充分給冷，冷透冷箱。操作完成后，T1、T2、T3各層溫度反轉(zhuǎn)現(xiàn)象好轉(zhuǎn)，但通過(guò)圖7可知，乙烯在13:52被甩出，加劇冷劑混合不均現(xiàn)象。14:26甲烷吸入罐開始積液，凝液收集罐液位下降(見圖8)，進(jìn)一步證明乙烯被甩出。此時(shí)，開大甲烷吸入罐熱吹，氣化乙烯將其混入系統(tǒng)。14:33繼續(xù)開大冷箱冷劑線供給閥，充分冷透冷箱。冷箱T1、T2、T3溫度層換熱好轉(zhuǎn)，溫度反轉(zhuǎn)現(xiàn)象逐步緩解并消失。由此證明，乙烯組分重回混合冷劑中，后續(xù)可以繼續(xù)提量。下一步需注意控制產(chǎn)品線溫度，防止因提量而造成的LNG儲(chǔ)罐BOG大規(guī)模閃蒸導(dǎo)致的BOG壓縮機(jī)負(fù)荷加大[19]。 觀測(cè)分析截止16:43提量至500×104m3/d的所有數(shù)據(jù)可知，冷箱T1、T2、T3各溫度層又出現(xiàn)溫度反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但間隔時(shí)間短屬于正常周期變化，符合冷箱板翅式換熱器高熱導(dǎo)性特點(diǎn)，本次提量操作方案科學(xué)可行。通過(guò)本次提量操作得出如下通用性經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)前冷箱流道存在兩相流情況，且無(wú)法徹底解決[20]；乙烯組分始終不主動(dòng)融合進(jìn)混合冷劑，致使甲烷吸入罐積液，凝液收集罐液位下降；執(zhí)行暫時(shí)性復(fù)溫降產(chǎn)操作能有效緩解冷箱換熱效率低、冷劑配比不均等問(wèn)題，但不能徹底解決，而由于乙烯組分不進(jìn)入混合冷劑，致使在線色譜分析不準(zhǔn)確，所以也不能隨意添加冷劑組分[21]；如若保持當(dāng)前情況運(yùn)轉(zhuǎn)，下一步可能會(huì)出現(xiàn)甲烷凝液收集罐液位降低(20:50出現(xiàn))，唯一應(yīng)急辦法為加大甲烷吸入罐熱吹，并補(bǔ)充甲烷冷劑，但也無(wú)法徹底解決問(wèn)題。 通過(guò)T4溫度點(diǎn)與提量期間各溫度層變化情況看，系統(tǒng)中乙烯組分偏多。下步可補(bǔ)充甲烷組分遏制甲烷凝液收集罐液位下降，另外甲烷分子量較輕，不會(huì)明顯增加系統(tǒng)負(fù)荷；針對(duì)乙烯組分被甩出不參與混合冷劑循環(huán)現(xiàn)象，可采取開甲烷凝液收集罐放空閥泄放冷劑，以釋放氮?dú)?，從而為乙烯組分留出空間，然后重調(diào)冷劑組分；為防止冷箱流道雜質(zhì)堵塞問(wèn)題，下次停工檢修時(shí)可采取反相吹掃冷箱及爆破吹掃手段，徹底清潔冷箱。 表1 混合冷劑冷箱提量針對(duì)性意見表Table 1 Targeted opinions for improving quantity of mixed refrigerant cold box層面因素問(wèn)題意見操作提量前不同產(chǎn)量下冷劑組分配比不同,或當(dāng)前組分混合不均導(dǎo)致化驗(yàn)數(shù)據(jù)失真明確最終提量目標(biāo),做好目標(biāo)產(chǎn)量下的冷劑配比并讓各組分充分融合(根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)所研LNG工廠0～250×104 m3/d～350×104 m3/d～500×104 m3/d不同生產(chǎn)負(fù)荷下冷劑配比應(yīng)不同,不能執(zhí)行原設(shè)計(jì)方所給固定參數(shù),且穩(wěn)產(chǎn)時(shí)應(yīng)避免150×104 m3/d、250×104 m3/d、350×104 m3/d、450×104 m3/d 