LNG工厂氮气压缩机进口压力波动分析

段 玄

（合肥燃气集团有限公司，安徽 合肥 230075）

LNG工厂氮气压缩机进口压力波动分析

段 玄

（合肥燃气集团有限公司，安徽 合肥 230075）

LNG生产中发生氮气压缩机进口压力周期性波动故障，通过对液化生产工艺的分析及氮气物理特性分析。确定故障原因为工艺周期切换中波动造成氮气液化引起，通过更改工艺控制方法和自动控制参数成功消除故障，确保了液化生产的安全。

液化生产工艺；氮气压缩机；压力波动；氮气温度

1 前言

液化天然气（LNG）作为清洁、高效的能源。越来越受到国际社会的认可，正成为全球能源市场的新热点。同时LNG作为天然气资源应用的一种重要形式，对经济发展、环境保护和实现能源的可持续发展起着越来越重要的作用。目前我国的LNG液化生产工厂发展开始提速，液化生产工艺和技术也得到了快速的发展。国内主要的LNG液化生产制冷技术有阶式制冷、膨胀制冷和混合制冷等。在此笔者对合肥某LNG液化工厂生产中的关键设备氮气压缩机压力周期性波动故障原因作简要分析与探讨。

合肥某LNG生产工厂采用氮气膨胀制冷工艺生产液化天然气。采用氮气循环制冷工艺较其他相比，制冷剂为氮气，较为安全。同时拥有工艺设备造价低，开停车检修方便等优点，尤为适合小型的场站[2]。氮膨胀制冷工艺技术的生产核心装置之一为赛尔公司生产4BGH24型整体齿轮式压缩机。设计进口压力0.4Mpa，出口压力不超过2.5Mpa。液化系统自运行以来，出现氮气压缩机进口压力瞬间上升至0.43Mpa超压现象，导致进口安全放空阀（自动放空设定值0.41Mpa）自动开启放空，压缩机进口压力在0.38至0.43Mpa间波动，出口压力随之波动导致氮循环回路中的氮气增压透平膨胀机转速压力剧烈波动，给设备安全运行和工艺运行平稳带来极大的危害。

2 液化工艺及设备概述

2.1液化天然气生产采用氮气膨胀制冷

工艺流程简图如图1。

图1　液化冷箱工艺流程图工艺流程

原料天然气压力在 4.0Mpa，首先经过净化处理，脱除CO2、硫化物、水和机械杂质后进入液化冷箱液化器，经板翅式换热器与返流制冷剂氮气换热后TI0902降温至零下15度，由液化器中部出冷箱后进入氟利昂蒸发器进行补充冷量TI0905处降温至零下35度后再次进入液化器中部。继续与膨胀机出口低温氮气换热TI0906处降温至零下120度液化。进入第一级LNG分离器后节流降压至0.5Mpa，闪蒸分离后液相温度TI0907处降至零下132度进入过冷器。在过冷器中与TI0911处零下178度氮气换热过冷至零下152度，进入第二级LNG分离器节流降压至50Kpa，闪蒸分离后降温至零下160度，形成常压低温LNG产品送入贮罐储存。

液化器及过冷器冷源均为氮气循环提供，氮气采取密闭循环方式运行，关键设备由氮气压缩机、增压透平膨胀机组成，如图1：0.4Mpa氮气经过氮气压缩机四级压缩至2.2Mpa，经循环冷却水温度降为常温，再经过增压透平膨胀机加压至3.4Mpa后再次水冷至常温，进入低温冷箱液化器，经氟利昂蒸发器预冷TI0904处降温至零下30度后回液化器继续降温至-55度后分成两路。一路经膨胀机膨胀端后降压至0.4Mpa、TI0916处降温至零下132度返流，作为低温冷箱液化器主冷源。另一路出液化器于TI0917处降温至零下124度，经节流阀TCV0908节流降压至0.4Mpa、降温至零下178度作为过冷器主冷源。出过冷器复温至零下 134度，与膨胀机出口返流氮气汇合，作为液化器补充冷源。在液化器中换热复温至常温，反流至氮气压缩机进口完成循环。

2.2氮气压缩机设备运行工作原理

就氮膨胀制冷原理LNG液化工艺来讲，氮气压缩机是其核心设备，氮压机采用赛尔公司生产4BGH24型整体齿轮式压缩机，采用四级等温压缩。气体从导叶进入第一级叶轮，经高速旋转的叶轮压缩后提高压力，并以较高流速进入扩压器中，气体在扩压器中流速降低，压力进一步升高后由蜗壳汇集，由排气管送出，经水冷至常温后，再进入下一级叶轮压缩。如此经过4级压缩，氮气由0.4Mpa压缩至2.2Mpa送出，经膨胀机及冷箱后回流至氮气压缩机进口，保持了氮压机进口压力的平衡和稳定。

3 故障现象描述及分析

在运行中氮气密闭循环，循环量稳定在20000m3/h，各点压力流量均平衡稳定。发现氮压机进口压力出现 8小时周期性波动，进口压力无法稳定，突然升高，氮压机进口放空阀超压放空，排放后压力下降，如此反复产生进口压力波动氮气循环流量出现18000～22000m3/h波动，膨胀机转速亦随之上升后又快速下降波动。造成整个氮气循环系统工艺混乱，生产现场工艺设备管道异常震动，对液化生产关键大型设备氮压机、膨胀机及液化冷箱的安全运行构成严重威胁。

