LNG冷能空分設備啟動操作中的難點分析

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LNG冷能空分設備啟動操作中的難點分析

鄭祖瑋

（江蘇杭氧潤華氣體有限公司，江蘇如東226413）

【摘要】根據LNG冷能液體空分設備的特點，嘗試提出此項技術開車操作過程中主要集中在LNG冷能換熱設備的操作難點和重點，如乙二醇水溶液換熱器、液化冷箱、低溫氮壓機等，闡述裝置啟動過程中負荷變化與LNG供量方面存在的關系，探討如何通過精細化操作縮短開車時間，在容易發生失誤的步驟中增加操作過程的安全性。

【關鍵詞】LNG；冷能利用；空氣分離；操作

1　前言

采用液化天然氣（Liquefied Natural Gas，簡稱LNG）汽化時放出的冷能進行空氣分離的技術近幾年在國內迅速發展，如福建莆田LNG項目、浙江寧波LNG項目、河北唐山LNG項目、廣東珠海LNG項目等。目前應用最為廣泛的深度冷卻分離空氣的方法，工藝中最低溫度達到-193℃，比較LNG冷能利用的其他途徑，常壓下-162℃的LNG汽化到5℃～10℃供應給天然氣管網每噸釋放出約830 kJ/kg的冷量，深冷空分工藝過程幾乎將LNG的冷量全部利用，成為LNG冷能直接利用的最合理方式。伴隨著我國LNG接收站項目建設的逐年擴大和增加，也給空分行業帶來更廣闊和嶄新的發展空間，與此同時，LNG冷能空分設備的啟動操作、運行維護等等新知識勢必也將拉開空分從業者探討的新局面。

2　流程概況

本套LNG冷能空分是由杭氧股份有限公司利用中石油江蘇LNG接收站冷能設計建造的全液體空分，設計LNG供應壓力為9.5 MPa（g），流量為67988 m3/h，一期工況下設計空分總生產能力如表1。

表1　裝置設計生產能力

作為循環介質的氮氣通過低溫氮壓機增壓，在高壓液化冷箱和LNG完成熱量交換，被液化的一部分氮氣攜帶著大量冷量送往空分裝置補充冷量，另一部分直接送入儲罐，液氧和液氬在精餾塔內提純后送往儲罐。從高壓液化冷箱中抽出來～-70℃的NG，去乙二醇水溶液換熱器再次復熱，和從高壓液化冷箱頂部抽出～5℃的NG匯合后并入中石油天然氣外供管路。概括地講，LNG冷量在經過一套壓縮設備和一套換熱設備，分別使用了兩個溫度階梯完成整個冷量的利用，低溫部分（≤-70℃）在高壓液化冷箱內和氮氣完成冷量交換，高溫部分（-70℃到5℃之間）在乙二醇水溶液冷卻器內和水溶液完成能量交換。此外，空壓機和低溫氮壓機負荷的大小，決定了加工空氣量和液氮帶入ASU冷量的大小，由此匹配出相應的LNG供應量，這是一個相對緊密結合的過程，這個過程代替了常規空分通過膨脹機獲取冷量的方式，膨脹機成為關鍵制冷設備，對比常規空分啟動操作，LNG冷能空分啟動操作中的難點無疑集中在LNG冷能換熱部分，即LNG-乙二醇水溶液換熱器、高壓液化冷箱方面，高壓液化冷箱又包括最重要的設備——低溫氮壓機。

采用30%的乙二醇配比70%的蒸餾水混合制成水溶液，冰點溫度約為-15℃儲存在乙二醇水溶液處理罐H7101中，通過水泵加壓至0.45 MPa（g），在繞管式乙二醇水溶液換熱器被LNG降溫，經過空壓機級間及末級冷卻器；空壓機電機、潤滑油冷卻器；低溫氮壓機電機、潤滑油冷卻器匯合回到乙二醇水溶液處理罐，回水溫度為15℃，由于是閉路循環水溫又較低幾乎沒有水量損失，所以節水可達99%以上。乙二醇水溶液處理罐頂有開口朝下通向大氣的彎管，罐頂通入2～5 m3/h氮氣與大氣充分隔離防止乙二醇水溶液發生氧化反應，保持pH約7.8左右，亦無須再加維持水質要求的藥劑。

在LNG簡化流程圖1中，V5304、V6302、V6306為緊急切斷閥，V5307、V5308、V7206、V7207、V6307、V6308為氣動調節閥，V7201、V7211為兩位關斷閥。

