LNG冷能空分设备启动操作中的难点分析



LNG冷能空分设备启动操作中的难点分析

郑祖玮

（江苏杭氧润华气体有限公司，江苏如东226413）

【摘要】根据LNG冷能液体空分设备的特点，尝试提出此项技术开车操作过程中主要集中在LNG冷能换热设备的操作难点和重点，如乙二醇水溶液换热器、液化冷箱、低温氮压机等，阐述装置启动过程中负荷变化与LNG供量方面存在的关系，探讨如何通过精细化操作缩短开车时间，在容易发生失误的步骤中增加操作过程的安全性。

【关键词】LNG；冷能利用；空气分离；操作

1　前言

采用液化天然气（Liquefied Natural Gas，简称LNG）汽化时放出的冷能进行空气分离的技术近几年在国内迅速发展，如福建莆田LNG项目、浙江宁波LNG项目、河北唐山LNG项目、广东珠海LNG项目等。目前应用最为广泛的深度冷却分离空气的方法，工艺中最低温度达到-193℃，比较LNG冷能利用的其他途径，常压下-162℃的LNG汽化到5℃～10℃供应给天然气管网每吨释放出约830 kJ/kg的冷量，深冷空分工艺过程几乎将LNG的冷量全部利用，成为LNG冷能直接利用的最合理方式。伴随着我国LNG接收站项目建设的逐年扩大和增加，也给空分行业带来更广阔和崭新的发展空间，与此同时，LNG冷能空分设备的启动操作、运行维护等等新知识势必也将拉开空分从业者探讨的新局面。

2　流程概况

本套LNG冷能空分是由杭氧股份有限公司利用中石油江苏LNG接收站冷能设计建造的全液体空分，设计LNG供应压力为9.5 MPa（g），流量为67988 m3/h，一期工况下设计空分总生产能力如表1。

表1　装置设计生产能力

作为循环介质的氮气通过低温氮压机增压，在高压液化冷箱和LNG完成热量交换，被液化的一部分氮气携带着大量冷量送往空分装置补充冷量，另一部分直接送入储罐，液氧和液氩在精馏塔内提纯后送往储罐。从高压液化冷箱中抽出来～-70℃的NG，去乙二醇水溶液换热器再次复热，和从高压液化冷箱顶部抽出～5℃的NG汇合后并入中石油天然气外供管路。概括地讲，LNG冷量在经过一套压缩设备和一套换热设备，分别使用了两个温度阶梯完成整个冷量的利用，低温部分（≤-70℃）在高压液化冷箱内和氮气完成冷量交换，高温部分（-70℃到5℃之间）在乙二醇水溶液冷却器内和水溶液完成能量交换。此外，空压机和低温氮压机负荷的大小，决定了加工空气量和液氮带入ASU冷量的大小，由此匹配出相应的LNG供应量，这是一个相对紧密结合的过程，这个过程代替了常规空分通过膨胀机获取冷量的方式，膨胀机成为关键制冷设备，对比常规空分启动操作，LNG冷能空分启动操作中的难点无疑集中在LNG冷能换热部分，即LNG-乙二醇水溶液换热器、高压液化冷箱方面，高压液化冷箱又包括最重要的设备——低温氮压机。

采用30%的乙二醇配比70%的蒸馏水混合制成水溶液，冰点温度约为-15℃储存在乙二醇水溶液处理罐H7101中，通过水泵加压至0.45 MPa（g），在绕管式乙二醇水溶液换热器被LNG降温，经过空压机级间及末级冷却器；空压机电机、润滑油冷却器；低温氮压机电机、润滑油冷却器汇合回到乙二醇水溶液处理罐，回水温度为15℃，由于是闭路循环水温又较低几乎没有水量损失，所以节水可达99%以上。乙二醇水溶液处理罐顶有开口朝下通向大气的弯管，罐顶通入2～5 m3/h氮气与大气充分隔离防止乙二醇水溶液发生氧化反应，保持pH约7.8左右，亦无须再加维持水质要求的药剂。

