浅谈小型LNG处理装置冷箱冻堵原因及解决方法

林燕 翟素燕

摘要：冷箱冻堵是小型 LNG 处理装置在生产运行中较为常见的故障，根据冻堵位置可分为原料气侧冻堵和冷剂侧冻堵，根据冻堵介质又可分为冰堵、碳堵、烃堵、油堵。本文对小型 LNG 处理装置冷箱冻堵的类型和表现形式加以总结说明，并根据冻堵类型给出原因分析及处理方法。

关键词：LNG；冷箱；冻堵；处理方法

1 概述

习总书记指出：“发展清洁能源，是改善能源结构、保障能源安全、推进生态文明建设的重要任务。”随着我国对清洁能源需求量的不断增大，在油气田开发历史中不受关注的边远零散小井的利用逐渐受到重视。对于零散小井资源利用的最佳方案就是小型 LNG 处理装置就地液化回收[1]，这种回收方案有着投资少、装置灵活、可重复利用等诸多优点，所以被广泛采用。

冷箱是小型 LNG 处理装置的核心设备之一，而冷箱冻堵则是生产运行过程中常发生的故障，一旦发生冻堵，装置就会减产、停产， 而且严重威胁装置安全。

2 冻堵的类型及表现形式

2.1 冷箱原料气侧冻堵

2.1.1 冷箱原料气侧冰堵

冷箱冰堵的原因是原料气中存在游离态水。游离态水一般是因原料气进入冷箱前干燥不彻底而存留下来，并且原料气中分子态水在一定的温度和压力条件下会析出，成为游离态。游离态水可以与天然气中的某些低分子量的烃类或非烃类气体分子结合形成气体水合物，从而减小管路的流通截面积、增加管路压降，严重时堵塞管道，生产被迫中断。

当冷箱原料气侧冰堵发生时，主要表现形式为：干燥气露点不合格，高温位压差突然变大，纯气流量变小，液化量变小等。

2.1.2 冷箱原料气侧烃堵

冷箱烃堵的原因是原料气中含有 C5+重烃。重烃类物质随着液化温度的不断降低，首先以液态的形式析出，冷箱流道中介质流速变慢， 温度继续降低，重烃类物质会结晶成固态晶体，彻底堵塞冷箱流道， 生产中断。

当冷箱原料气侧烃堵发生时，主要表现形式为：脱重烃罐液位增加，高温位流程段压差变大，冷剂的制冷温度和产品 LNG 的冷端温差变大，产品段 LNG 流量减少。

2.1.3 冷箱原料气侧碳堵

冷箱碳堵的原因是原料气中含有二氧化碳气体。二氧化碳在低温下会与液态水形成固态的二氧化碳水合物，同时纯净的二氧化碳随着

液化温度的降低，也会形成固态的干冰，堵塞冷箱流道，生产中断。LNG 液化工厂对原料气中 CO2 在的含量一般控制在 50ppm，小型撬装液化装置可以放宽到 100ppm。

当冷箱原料气侧碳堵发时，主要表现形式为：原料气二氧化碳检测含量超标，中温位流程段压差变大，纯气流量减少，液化量减少。

2.2 冷箱冷剂侧冻堵

2.2.1 冷箱冷剂侧冰堵

冷箱冷剂侧冰堵的原因是冷剂中含有水。冷剂中含水的情况较少发生，一般因为购买了不合格的冷剂，导致冷剂中水含量超标造成的， 也有冷剂循环管道部分连接处在停机零压状态下渗入水的情况。如果冷剂中含水，在冷剂循环管道中就会形成冰挂壁，减小流道截面积， 甚至堵塞冷剂流道。

