LNG工厂脱碳贫液泵运行工况分析

杨烨 李浩宇 代文平 郭晓磊 李华

1.中国石化江汉油田分公司江汉采油厂湖北新捷LNG项目部 2.中国石油北京油气调控中心

LNG工厂属于流程工业的一种，通常由三脱、液化、BOG、公用工程等部分组成。既有传统化工企业生产流程复杂、过程管控严格等特点，又具备低温工程领域对设备设施要求高、温度控制精确等要求[1]。脱碳系统作为LNG生产过程中初始环节具有举足轻重的作用，机泵动力设备是保证脱碳系统稳定运行的关键。

根据脱碳系统工艺设计，贫液循环泵是脱碳系统的核心设备，其稳定的运行能充分保障吸收塔贫液洗涤量，确保脱碳效果良好[2]。在机泵运行工况分析方面，国外有着系统化的仪器设备和完善的应急处置预案。能在机泵检修、安装、调试等多个环节进行全过程数据化监控，反馈式验证机泵当前情况，进行在线式振动分析，杜绝因多种因素造成的机泵损坏[3]。而我国主要偏向经验积累，总结出了机泵并联运行等功能性补充方案和一系列节能举措，缺乏自控式仪表数据采集和一体化分析办法[4]。

本文基于湖北500×104m3/d LNG工厂国产化示范工程脱碳装置生产实例，收集整理贫液循环泵多年运行问题。以预防联锁停泵为目的，运用层次分析法进行某次温度、振动互为联锁事件的实例分析。量化表征抽象复杂问题，为下步改进提出合理建议。

1 运行工况

湖北500×104m3/d LNG工厂国产化示范工程脱碳装置采用质量分数为44%的活化MDEA 水溶液吸收脱除天然气中绝大部分CO2，溶液循环量约为88 m3/h(CO2体积分数为2.0%时，循环量约为288 m3/h)，脱除了酸性气体的湿净化气送至下游装置进一步处理。吸收了酸性气体的MDEA 富胺液经闪蒸再生后送至本装置吸收塔循环使用。富胺液再生所得酸气接至火炬酸气放空系统。闪蒸气送至燃料气系统作燃料气用[5-6]。该系统主要动力装置为大连华能HKD系列水平中开多级离心泵(见图1)，共设置3具(1用2备)，采用450 kW电机驱动，配备温度、压力、振动、功率等联锁保护。该泵设计流量10～1 400 m3/h；扬程2 000 m；温度-60～+200 ℃；压力25 MPa。该泵至项目2013年12月机械竣工以来已运行5年，现总结运行工况问题见表1。

表1 贫液泵运行问题汇总Table 1 Summaries of operation problems of lean liquid pump问题描述原因分析改进措施处理效果发生概率出口阀门开关不利出口压力高,背压导致拆解维护阀门执行机构;出口处加均压阀门差77%泵体驱动端温度高联锁安装间隙过小更换润滑油,调整安装间隙中8%泵体非驱动端轴瓦温度高联锁拆解后发现轴瓦巴氏合金磨损,判断为雨水污染润滑油更换轴瓦,更换润滑油中2%泵体驱动端机械密封烧毁冷却线设计有误,后续为节约成本使用了非载重机封启泵时冲水降温15 min好1%泵体驱动端振动联锁启泵冲水、下雨造成润滑油污染启泵冲水尽量靠近机封处中4%仪表探头安装缺陷/损坏泵体安装位置加工精度不足;仪表探头已达寿命定期检查更换关键仪表好6%PLC柜主板元件烧毁人为操作失误加强操作技能培训好2%

综上所述，贫液循环泵电机载荷大，使用频率高，且为LNG工厂关键动力设备，联锁保护复杂；为保证工厂平稳生产不出现经常性的停泵故障检查和维修，必须在停工检修期间对设备工况进行彻底排查，根治问题，并在正常生产期间按运转时间切换维保。

通过近几年贫液循环泵组运行问题汇总可以看出，出口阀门开关不利发生概率最大，是影响机泵操作的主要问题。而在诱发机泵联锁问题上，温度、振动、仪表损坏等原因具有交叉性，既能单一触发联锁又能互为促进导致停泵,极具技术分析复杂性，操作管理难度大，当前的改进措施只能局部或暂时解决问题，后续是否存在缺陷需要时间验证[7-9]。下面基于某次温度、振动互为联锁事件进行实例分析，在现场数据支撑下进行数学建模式问题表征。