在LNG简化流程图1中，V5304、V6302、V6306为紧急切断阀，V5307、V5308、V7206、V7207、V6307、V6308为气动调节阀，V7201、V7211为两位关断阀。

图1　LNG换热简易流程图

3　 LNG冷能空分热态启动操作难点分析

3.1乙二醇水溶液换热器的操作

LNG管线、设备投用前，首先使用干燥、洁净的氮气经过吹扫置换，露点合格（-60℃以下），含氧量分析为0%后开始预冷管线，当LNG供液管线温度预冷到-120℃时开始增压，采用LNG管线设备整体增压的方式，即LNG供液管线和NG返回管线可全部导通同时增压，增压到正常工作压力。这一系列过程中注意各阀门挂牌上锁是否正确；控制温降和压升速率；做好管托位移记录；检查法兰连接处、仪表接头有无天然气泄漏；NG返回BOG压缩机入口管线的压力不超过20 kPa，并启动乙二醇水溶液泵维持水温不低于5℃。

当LNG管线处于冷备状态又不至于使较长的LNG管线在到达空分前没有较大的温升，要控制好LNG流量，过多的冷量进来又会使水溶液温度过低造成冻堵。如果LNG管线处于冷备时LNG需用量为2 t/h，这时乙二醇水溶液泵的功率近似等于LNG释放的冷量，正好满足出乙二醇水溶液换热器水温的要求。启动空压机后，假设空压机启动时70%的负荷功率为3000 kW·h，每吨LNG冷量折合功率为175 kW·h，相应要增加17 t/h的LNG才可维持住空压机各级进气温度，通过乙二醇水溶液换热器启动端出口控制阀V7202以较快的速度将LNG的量提高至20 t/h左右，才不至于在短时间内引起空压机排气温度过高停车。V7207为液化冷箱的旁路阀也是乙二醇冷却器启动端LNG汽化后NG的返回通路。由此看出，LNG管线处于保冷状态和启动空压机时LNG用量有很大的变化，短时间内将LNG量由2 t/h提高到20 t/h，控制好乙二醇水溶液启动端和高压液化器旁路阀的开度，操作上要紧凑、准确。

启动空压机前，LNG走乙二醇水溶液换热器启动端流路，启动空压机后可切换至工作流路，即走高压换热器顶抽和中抽，顶抽由阀门V6307、V6308控制，中抽由V7206液化器旁路阀和中抽出口阀V7207调节，前提是高压液化冷箱内部管路设备已冷却完成。

3.2 LNG高压液化换热器的冷却

高压液化冷箱的冷却从打开V5308时开始，冷的LNG和从乙二醇冷却器启动端复热来的热态NG汇合，逐渐控制进入液化冷箱天然气的流量和温度，如果温度变化过低过快，会造成两种不良后果，其一，液化换热器顶部热端正流气温度约15℃，NG出口的设计温度为10℃，如果出液化换热器的温度过低，温差增加使热应力过大不利于设备安全，设计高压液化换热器热端最高温差不大于50℃，因此NG出换热器温度要求不得低于-10℃。其二，会使NG返回中石油天然气管网温度走低触及切断整个LNG供应的联锁发生。在液化冷箱冷却阶段顶抽控制阀V6307或V6308保持微开即可，尽可能增加中抽的LNG量。

3.3低温氮压机

液化冷箱的整体温降达到-50℃时，开始冷却低温氮压机。低温氮压机为Atlas Copco公司制造，四级压缩分两段控制的整体齿轮式径向离心机，一段排气压力为2.1 MPa（g），二段排气压力为6.2 MPa（g），段入口温度设计-120℃，处于低温状态的氮气体积流量减小，使得在排气压相同的情况下相比常温气体压缩消耗的功耗要小得多，除了机体外与压缩机相连的管道均有保冷措施。低温氮气被压缩后温度升高，在进入液化冷箱内又被LNG冷却下来，充当了气体冷却器的效果，压缩机入口温度再次降至-120℃，形同于“等温压缩”，以此不断和LNG进行冷量交换。

