基于层次分析法的冷箱冻堵调整

杨 远 唐文洁 张春光 肖春生 马玉华.油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学) .新疆油田公司石西油田作业区

基于层次分析法的冷箱冻堵调整

杨 远1唐文洁2张春光2肖春生2马玉华2
1.油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学) 2.新疆油田公司石西油田作业区

为了研究冷箱冻堵原因，量化分析问题，找出最佳调整方案, 结合某厂液化装置冷箱冻堵实例，收集冻堵前与紧急处理后数据，运用层次分析法结合专家经验建立数学模型。利用该模型，仿真模拟了在当前成本与风险下的最佳处理方案和应急处理方案,为冷箱冻堵调整提供了量化依据。研究结果表明，当前情况下可以均衡降量，同时关小LNG线、冷剂线截流阀进行应急处理，但不能根治问题。由此推测冷箱盘管有异物堵塞，需停产并拆卸冷箱对盘管、过滤器等附件进行检修。停产检修拆解情况与仿真模拟吻合,彻底解决了问题，说明该方法可行，可在其他装置上分析和处理类似问题。但层次分析法只能核算出各方案层权重值，为方案决策做出参考，暂不能得出可调区间及调整程度，下步仍需改进。

冷箱 冻堵 层次分析法 模拟仿真 应急处理

冷箱作为一种紧凑、易维护的板翅式换热器，广泛运用于LNG行业[3]。但因盘管材质、设计精度、环境等问题，导致冷箱不能进行DCS自动控制。手动控制情况下还会发生因操作员不同而引发换热效率低，导致产品不达标，甚至盘管堵塞、联锁停机等情况。据统计，以苯及其衍生物为主的环状芳香烃凝固导致的冷箱天然气管线冻堵是LNG行业中的常见现象。当前的研究方向主要集中在优化冷箱设计和完善自控仪表方面[4]。对冻堵情况的分析也仅仅是现场实例叙述，缺乏调整分析。本研究基于层次分析法，对使用混合冷剂换热的冷剂线冻堵实例进行了分析，并优选了调整方案。

1 工艺简介

某厂液化装置采用多级单组分制冷液化工艺，该工艺总体上为传统阶式制冷工艺，最后一级改进为混合冷剂制冷，3种冷剂分别为丙烯、乙烯和甲烷。甲烷制冷循环的制冷剂为以甲烷为主的配方冷剂，包含了氮气、甲烷和乙烯3种组分，其中氮气体积分数为5%～10%，乙烯15%～30%，其余为甲烷。氮气由工厂氮气站供给，同时将已处理的原料气用于甲烷补偿。乙烯、丙烯从各自罐车供应。该装置具体采用了3个制冷循环[5-7]。第一级丙烯制冷循环为天然气、制冷剂乙烯和制冷剂甲烷提供冷量；第二级乙烯制冷循环为天然气和制冷剂甲烷提供冷量；第三级甲烷混合冷剂制冷剂循环为天然气及自身提供冷量。通过6个换热器和一个板翅式换热器(冷箱)冷却，天然气的温度逐渐降低，直至液化。而最后一级冷箱的调控以及混合冷剂的配比是影响LNG产品的关键[8]。冷箱的不稳定会导致冷箱冻堵、LNG产品温度不达标、能耗过大等多方面不良后果。本文抛开前端复杂工艺，着重对冷箱运行情况进行分析并记录调整过程。

2 问题描述

正常生产时，过冷至-155 ℃的甲烷混合冷剂进入冷箱，再经J-T 阀节流至表压140 kPa、-158.9 ℃后返回冷箱，为LNG、甲烷冷剂自身提供冷量，实现甲烷制冷系统的冷剂循环。 由于生产需要，LNG产量由冷箱处产品线控制阀提量(300×104m3/d提至350×104m3/d)，同时加大冷量供给，保持换热平衡。提量后，由于冷剂线供给增大导致差压报警。紧急降量，冷箱工艺流程图见图1，各测点及相关运行数据时间轴见表1。

表1 各测点及相关运行数据时间轴Table1 Timeaxisofeachmeasurementpointandtherelatedrunningdata时间8:279:009:2910:0010:30冷剂差压/kPa18.218.423.231.036.8t1/℃-111.9-111.8-115.2-199.3-120.5t2/℃-127.6-127.7-131.3-135.7-136.6t3/℃-155.0-155.0-155.9-156.7-157.3t1#/℃-130.0-131.0-133.7-135.5-137.6t2#/℃-149.3-149.0-150.2-151-153.1t3#/℃-158.5-158.6-159.4-159.7-160.0t4/℃-101.1-101.2-104.9-109.7-112.3LNG产量/(m3·h-1)117338.2118376.0126678.8139621.4147252.7天然气差压/kPa1.211.352.664.906.75

由图2～图5可以看出，紧急降量后冷剂线回温响应快，天然气线无明显响应。天然气线堵塞程度比冷剂线严重。分析原因后怀疑是甲烷水露点不合格引起天然气线形成水合物而导致冰堵，同时怀疑天然气线、冷剂线滤网破裂导致机械杂质进入引起盘管堵塞[9]。