4個(gè)不穩(wěn)定生產(chǎn)點(diǎn));保證提量前系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行24 h以上,冷劑組分混合均勻,化驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效提量中冷劑混合不均,乙烯等輕組分始終不融入;冷箱偏流,各溫度點(diǎn)混亂;同層換熱點(diǎn)溫差過(guò)大,產(chǎn)生有害應(yīng)力杜絕補(bǔ)充配比冷劑和提/降量操作同時(shí)進(jìn)行,減小系統(tǒng)波動(dòng)因素,避免多因素互為影響下的系統(tǒng)參數(shù)擾動(dòng);按照目標(biāo)產(chǎn)量充分配比完冷劑后再進(jìn)行提量操作,如若需要再次調(diào)整冷劑組分,需暫停提量操作,組分調(diào)整完畢,系統(tǒng)運(yùn)行2 h以上方可再次提量;若發(fā)現(xiàn)同層換熱點(diǎn)溫差接近30 ℃,應(yīng)立即降量復(fù)熱冷箱,待同層換熱點(diǎn)溫差正常并穩(wěn)定0.5 h后,方可執(zhí)行下步操作提量后混合冷劑收集罐液位下降;冷箱各溫度測(cè)點(diǎn)紊亂;壓縮機(jī)負(fù)荷波動(dòng)提量完成后連續(xù)觀察冷劑組分變化2 h,人工取樣30 min/次,并與在線色譜結(jié)果比對(duì)。如若冷劑組分變化不大,混合冷劑收集罐液位與提量前相比,降幅度在10%以內(nèi),此為正常提量后冷劑相變所至,否則應(yīng)密切關(guān)注冷箱各溫度測(cè)點(diǎn)變化,并檢查前端換熱器是否竄料;如若遇到冷箱各溫度測(cè)點(diǎn)紊亂,壓縮機(jī)負(fù)荷波動(dòng)則應(yīng)在確保壓縮機(jī)不聯(lián)鎖前提下做緊急降量處理,后續(xù)重新配比冷劑后,再重新提量設(shè)計(jì)方法流體物性參數(shù)隨壓力溫度等因素變化;且介質(zhì)流體為多組分混合物將物性參數(shù)設(shè)為變量目標(biāo)。在定壓比熱條件下明確冷劑種類和組分后,融入分段設(shè)計(jì)理念。將換熱器分成n段并實(shí)驗(yàn)獲取初態(tài)與n段間過(guò)程態(tài)溫度參數(shù),運(yùn)用對(duì)數(shù)平均溫差算法進(jìn)行傳熱面積及相關(guān)細(xì)則設(shè)計(jì)[22]結(jié)構(gòu)材料成本高,現(xiàn)場(chǎng)安裝敷設(shè)位置受限均衡考量輕量化設(shè)計(jì)成本與換熱效率余量;根據(jù)易檢修、易安裝的原則進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化現(xiàn)場(chǎng)冷箱安裝缺陷、部件應(yīng)力變形或設(shè)備老化誘發(fā)換熱效率下降明確冷箱安裝與操作細(xì)則;保證流道絕對(duì)潔凈與充分干燥;設(shè)定換熱溫差上限聯(lián)鎖停機(jī)值(30 ℃),避免一切操作因素下的部件應(yīng)力損傷;進(jìn)行首次1次/3年、后期1次/年的大修拆解,并跟蹤核算換熱效率等關(guān)鍵參數(shù) 所研工廠冷箱換熱設(shè)備截止2019年1月1日已機(jī)械竣工6年，生產(chǎn)運(yùn)行5年?？紤]到設(shè)備老化與工廠間歇性生產(chǎn)特性多重因素影響，針對(duì)此次提產(chǎn)操作中出現(xiàn)的溫度層反轉(zhuǎn)及冷劑配比不均等問(wèn)題，在操作與設(shè)計(jì)層面提出針對(duì)性意見，見表1。 混合冷劑液化制冷方式造價(jià)低且節(jié)能。其中科學(xué)的冷劑配比與匹配的壓縮機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)能充分優(yōu)化系統(tǒng)功耗，達(dá)到最佳制冷效果。