当冷箱冷剂侧碳堵发时，主要表现形式为：中温冷剂分离罐与节流阀前压差增大，高温位反流冷剂压差增大，冷剂循环量减少，冷剂分离罐液位升高。

2.2.2 冷箱冷剂侧油堵

冷箱冷剂侧油堵的原因是冷剂中含有大量的润滑油。冷箱冷剂油堵一般发生在螺杆式压缩机冷剂压缩系统，在该系统中，压缩时压缩气体与润滑油一同进入油气分离器，在经过 2-3 次油气分离后，绝大部分润滑油与压缩气体分离开来，润滑油回至压缩机组，压缩气体进入冷箱。但是油气分离器温度过低，内部结构损坏等原因会导致大量的润滑油随压缩气体进入冷箱，随着液化温度的降低，润滑油逐渐粘稠，导致冷剂侧流通不畅，甚至完全堵塞冷剂流道。

当冷箱冷剂侧碳堵发时，主要表现形式为：预冷段温度升高至-10

℃以上，预冷段压差增大，冷剂侧中温位温度升高，预冷冷剂分离罐液位升高。

3 冻堵原因分析及处理方法

3.1 冷箱原料气侧冰堵

3.1.1 原因分析

天然气会与其中所带的液体或水形成固体化合物，脱水能保证天然气在深冷的条件下装置能正常运行。常见的脱水的方法有冷却法、化学反应法、溶剂吸收法、固体吸附法、膜分离法等[2]。小型 LNG 处理装置一般采用干燥系统（分子筛吸附脱水）对原料天然气进行脱水， 可使得天然气的水露点降至-70℃以下，含水量降至0.1×10-6～10× 10-6。冷箱原料气侧冰堵的原因是原料天然气水露点不合格。

（1） 干燥系统再生塔再生不完全

无论是等压再生干燥系统还是减压再生干燥系统，只要再生塔再生不完全即转为吸收塔使用，就会导致分子筛整体水容量降低，原料天然气脱水不完全，水露点不合格。

再生温度低，再生时间不够，再生气流量过大或过小均能导致再生塔再生不完全。

当再生压力降低时，饱和蒸汽压也降低，分子筛床层中吸附的水汽容易被汽化，再生时间可以缩短，再生效果可以提高。因此，尽可能采用低压再生。

（2） 分子筛失效

干燥系统运行时，充压、泄压速度太快，升温、降温速度过快， 分子筛质量不合格等因素均会造成分子筛碎裂，分子筛失效。

脱酸系统参数控制紊乱，大量的 MDEA 溶液进入干燥系统，会导致分子筛中毒失效。

（3） 再生气窜气

脱水单元的均压阀门和底部手动切换阀内漏，饱和含水的再生气窜到干气流道中，进入冷箱。

（4） 干燥系統自控逻辑错误

干燥系统自控逻辑错误，吸附、再生等时间控制错乱，导致再生塔再生不完全。

3.1.2 处理方法

（1） 解冻、解堵

首先开大天然气冷箱阀位，50%～100%用大气量放空，将未冻堵完全的通道冲开，若压差减小，证明有效。

若压差继续增大，表示冷箱流道已完全堵死，须调整参数，对冷箱通道做升温处理，化解冻堵，在升温的同时重复大气量放空操作， 如压差减小，证明有效。如若压差持续增大，则需停运冷剂压缩机， 对冷箱彻底复温，待冷箱温度升至 0℃以上，大气量放空操作，解除冻堵。

（2） 预防措施

重点关注冷箱天然气进口压力与节流阀阀前压力差，若压差≧ 0.2MPa，且持续升高，应意识到存在冷箱冻堵的趋势，及时排查原因并做处理。

保持浅冷温度在-25℃～-50℃之间，这样可预防冰堵发生在通道的中冷、深冷工段，如有冰堵即发生在浅冷工段，处理时间较短，影响较小。

按规程操作切塔作业，切塔作业是导致分子筛机械强度降低和粉化的一个主要因素，在切换时要缓慢地升压和降压。

避免大量烃类、MDEA 溶液、杂志进入分子筛，这些物质都会导致分子筛中毒失活，影响脱水效果。

3.2 冷箱原料气侧烃堵

3.2.1 原因分析

原料天然气气中含有 C5+重烃。重烃类物质随着液化温度的不断降低，首先以液态的形式析出，冷箱流道中介质流速变慢，温度继续降低，重烃类物质会结晶成固态晶体，彻底堵塞冷箱流道。常见的脱烃方法有浅冷脱除法（适用于富气）、冷箱级间分离脱除法、变温吸附（TSA）法等[3]。小型 LNG 处理装置一般采用冷箱级间分离脱除法对原料天然气进行脱烃。