低温氮压机每次启动各级进、出口管线和回流管线流路必须进行氮气置换，分别在一段出口和二段出口分析排出氮气的露点，露点低于-60℃以下为合格。继续冷却液化冷箱和低温氮压机管线，氮压机级入口温度都达到-50℃以下时，启动压缩机，理想启动温度为-60℃。

未启动低温氮压机前LNG的供量只和循环水溶液温度高低存在换热关系，一旦低温氮压机启动LNG供量和氮气进行换热，需再次根据装置负荷增加LNG供量。假设低温氮压机启动时70%的负荷功率为2000 kW·h，启动低温氮压机时需增加12 t/h 的LNG。

一开始ASU装置并不能提供氮气，液体贮存系统设置中压液氮储罐，将液氮汽化后专供氮压机预冷、启动阶段至下塔氮气纯度合格这段时间工艺所需氮气和开车用仪表气、密封气。氮压机启动前首先确定最小启动用氮气量，控制好V1884开度，压力过高过低都会引起压缩机跳车。当下塔产出纯度合格的氮气，要将氮压机氮气供应流路通过V109阀切换至下塔流路，根据实际操作经验要控制好阀门开度，保证流路切换平稳，如果氮压机跳车将延误1个小时左右的开车时间。

3.4由液化冷箱向ASU提供冷量的流路切换

随着低温氮压机的加载运行，液化冷箱内的温度持续降低，打开V3001和V3002将压缩机出口气体逐渐导入后线设备，逐渐冷却液化换热器过冷器。通过启动管线V362、V367向AUS导入低温气体，逐渐降低进空分板式换热器的空气温度。板式换热器温度降至-120℃时，打开V3005，将启动管线阀门V362、V367关闭，切换到正常流路，ASU逐渐进入冷却向积液的过渡阶段。保持进塔空气量，提高氮压机负荷，同步增加LNG用量到额定值加快精馏塔的冷却，积液成功后，逐渐开始调纯并开启工艺液氧泵，建立主冷工况产出合格液体。

4　其他

（1）由于生产工艺和产气源地的不同液化天然气的成分很复杂，一般来讲以甲烷（CH4）为主，含量占天然气成分的80%以上，密度随甲烷含量的增加而减小，通常密度范围为430 kg/m3～470 kg/m3左右。按照《石油天然气工程设计防火规范》(GB 50183—2004)油气火灾危险性分类，天然气属于甲A类易燃、易爆物质，在空气中混合后的爆炸极限为5%~15%。从本质安全的角度出发，LNG管线设备所在的231区设置为防爆生产区，

（2）尤其注意的是LNG管线设备的吹扫、加温、微正压密封静置时必须采用干燥、纯净的氮气，不得和ASU的吹扫、加温、密封气等可能有空气成分的气路相连，以防误操作引起事故，防爆区内阀门仪表气宜采用氮气供应。

（3）能够和水以任意比例混合的乙二醇在低温环境的使用中容易产生酸性物质，对金属有腐蚀作用。由于水的沸点比乙二醇低，使用中水分会首先蒸发，使得乙二醇含量升高，因此，定期检测乙二醇含量和水溶液冰点温度在要求值内。

（4）存在跨单位合作的特性，应建立有效的沟通机制。

5　结束语

为使装置产出液体，前提要调整好LNG冷能换热设备。从LNG管线设备冷却、增压开始逐步叙述开车过程中的关键点可以看出LNG冷能空分开车过程完全不同于常规空分中由膨胀机提供主要冷量的流程操作，在制冷量导入ASU前有很多工作要做，热态开车比常规空分所需的时间要长，理清开车中的难、重点有利于减少开车中可能出现的意外失误，避免发生不必要的损失，使开车过程顺利完成。

[参考文献]

[1]夏鸿雁，顾燕新. LNG冷能在液体空分设备上的应用研究[J].低

温技术，2014（01）.

热电

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

作者简介：郑祖玮（1984－），男，毕业于内蒙古科技大学化学工程与工艺专业，本科学历，助理工程师，现从事空分专业技术工作。

收稿日期：2015－10－19

【文章编号】1006-6764(2015)12-0027-03

【文献标识码】B

【中图分类号】TB657.7