2 量化分析

事件问题：2018年3月11日13:25，高压贫液泵A轴承端温度高报警，13日凌晨3:31轴承负载端振动联锁跳停，事后紧急切换B泵运行。收集整理2018年3月11日6:46至2018年3月13日3:42联锁跳停后关键数据做折线图，见图2。由图2可以看出，机泵轴承端温度12日13:25达78.9 ℃，报警值前有突然上升过程，与前一周期11日6:46到14:52现象类似，查阅前一天数据均显周期性变化。与前段时间不同的是，定子温度高温持续时间明显变长(12日13:25，78.9 ℃至17:00，81.7 ℃)，共持续4 h。

根据数据表征，判断该事件问题是温度高导致轴承材料性质改变，诱发机械形变最终导致振动联锁，该事件因果关系为典型多因素互相影响所致。管理上存在思想麻痹，高温报警未引起重视；操作上存在分析手段不足，不能快速梳理问题互为因果关系，判定后果，及时预警[10]。

基于该泵5年运行问题汇总，结合现场操作经验，选用层次分析法( analytic hierarchy process，AHP)将机泵联锁抽象化复杂问题进行不同组成因素的决策分解。首先梳理问题导向，将因素与问题逻辑设定成具有分组型层次结构的目标层、准则层、方案层[11]；其次通过矩阵构造，两两比较各因素间相互影响关系，从而量化问题组成因素，计算出各自在系统中的权重；最后通过机泵现场维修拆解数据进行反向验证。

根据层次分析法特点，首先确立联锁停泵为目标层；然后根据所研究LNG工厂机泵实际特点，确立振动联锁B1、温度联锁B2、压力联锁B3为准则层；最后依据贫液泵运行问题汇总和以操作经验确立润滑油污染C1、循环水冷却线堵塞C2、操作失误C3、仪表探头故障C4、设计缺陷C5五项为方案层，完成结构模型搭建(见图3)。计算步骤如下：

2.1 确定联锁停泵问题，构建层次结构模型

2.2 两两比较打分，确定下层对上层的分数

准则层中各因素在决策者衡量标准下所占比重不一致，所以设数字1～9及其倒数作为标度来定义与判断矩阵。

2.3 层次合成计算及一致性检验

(1) 计算一致性指标CI：

(1)

式中：λmax为判断矩阵的最大特征值。

(2) 计算一致性比例CR：

(2)

当CR<0.10时，认为通过了一次性检验，否则应作适当修正。

2.4 计算权重向量W

层次分析法有3种计算方法求权重：算术平均法、几何平均法、特征向量法。文中选用几何平均法(方根法)求权重[12]。

(3)

联锁停泵问题确定各判断矩阵及权重向量Wi如表2～表5所示。

表2 A判断矩阵Table 2 A judgment matrixAB1B3B2WiB11310.443 4B311/20.169 2B210.387 4

表3 B1判断矩阵Table 3 B1 judgment matrixB1C1C2C3C4C5WiC1132120.304 8C211/21/230.140 5C31230.265 3C4110.185 4C510.104 0

表4 B2判断矩阵Table 4 B2 judgment matrixB2C1C2C3C4C5WiC1121/3250.246 1C211/2120.146 6C31340.396 1C4130.146 6C510.064 6

表5 B3判断矩阵Table 5 B3 judgment matrixB3C3C4C5WiC31340.625 0C4120.238 5C510.136 5

表2～表5一次性检验均通过。将不同方案各准则要素的权重矩阵Wi与各准则要素的相对权重矩阵Wi相乘，得到各方案层要素权重并排序(见表6)。经计算还能得到准则层要素权重并排序(见表7)。

根据建模结果可知，运用层次分析法得出的脱碳贫液泵联锁停泵问题诱发因素排序为：操作失误C3>润滑油污染C1>仪表探头故障C4>循环水冷却线堵塞C2>设计缺陷C5。其中，操作失误C3与润滑油污染C1权重最大且均达到0.2以上，应重点防范。查阅当班员工操作记录未发现操作失误现象，因此判定该事件为润滑油污染所至。准则层权重排序中，振动联锁B1与温度联锁B2权重更大且较为接近，证明两者互为关联性，生产过程中应合并分析，如遇单点数值报警，需同时注意两者变化过程。

