液氮洗/LNG 装置裸冷探讨

郑 伟

（山西中煤平朔能源化工有限公司，山西 朔州 036000）

0 引言

山西中煤平朔能源化工有限公司液氮洗/LNG 装置采用国外先进的技术，装置主要作用为通过分子筛吸附脱除低温甲醇洗净化气中微量甲醇和二氧化碳，通过冷凝分离和液氮洗涤来脱除煤气中的甲烷、一氧化碳组分，制得（CO+CO2）质量浓度小于5 mg/L，氢氮比为3∶1 的合格合成气，满足合成氨生产需要，并副产纯度大于99%的LNG 产品。

该套装置是国内第一套将净煤气中甲烷成分在冷箱内直接液化和过冷至-165 ℃以下，不经复热直接经过进口甲烷泵提压后送至LNG 储槽的装置，其所需的冷量由进口膨胀机和氮气循环压缩机构成的循环冷却回路提供。装置于2016 年9 月20 日一次开车成功，弥补了传统液氮洗将甲烷分离出来，再进行液化的投资高、占地面积大和能耗高等方面的不足，充分发挥了液氮洗技术和LNG 技术耦合的巨大优势。该套装置的裸冷过程和传统的裸冷也有本质区别，现将该装置在试车过程中的裸冷总结如下，以供同行借鉴和参考。

1 工艺流程

该套液氮洗/LNG 装置（图1）由4 个单元组成：纯化单元、冷箱单元、氮气循环单元（包括氮气增压膨胀制冷）和低温排放深冷处理单元。和传统液氮洗的区别是为了直接提取LNG，增加了氮气循环单元。

图1 液氮洗/LNG 方块流程图

氮气循环单元流程为：液氮洗/LNG 装置冷量的获得来自于氮气循环压缩机和增压膨胀机，氮气是由布置在综合压缩装置内的氮气循环压缩机提供，来自界外（氮气循环压缩机）的这股3.2 MPa 氮气至增压机进一步压缩后，经增压机后冷却器、进入主换热器冷却后被分成3 股物流。

流股Ⅰ的流量占总流量的大部分，进入膨胀透平机膨胀至低压冷却后，然后在主换热器换热释放冷量，被送回到界外的氮气循环压缩机的一段入口。

流股Ⅱ通过冷却后进入N2/CH4闪蒸塔的N2/CH4塔再沸器经过进一步冷却，一部分进入与甲烷冷却器相连的液氮热虹吸罐，另一部分是用来平衡流量，通过节流阀膨胀至中压，在主换热器中升温，被送到氮气循环压缩机二段入口。

流股Ⅲ是平衡流，经过主换热器冷却，节流阀膨胀至中压，和流股Ⅱ的中压氮气物流混合。来自甲烷冷却器的气态氮和从透平机出口来的其他物流混合。

2 裸冷的目的

裸冷是指在液氮洗/LNG 冷箱装置安装结束后，经过管道检查和试压后，冷箱未装填珠光砂之前，利用正常工况中膨胀机制冷和节流制冷进行模拟开车操作。通过裸冷能检验冷箱内设备和管线的施工质量，检查焊缝处是否存在漏点；检查低温下有关设备、管道、阀门等的变形情况及补偿能力；检查冷箱内有关仪表、调节阀的性能；对氮气膨胀机和氮气循环压缩机的性能进行测试；对装置全面开车进行预演，确保液氮洗/LNG 装置开车成功。

3 裸冷前的工作准备

冷箱安装结束，装置吹扫结束，做好吹扫记录，冷箱内外管线清理干净。冷箱的箱体试漏完成，冷箱的气密试验完成，所有的人孔和通道全部封闭，所有的试车活动完成（PID 检测，吹扫，联锁逻辑调试等等）。按照外方提供的解冻程序，分5 个回路对整个系统进行解冻，使用露点<-70 ℃的常温低压氮气，对各个解冻出口进行分析监测，要求吹除气体露点<-70 ℃。

装置配套的阀门和仪表安装、调校后投入使用，安全阀通过校验，塔内管道、阀门等固定牢固，可靠；确认液氮洗所有吹除阀处于关闭状态；气体排放区设置专人负责安全警戒工作[1]。