理論上，制冷劑組分越多，換熱器內(nèi)的冷熱流換熱溫差越均勻，換熱效果越好，可調(diào)范圍越大。但制冷劑組分的增多會(huì)造成冷劑儲(chǔ)配系統(tǒng)復(fù)雜，冷箱換熱設(shè)備設(shè)計(jì)與操作難度增大，LNG工廠整體系統(tǒng)穩(wěn)定性偏低。所以，恰當(dāng)?shù)睦鋭┙M成與合理的工藝搭配非常重要。 湖北500×104m3/d LNG工廠截至2019年1月1日已生產(chǎn)運(yùn)行5年，但由于LNG市場(chǎng)行情變化、上游原料氣供給等原因一直處于間歇生產(chǎn)狀態(tài)，且很少達(dá)到500×104m3/d滿負(fù)荷生產(chǎn)目標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行情況可知：所研LNG工廠在250×104m3/d以下生產(chǎn)時(shí)，對(duì)冷劑配比精度要求不高，能在冷劑組分不變的前提下通過(guò)冷箱節(jié)流閥大幅度進(jìn)行產(chǎn)量調(diào)節(jié)。在(250～350)×104m3/d生產(chǎn)時(shí)，需要重新調(diào)整冷劑后進(jìn)行小幅度產(chǎn)量調(diào)節(jié)。為提高效率，該階段可同時(shí)進(jìn)行提/降量操作與冷劑組分調(diào)節(jié)。在350×104m3/d以上生產(chǎn)時(shí)，冷箱溫度場(chǎng)復(fù)雜而敏感，任何不當(dāng)?shù)牟僮鞫紩?huì)導(dǎo)致冷箱偏流、壓差過(guò)大和混合冷劑各換熱層溫度紊亂。因此，合理協(xié)調(diào)上游氣源與下游銷售，保證LNG工廠產(chǎn)量穩(wěn)定，并在大幅度提/降量操作前做好冷劑組分調(diào)節(jié)是確保工廠換熱系統(tǒng)穩(wěn)定性的最佳手段。 總而言之，湖北500×104m3/d LNG工廠兼具傳統(tǒng)階式制冷循環(huán)與混合冷劑制冷循環(huán)優(yōu)點(diǎn)，在系統(tǒng)穩(wěn)定性與可調(diào)節(jié)性能上均具優(yōu)勢(shì)。針對(duì)滿負(fù)荷提量生產(chǎn)調(diào)整得出操作指引如下： (1)提量時(shí)應(yīng)先給足冷量，使冷箱充分冷透，再增加LNG產(chǎn)量。防止因產(chǎn)品線冷量不夠、溫度不合格而導(dǎo)致儲(chǔ)罐BOG放空；防止因大幅度提量而造成的系統(tǒng)波動(dòng)，壓縮機(jī)負(fù)荷過(guò)大。 (2)提量前可先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算優(yōu)化，減小BOG量，使火炬零放空。 (3)提量前及提量期間要實(shí)時(shí)關(guān)注冷劑組分變化，并根據(jù)各換熱層動(dòng)態(tài)變化做相應(yīng)調(diào)整。同時(shí)注意優(yōu)化LNG工廠整體工藝系統(tǒng)能耗，在BOG壓縮機(jī)運(yùn)行、前端胺液循環(huán)量、重?zé)N洗滌塔溫度上做好預(yù)判調(diào)整。 (4)提量期間應(yīng)控制好循環(huán)水溫度及前端各蒸發(fā)器液位，為最后一級(jí)混合冷劑冷箱調(diào)控做好換熱準(zhǔn)備。 (5)提量期間給冷、提產(chǎn)要緩。若有問(wèn)題可穩(wěn)定觀察一段時(shí)間后再進(jìn)行提產(chǎn)；也可以小規(guī)模反復(fù)增、減冷劑及其產(chǎn)品。充分混合冷劑，克服兩相流干擾，曲線提產(chǎn)。4 結(jié)論與建議
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