表6 方案层权重排序Table 6 Weight ranking of scheme layer方案层权重排序操作失误C30.376 81润滑油污染C10.230 52仪表探头故障C40.179 43循环水冷却线堵塞C20.119 14设计缺陷C50.094 35

表7 准则层权重排序Table 7 Weight ranking of standard layer准则层权重排序振动联锁B10.443 41温度联锁B20.387 42压力联锁B30.169 23

紧急切换B泵后拆解A泵驱动端轴瓦，发现轴瓦良好，未见磨损；机械部件良好，未见磕碰。但润滑油明显污染，呈乌黑浑浊状，化验润滑油含水为14.37%(体积分数)。回装轴瓦时发现，温度探头安装孔加工不合格，导致温度探头安装不到位，诱发误报或者温度高不联锁，有损坏机泵风险[13]。拆解情况证明，层次分析量化建模有效，问题判定正确。观察现场(见图4)，查阅脱碳贫液泵运行记录得出：

(1) 为避免机泵驱动端机封烧毁，早已采用冲水降温启泵的操作方式进行解决，但存在水进入轴瓦污染润滑油风险。

(2) 机泵为露天布置，未设置遮雨篷，有雨水长期冲刷窜入轴瓦的风险。

(3) 机泵冷却液线设计存在问题，冷却液(胺液)接入处为泵体进口，当冷却液灌入后会迅速被泵体抽吸排出，无法充分冷却机封(未执行启泵冲水操作前发生过机封烧毁事件)。

3 下步建议

综上所述，LNG工厂脱碳贫液泵振动、温度联锁问题不单纯是某单一测点表露的问题，不同时间段的复合型数据变化有着互为影响的规律。单一的数据测点报警需要操作人员重视，并进行运行工况的全过程分析，预警式防范机泵联锁停机[14-16]，全面保障LNG工厂平稳运行。基于所研工厂脱碳贫液泵提出以下建议：

(1) 厂家改冷却液接入点到泵体非载重端，充分冷却机械密封。

(2) 启泵冲水操作时尽量减小水量和冲水时间，避免水串入，污染润滑油。

(3) 如若发生振动联锁，有机械损坏振动探头和振动探头老化失效的可能性。存在单一影响和互相影响的情况。因此，应定期校检仪表探头及接线盒。

(4) 搭建泵体雨棚，防止雨水冲刷导致的润滑油进水。

(5) 加强机泵检修监督管理，杜绝安装间隙、零部件磕伤、安装方向错误等一系列安装缺陷诱发的生产事故。

4 结 论

湖北500×104m3/d LNG工厂国产化示范工程已竣工5年，因受市场行情影响，采取间歇式生产。机泵累计运行时间短，闲置时间长。设备设施上存在自然老化现象，人员操控上存在思想麻痹倾向。下步应强化队伍管理，加强操作技能培训。本文工作量及创新点：

(1) 湖北500×104m3/d LNG工厂国产化示范工程点多面长，环环相扣。关键机泵故障会导致局部工艺系统联锁甚至触发全厂停运，严重影响LNG工厂平稳生产。

(2) 在多年贫液泵运行问题汇总前提下，使用模糊数学语言量化分析了脱碳贫液泵联锁停泵事件，采用层次分析数学模型对相应问题进行了现场验证分析，梳理出了互为因果关系。

(3) 运用层次分析法进行数学建模，能充分利用当前信息进行问题分析。有效将模糊定性的联锁停机现象量化为科学权重，指导相应问题的剖析与具体方案的制定，解决了因分析资料有限而造成的决策瓶颈，降低了盲目购买更换备件的经济风险，提升了管理水平。

(4) 为保证工厂平稳生产，不能出现经常性的停泵故障检查和维修。必须在停工检修期间对设备工况进行彻底排查，根治问题，并在正常生产期间按运转时间切换维保。

(5) 温度、振动、仪表损坏等诱发机泵联锁原因具有交叉性，既能单一触发联锁又能互为促进导致停泵，极具技术分析复杂性，操作管理难度大，当前的改进措施只能局部或暂时解决问题，后续是否存在缺陷需要时间验证。