针对以上分析，现需要一套科学可行的调整方案。在此结合操作经验和专家建议，选取5种调整方案，运用层次分析法针对该厂工况进行科学分析。

3 模拟仿真

3.1 计算原理

1.2.3 术中配合 护理人员应当告知患者手术过程中为了避免结石定位不准确不要随意变换体位,以免造成不理想的手术结果。做好器械准备,确保手术过程中器械齐全。术中护理人员要密切观察患者病情和生命体征的变化,注意其表皮是否有损伤、神志是否清醒,询问患者有无头晕、心慌等不适症状,有无碘过敏反应,将抢救药物准备好[3]。

层次分析法数学模拟首先建立有支配关系的分组型层次结构。然后通过矩阵构造，综合比较各因素间相互影响关系，计算其在系统中的权重，最终确定各因素的相对重要性，达到分析或决策的目的[10]。其计算步骤如下：

(1) 确定问题，构建物理模型并收集数据。

(2) 依次构建最高层(目标层)、中间层(准则层)以及最低层(方案层)层次结构模型。

(3) 两两比较打分，确定下层对上层的分数。

准则层中的各准则在目标衡量中所占的比重并不一定相同，在决策者的心目中，它们各占有一定的比例。引用数字1～9及其倒数作为标度来定义判断矩阵A=(aij)nxn(见表2)。

表2 判断矩阵标度定义Table2 Scaledefinitionofjudgmentmatrix标度含义l两因素对比,具有相同重要性3两因素对比,前者比后者稍重要5两因素对比,前者比后者明显重要7两因素对比,前者比后者强烈重要9两因素对比,前者比后者极端重要2,4,6,8表示上述相邻判断的中间值倒数若因素i与因素j的重要性之比为aij,那么因素j与因素i重要性之比为1aij

(4) 层次合成计算与一致性检验。

1) 计算一致性指标CI。

式中：λmax为判断矩阵的最大特征值。

2) 查找一致性指标RI(见表3)。

表3 平均随机一致性指标Table3 Consistencyindexofaveragerandomn1234567891011121314RI000.520.891.121.241.361.411.461.491.521.541.561.58

3) 计算一致性比例CR。

当CR<0.10时，认为通过了一次性检验，否则应作适当修正。

(5) 计算权重向量W。层次分析法有4种计算方法求权重：算术平均法、几何平均法、特征向量法。在此，本文选用几何平均法(方根法)。

几何平均法(方根法)：

(3)

计算步骤：

1) A的元素按行相乘得一新向量；

2) 将新向量的每个分量开n次方；

3) 将所得向量归一化即为权重向量。

3.2 运算过程

基于现有工况、处理手段、考虑细节，以冷箱冻堵调整为目的，指导下步工作。首先根据调整原则确定建模中间层(准则层)。然后结合操作经验和专家建议，选取5种调整方案作为最低层(方案层)构建层次结构模型(见图6)。

冷箱冻堵调整各判断矩阵如表4所示。

将不同方案各准则要素的权重矩阵(表4a)Wi与各准则要素的相对权重矩阵(见表4b～表4g)Wi相乘，得到各方案层要素权重并排序(见表5)。经计算还能得到中间层要素权重并排序(见表6)。

3.3 结果与验证

经以上模拟分析，由表5得到冷箱冻堵调整排序为: C5>C3>C4>C1>C2。由此可知，针对某厂冷箱冻堵事件，停产检修，拆卸冷箱对盘管、过滤器等附件检修(C5)是解决问题的最佳方案。通过模拟怀疑冷箱有过滤器损坏，盘管异物堵塞等问题。若执行此项方案必须停机，有损耗放空和其他成本损失。而均衡降量，同时关小LNG线、冷剂线截流阀(C3)能进行应急处理，但不能彻底解决问题。调节冷剂组分配比(C4)也能进行应急处理，但须专业技术人员指导，并实时取样化验，较为繁琐。单纯降产量，关小LNG线截流阀(C1)与单纯降冷量，关小冷剂线截流阀(C2)两种方案权重最小，不推荐。

表4 冷箱冻堵调整各判断矩阵(4a～4g)Table4 Judgmentmatricesoffrozenblockageadjustmentofcoldbox(4a-4g)表4aAB1B2B3B4B5B6WiB111/51/31/71/710.0368B2131/3330.2415B311/51/710.0625B41270.3773B5170.2339B610.0480λmax:6.5610;CR:0.0891;一次性检验通过表4bB1C1C2C3C4C5WiC1111/31/31/70.0602C211/31/31/70.0602C311/21/50.1374C411/40.1881C510.5541λmax:5.1182;CR:0.0264;一次性检验通过表4cB2C1C2C3C4C5WiC1111/31/270.1514C211/31/270.1514C31370.4331C4170.2314C510.0327λmax:5.2288;CR:0.0511;一次性检验通过表4dB3C1C2C3C4C5WiC1111/31/51/70.0552C211/31/51/70.0552C311/31/50.1195C411/50.2275C510.5487λmax:5.2617;CR:0.0584;一次性检验通过表4eB4C1C2C3C4C5WiC1111/31/31/70.0601C211/31/31/70.0601C3111/50.1547C411/50.1547C510.5704λmax:5.0940;CR:0.0210;一次性检验通过