该套液氮洗/LNG 装置是由3 个大冷箱（1 个换热器冷箱和2 个精馏塔冷箱）、1 个透平小冷箱和2 个液体泵小冷箱组成。其中换热器冷箱位于中间，管道错综复杂，冷箱内没有爬梯，其余2 个精馏塔冷箱都设有爬梯，按照外方的标准，冷箱裸冷前必须拆除箱体内的所有脚手架，防止裸冷时管道直接接触脚手架，冷量辐射，碳钢脚手架冷脆坍塌砸坏换热器、管线或是人上去掉下来出现伤亡事故。但是如果拆除脚手架，裸冷后的检查需要重新搭设脚手架，增加了大量工作量和人工成本。换热器冷箱为现场组对设备，同外方一起进入冷箱检查时，将换热器EXP 冷箱邻近或是紧挨着的架子移位，对于不能移位的架杆，用3 块四氟板垫在接触的部位，防止冷量传到碳钢架杆上；CBP1（1 塔冷箱）和CBP2（2 塔冷箱）冷箱管线较少，整体到现场，又有爬梯，故拆除CBP1 和CBP2 的脚手架。

4 裸冷过程

按传统的液氮洗裸冷方法，一般情况下均采用中压氮气节流制冷和补充液氮冷却，将各个通道冷却到不产生液体为止。本套装置和传统液氮洗的区别在于有单独的氮气循环压缩机和膨胀机提供整个装置的巨大冷量，氮气循环量为117 500 m3/h，该氮气循环回路在主换热器中占3 个通道，和系统工艺回路不相通，如果采用氮气节流制冷，这3 个通道将没有气体通过，导致不能将每个通道都冷却到，按照法液空标准，冷却时平面温差不能大于60 ℃，故不能用传统的方法来冷却。

参照空分的裸冷方法和液氮洗的传统裸冷方法，本次裸冷开创了将两种方法结合，避免开膨胀机导致降温速度过快而损坏设备。

第一步采用传统的液氮洗冷却方法，将中压氮气提压至3.0MPa，利用焦耳-汤姆逊（J-T）节流效应为系统降温提供冷量，氮气循环回路不进行冷却，将放空阀设定在0.35MPa 和0.11 MPa，通过控制各个节流阀的大小和排放出口阀门的开度，保证塔的均匀降温和各个通道的均匀降温。打通流程，调试各个阀门，现场试验发现，液氮洗冷箱降温速度缓慢，通过8 h 降温，温度降至-15 ℃后，温度不再明显下降，此阶段既调试了阀门，又保证了降温速度和各通道的平面温差。

第二步采用空分的裸冷办法，利用膨胀机的等熵膨胀过程进行制冷。由于本套液氮洗设计产出LNG量为18 647 m3/h，温度为-165 ℃，正常情况下需要的大量冷量由膨胀机提供，只有少部分有液体节流阀提供，所以考虑的是系统的降温速度不要超过法液空规定的降温20℃/h，最大不能超过30℃/h。充分征求法液空外方服务人员和膨胀机的厂家意见，确定裸冷时膨胀机允许在最低负荷下运行的参数。膨胀机为CRYOSTAR 公司设备，正常工作转速19 500 r/min，最低转速为10 000 r/min 以上。第一次进行氮气循环压缩机和膨胀机的联动试车，氮气循环压缩机使用低压氮气作为气源，同中压氮气的初步冷却气源不同，互不干扰。氮气循环压缩机的出口压力控制在1.8MPa，膨胀机的转速控制在10 000～11 000 r/min 进行系统的进一步降温，合理控制降温速度，通过5.5 h 最终将温度降至-120 ℃停止降温。通过控制膨胀机的负荷和冷合成气放空阀的开度，控制系统的降温速度，保证换热器的端面温差在合理的范围内。

5 系统查漏

裸冷后的检查是根据管道、容器结霜情况来判断漏点。一般泄漏点处不结霜或结霜不均匀，要重点检查管道焊口、法兰、阀门、弯头、液体管线（包括取压管和取样管）、管道固定点、仪表温度/压力接点及分析接点等[1]。进入冷箱必须高度重视安全工作，穿戴好防寒衣帽、手套，带上口罩，佩戴氧含量仪器，带好对讲机方可进入，冷箱外必须有监护人员。经过检查，发现冷配氮FV223C 孔板流量计导压管漏，查漏复热后，施工人员进入冷箱进行修补。

6 结论

液氮洗/LNG 装置冷箱裸冷采用了独创的冷却方式，大大缩短冷却时间，检验了设备的各种性能，消除了系统内部液体导压管线漏点，膨胀机进出口过滤器通过此次裸冷，完成了冷紧工作，减轻了投料开车工作。通过接下来的导入原料气一次开车成功，验证了冷箱内部管道的良好工况和机组的良好性能，达到了裸冷的预期效果和员工对于装置的熟悉。

在装置正式开车后，装置达到了设计的生产能力。通过近6 年来装置的连续稳定运行，未发现冷箱内部出现泄漏和跑冷现象，避免出现漏点而导致的冷箱扒砂处理，给同类装置的建设和投产试车提供了很好的借鉴作用。