通过氮气循环工艺分析，氮压机进口氮气来源有两路，一路是密闭循环氮气经冷箱返流至氮压机进口。瞬时流量稳定在20000m3/h。另一路是为补充氮压机及膨胀机轴封和密封气的正常氮气损失，由空分系统提供的0.55Mpa，300m3/h的补充氮气。当氮气压缩机进口压力开始出现波动时，调阅空分系统发现其运行正常，各工艺控制点参数都稳定，压力在0.55Mpa左右稳定运行，氮气供给量在300～320m3/h之间，不足以造成进口压力波动，可以排除空分系统补充氮气造成的影响。

通过调取DCS记录数据曲线分析，上述波动情况周期基本与净化系统吸附塔切换周期相符，吸附塔为脱水装置，A、B、C塔依次工作8小时切换，当出现上述波动情况时均在吸附塔卸压过程中。分析吸附塔泄压时工艺参数发现，卸压时主要控制点参数变化较为明显，尾气排放压力由0.4Mpa上升至0.5Mpa左右。1#LNG分离器压力PICA0901由0.5Mpa随之上升至0.55pa左右，进而导致1#分离器液位下降。1#LNG分离器液位调节阀LCV0902为保持其液位快速关小，幅度在20%左右。3.4Mpa高压氮气在过冷器节流阀TCV0908前温度如图2：高压氮气出过冷器温度TI0912由-146度下降至-152度。由此推测上述情况是造成氮压机进口压力波动的原因。为此，笔者对上述工艺参数变化做如下分析；

图2　高压氮气出过冷气温度曲线

氮气压力与沸点关系。经查阅氮气物理性质发现，氮气的压力与沸点关系如图3所示（参考文献）。氮气临界压力为3.39Mpa，临界温度为-147.05℃，1 立方米的液氮可以气化出696立方米 21°C的纯气态氮。

表1　氮气压力与沸点关系表

图3　氮气压力与沸点曲线

由上述氮气物理性质分析得出氮气在过冷器节流阀TCV0908前出现液化现象，由气态转变为液态，气、液体积比接近700:1，导致TCV0908前氮气瞬间大量液化聚集，氮气量增加，膨胀机及氮压机出口压力随之出现下降趋势，氮气循环量出现短暂快速增加。通过节流阀TCV0908后液态氮气节流降压至0.4Mpa，此压力等级下氮气沸点为-181.76度，液氮瞬间又大量气化后返流至氮气压缩机进口。导致氮气压缩机进口压力急剧增加，进口放空阀超压保护自动开启排放，整个氮气管路氮气流动平衡被打破，氮气压缩机进口压力及氮气循环量出现波动，从而造成氮气整体循环、氮压机、膨胀机和氮气管线的剧烈震荡。

4 采取的消除故障的方法

事故过程初步分析可以看出，1#LNG分离器液位调节阀LCV0902开度变小，导致液化冷箱过冷器冷量过剩，TCV0908阀前氮气液化是造成氮气压缩机进口压力波动的直接原因。在随后生产时的又一次波动出现过程中，笔者通过人为开大、稳定LCV0902开度，使得TCV0908阀前温度慢慢恢复到正常范围，氮气压缩机的进口压力波动很快消除后稳定。进一步印证了笔者的分析。

笔者总结分析，LCV0902开度变小是导致波动的主要原因，而根本原因则是因为吸附塔卸压导致的1#分离器压力控制异常，出现突然升高而影响到液位的控制。为此我们首先针对吸附塔的卸压时间与控制要求做更进一步的合理分析，在工艺允许范围内将吸附塔的卸压时间由500秒延长至720秒，更加均衡的调节卸压调节阀的开启速度，根据卸压时间和吸附塔压力设定自动控制程序，逐步提高吸附塔的卸压调节阀开度。确保卸压对后端压力的影响降低至最小，更加均匀平稳，泄压时尾气压力控制由先前的 0.5Mpa逐步稳定在最高不超过0.45Mpa。同时在吸附塔切换阶段对1#LNG分析器液位调节阀LCV0902做到自动至手动的转换，确保过冷器热源LNG的稳定流通，在后期的运行过程中，至今再未出现过氮气压缩机进口压力波动的现象，确保了LNG生产的安全稳定。

5 总结

氮压机作为液化生产过程中的关键核心设备，与膨胀机配合为生产提供着连续平稳的冷量。笔者通过及时的分析总结，成功解决了氮压机的压力波动问题，并及时对班组员工进行了培训教育，确保了后期液化天然气生产运行的安全与平稳。

[1] 顾安忠.液化天然气技术[M].北京:机械工业出版社,2003:10.

[2] 王保庆.天然气液化工艺技术比较分析[J].天然气工业,2009, 29(1):111-113.

LNG plant nitrogen compressor inlet pressure fluctuation analysis

LNG production occurs in cyclical nitrogen compressor inlet pressure fault, through the production process of liquefaction analysis and physical characterization of nitrogen. Determine the cause of the handover process cycle fluctuations nitrogen liquefaction caused by changing the process control method and automatic control parameters to eliminate the fault, ensure the safety of liquefaction production.

Liquefaction production process; nitrogen compressors; pressure fluctuations; nitrogen temperature

TE64

A

1008-1151(2015)10-0045-02

2015-09-11

段玄(1988－)，男，安徽砀山人，合肥燃气集团有限公司助理工程师，从事LNG场站管理。