（1） 重烃脱除流程参数不稳定

重烃脱除流程参数不稳定，若脱重烃罐前温度过低则会造成重烃提前液化，堵塞浅冷工段冷箱通道，若温度过高，则会造成部分重烃以气态形式进入深冷工段。系统压力不稳时，也会造成重烃分离罐脱烃不彻底。

（2） 重烃脱除流程不合理

在重烃脱除流程中只设置一个重烃分离器，不设置重烃洗涤塔。或者重烃脱除工段流程过短。

3.2.2 处理方法

（1） 解冻、解堵

冷箱原料气侧烃堵的解冻、解堵方法与冰堵的解冻、解堵方法类似，唯一不同的是冷箱复温操作温度可适当降低至-30℃，不必复温至 0℃。

（2） 预防措施

根据井口气组分，选取科学合理的脱烃流程，如重烃洗涤法、低温冷脱法、固体吸附法等。

重点关注重烃分离罐或者重烃洗涤塔的液位，防止液位过高，将重烃带至下游。

根据操作规程严格控制工艺参数，包括系统压力、各工段温位， 保证脱烃系统有效运行。

3.3 冷箱原料气侧碳堵

3.3.1 原因分析

冷箱碳堵的原因是原料气中二氧化碳气体含量超标，超标的二氧化碳气体在低温状态下形成二氧化碳水合物和固态干冰，堵塞冷箱流道。常见的脱酸方法有三种，即醇胺法、热钾碱法，砜胺法[4]。小型LNG 处理装置采用醇胺法的居多，因为醇胺法有着工艺成熟、投资较少、操作简单等优点。

（1） MDEA 溶液浓度不合理

MDEA 溶液浓度一般控制在 45%～55%之间。按理说 MDEA 液浓度越高，其吸收能力越强，循环量越小，但由于溶液粘度高，溶液浓度过高输送不易，且分布性能差；并且二氧化碳溶解于水是吸收反应速度控制的主要过程。所以溶液浓度过高反而影响吸收效率，故控制吸收液浓度在 45～55%。

（2） 脱酸系统工艺参数不稳定

脱酸系统重点工艺参数包括再生塔塔顶温度、再生塔塔底温度、再生塔塔顶压力、再生塔液位、贫液泵出口流量、贫液储罐温度等， 这些参数如果不稳定均会影响再生塔的富液再生效果，继而影响系统脱酸效果。

（3） MDEA 溶液发泡

溶液中混入某些有机杂质降低了溶液的表面张力，使气体容易进入液体表面而形成气泡，溶液中的某些杂质增加了气泡的稳定性，就引起了 MDEA溶液发泡，发泡会极大的影响系统脱酸效果[5]。