续表4表4fB5C1C2C3C4C5WiC113331/70.1692C21221/70.0927C3131/70.0762C411/70.0491C510.6127λmax:5.3776;CR:0.0843;一次性检验通过表4gB6C1C2C3C4C5WiC11121/21/70.0897C2111/21/70.0781C311/21/70.0680C411/70.1360C510.6281λmax:5.1168;CR:0.0261;一次性检验通过

表5 方案层权重排序Table5 Rankingofschemelayerweights方案层C1C2C3C4C5权重0.10800.08920.19560.15240.4548排序45231

表6 中间层权重排序Table6 Rankingofthemiddlelayerweights中间层B1B2B3B4B5B6权重0.03680.24150.06250.37730.23390.0480排序624135

表7 冷箱复产提量后稳产数据Table7 Stableoutputdataafterreproductionofcoldbox月平均数据4月5月6月7月冷剂差压/kPa5.236.105.455.87天然气差压/kPa3.694.054.033.99t1/℃-118.1-118.6-119.3-117.9t2/℃-128.1-127.9-128.3-128.7t3/℃-135.9-136.1-136.4-135.7t1#/℃-133.2-132.8-133.1-133.1t2#/℃-148.3-149.4-150.1-149.6t3#/℃-152.5-151.6-152.4-152.7

通过模拟分析，某厂进行了均衡降量，同时关小LNG线、冷剂线截流阀应急处理，冻堵情况有所缓解。但后续无论如何调节冷剂组分配比和冷量换热调整都无法根治。在停工检修时拆解冷箱天然气与冷剂管线过滤器时发现，过滤器150 μm纱网均不同程度损坏，冷剂线过滤器损坏尤其突出。检修结果与模拟相吻合。再次开工复产后，提量稳产至400×104m3/d。从4月开工至7月运行数据(见表7)可以看出，冻堵问题已根治。

4 结 论

(1) 冷箱冻堵问题复杂。原因多，可能性复杂。最常见的有苯及苯衍生物为主的环状芳香烃凝固导致的冷箱天然气管线冻堵，也有因为特殊温度、压力条件导致天然气水合物的形成。冷剂线冻堵较为少见。而管道及设备安装时都会进行吹扫干燥。异物、水分引起的堵塞更是稀少。但也不排除因过滤器损坏而导致的管道上游填料、粉尘进入冷箱盘管导致阻塞的情况。也有因盘管中有异物而形成凝结核而变相导致的复合性水合物冻堵。在不能随意停工检修的情况下只能依靠经验进行判断。

(2) 层次分析法能将冷箱冻堵复杂问题分解化，并根据当前情况和专家经验分析进行模拟。最后通过量化，算出最佳调整办法。根据现场检修情况与调整后数据得出，层次分析法模拟结果与现场检修拆解情况吻合，此方法可行。下步可运用在其他装置的问题分析与决策中。

(3) 层次分析法暂时只能核算出各方案层权重值，为方案决策作出参考，而不能提出可调区间及调整程度，该法仍需进一步改进。

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Adjustment of frozen blockage of cold box based on the analytic hierarchy process

Yang Yuan1， Tang Wenjie2， Zhang Chunguang2， Xiao Chunsheng2， Ma Yuhua2
1．KeyLaboratoryofExplorationTechnologiesforOilandGasResources(YangtzeUniversity)，Wuhan,Hubei,China； 2．OilFieldOperationArea,XinjiangOilFieldCo.,Karamay,Xinjiang,China

In order to study the reason of frozen blockage, analyze problem quantitatively, and find out the best adjustment scheme, combined with the example of frozen blockage of cold box in one liquefying plant, the data before frozen blockage and after the emergency treatment are collected, then the mathematical model is established by using analytic hierarchy process (AHP) combined with expert experience. By using the model, the best treatment scheme and the emergency treatment plan under current cost and risk are simulated, and quantitative basis for adjustment of cold box frozen blockage can be provided. The simulating result shows that the quantity can be lowered equilibrium currently, at the same time, the intercept valves of LNG line and cooling line can be shut off for emergency treatment, but the problem can not be completely solved. So it is suspected that there is a blockage in cold box coil, shutdown must be done and the cold box must be disassembled to overhaul coil, filters and other accessories. The overhaul situation is in accordance with the simulation result. The problem has been solved completely, and it shows that the method is feasible and can be used to analyze and treat the same problem in other devices. But the AHP can be only used for accounting layer weight value of the program, and to make a reference for scheme decision-making. The adjustable range and degree can not be obtained at present, and the simulation model needs to be improved next step.

cold box, frozen blockage, analytic hierarchy process (AHP), simulation, emergency treatment

杨远(1990-)，女，江苏盐城人，现为长江大学地球科学学院2016级在读硕士研究生，专业：矿物学、岩石学、矿床学。E-mail:fengjiming@yeah.net

TE965

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.02.011

2016-09-13；编辑：康 莉