（4） MDEA 溶液失效

原料天然气中带有的油污、铁锈、重烃等，都会使 MDEA 溶液受污染，降解失效。

3.3.2 处理方法

（1） 解冻、解堵

冷箱原料气侧碳堵的解冻、解堵方法与冰堵的解冻、解堵方法类似，唯一不同的是冷箱复温操作温度可适当降低至-50℃，不必复温至 0℃。

（2） 预防措施

保证 MDEA 溶液浓度在 45%～55%范围内，定期抽样化验，如发现浓度偏离及时调整配比。

严格按照操作规程控制脱酸系统参数，保证系统的再生效果和脱酸效果。

及时清洗原料气流程前段除砂器、过滤器，保证进入脱酸系统气体的纯净，采用纯净水配比 MDEA 溶液，严格控制 MDEA 溶液的发泡和失效现象。

3.4 冷箱冷剂侧冰堵

3.4.1 原因分析

冷箱冷剂侧冰堵的原因是采用的混合冷剂中水含量超标。

混合冷剂较多采用的甲烷、氮气、乙烯、丙烷、异丁烷、异戊烷等均为纯净类物质，因此冷剂中含水的情况较少发生，但有时采购了不合格批次的冷剂，就会造成混合冷剂中含水。

混合冷剂循环系统在停机零压状态下，在其管件连接处、水换热设备处也均有可能发生渗水现象。

3.4.2 处理方法

（1） 解冻、解堵

冷箱冷剂侧冰堵的发生后必须彻底停机复温，将冷箱復温至 0℃以上，再采用干燥气大气量吹扫冷剂侧通道，排放出系统中不合格的冷剂。

（2） 预防措施

购买正规厂家的冷剂。

冷剂添加进入系统前外挂干燥系统。

冷剂循环系统停机时保持微正压，防止湿潮空气侵入。

冷剂循环系统水换热处连接紧密，无漏点，冷剂循环系统微正压时水循环系统应处于零压状态。

3.5 冷箱冷剂侧油堵

3.5.1 原因分析

冷箱冷剂侧油堵的原因是冷剂中含有大量的润滑油。冷箱冷剂油堵一般发生在螺杆式压缩机冷剂压缩系统[6]。

（1） 油气分离器不匹配

油气分离器设计分离容量过小，加热器功率过小，油气分离不彻底。

（2） 油气分离器损坏、回油管路堵塞

油气分离器内部结构损坏，包括折流板等，导致油气分离效果差。回油管路堵塞，造成积压的油过多，部分润滑油经气路进入冷箱。

（3） 系统压力过低

系统压力控制过低，分离器内的离心力小于工作要求，油气分离效果差。

（4） 冷劑循环系统工艺参数不稳定

冷剂循环系统工艺参数不稳定，冷箱换热不充分，压缩机回气温度过低，导致压缩后进入油气分离器的油气混合物温度过低，油气分离不彻底。

3.5.2 处理方法

（1） 解冻、解堵

冷箱冷剂侧油堵后，须停压缩机，将冷箱温度复温至-20℃以上， 从冷剂循环系统低点排污口将润滑油和冷剂的混合物彻底排放干净， 再用干燥气大气量吹扫冷剂侧通道，直至通常。

（2） 预防措施

选取正规厂家设计生产的冷剂压缩循环系统，不可未经设计单位许可私自更改、更换循环系统设备流程。正确安装冷剂压缩循环系统的管路，包括气路、油路、油气混合路，尽量避免油路爬坡、两相流湍流等情况发生。

严格按照操作规程控制冷剂循环系统工艺参数，保证油气分离效果，避免润滑油进入冷箱。

定期检查各级油气分离器及其回油管线，保证设备及管线良好在用。

4 结论

小型 LNG 处理装置回收方案是目前在油气田开发中对零散小井资源就地回收的最佳方案，符合国家产业政策导向，随着我国对清洁能源 需求量的不断增大，该回收方案将会在更多的区域得到应用和发展。

本文就小型 LNG 处理装置冷箱冻堵的类型进行了分类，对不同位置、不同介质冻堵的表现形式加以描述。根据冻堵的类型，给出了详细的原因分析、正确处理方法和预防措施。对于该领域从业者处理冷箱冻堵故障有一定的指导意义。

参考文献：

[1] 付道明，孙军，贺志刚.天然气预处理和液化工艺技术的研究进展[M].石油与天然气化工，2014：240-244，300-316

[2] 陈赓良.LNG原料气的预处理[M].天然气与石油.2010：33-37，63-67

[3] 李朋，邓静.LNG轻烃分离流程的优化研究[J].新疆石油天然气，2010，6（3）：78