圖1　LNG換熱簡易流程圖

3　 LNG冷能空分熱態啟動操作難點分析

3.1乙二醇水溶液換熱器的操作

LNG管線、設備投用前，首先使用干燥、潔凈的氮氣經過吹掃置換，露點合格（-60℃以下），含氧量分析為0%后開始預冷管線，當LNG供液管線溫度預冷到-120℃時開始增壓，采用LNG管線設備整體增壓的方式，即LNG供液管線和NG返回管線可全部導通同時增壓，增壓到正常工作壓力。這一系列過程中注意各閥門掛牌上鎖是否正確；控制溫降和壓升速率；做好管托位移記錄；檢查法蘭連接處、儀表接頭有無天然氣泄漏；NG返回BOG壓縮機入口管線的壓力不超過20 kPa，并啟動乙二醇水溶液泵維持水溫不低于5℃。

當LNG管線處于冷備狀態又不至于使較長的LNG管線在到達空分前沒有較大的溫升，要控制好LNG流量，過多的冷量進來又會使水溶液溫度過低造成凍堵。如果LNG管線處于冷備時LNG需用量為2 t/h，這時乙二醇水溶液泵的功率近似等于LNG釋放的冷量，正好滿足出乙二醇水溶液換熱器水溫的要求。啟動空壓機后，假設空壓機啟動時70%的負荷功率為3000 kW·h，每噸LNG冷量折合功率為175 kW·h，相應要增加17 t/h的LNG才可維持住空壓機各級進氣溫度，通過乙二醇水溶液換熱器啟動端出口控制閥V7202以較快的速度將LNG的量提高至20 t/h左右，才不至于在短時間內引起空壓機排氣溫度過高停車。V7207為液化冷箱的旁路閥也是乙二醇冷卻器啟動端LNG汽化后NG的返回通路。由此看出，LNG管線處于保冷狀態和啟動空壓機時LNG用量有很大的變化，短時間內將LNG量由2 t/h提高到20 t/h，控制好乙二醇水溶液啟動端和高壓液化器旁路閥的開度，操作上要緊湊、準確。

啟動空壓機前，LNG走乙二醇水溶液換熱器啟動端流路，啟動空壓機后可切換至工作流路，即走高壓換熱器頂抽和中抽，頂抽由閥門V6307、V6308控制，中抽由V7206液化器旁路閥和中抽出口閥V7207調節，前提是高壓液化冷箱內部管路設備已冷卻完成。

3.2 LNG高壓液化換熱器的冷卻

高壓液化冷箱的冷卻從打開V5308時開始，冷的LNG和從乙二醇冷卻器啟動端復熱來的熱態NG匯合，逐漸控制進入液化冷箱天然氣的流量和溫度，如果溫度變化過低過快，會造成兩種不良后果，其一，液化換熱器頂部熱端正流氣溫度約15℃，NG出口的設計溫度為10℃，如果出液化換熱器的溫度過低，溫差增加使熱應力過大不利于設備安全，設計高壓液化換熱器熱端最高溫差不大于50℃，因此NG出換熱器溫度要求不得低于-10℃。其二，會使NG返回中石油天然氣管網溫度走低觸及切斷整個LNG供應的聯鎖發生。在液化冷箱冷卻階段頂抽控制閥V6307或V6308保持微開即可，盡可能增加中抽的LNG量。

3.3低溫氮壓機

液化冷箱的整體溫降達到-50℃時，開始冷卻低溫氮壓機。低溫氮壓機為Atlas Copco公司制造，四級壓縮分兩段控制的整體齒輪式徑向離心機，一段排氣壓力為2.1 MPa（g），二段排氣壓力為6.2 MPa（g），段入口溫度設計-120℃，處于低溫狀態的氮氣體積流量減小，使得在排氣壓相同的情況下相比常溫氣體壓縮消耗的功耗要小得多，除了機體外與壓縮機相連的管道均有保冷措施。低溫氮氣被壓縮后溫度升高，在進入液化冷箱內又被LNG冷卻下來，充當了氣體冷卻器的效果，壓縮機入口溫度再次降至-120℃，形同于“等溫壓縮”，以此不斷和LNG進行冷量交換。

低溫氮壓機每次啟動各級進、出口管線和回流管線流路必須進行氮氣置換，分別在一段出口和二段出口分析排出氮氣的露點，露點低于-60℃以下為合格。繼續冷卻液化冷箱和低溫氮壓機管線，氮壓機級入口溫度都達到-50℃以下時，啟動壓縮機，理想啟動溫度為-60℃。

未啟動低溫氮壓機前LNG的供量只和循環水溶液溫度高低存在換熱關系，一旦低溫氮壓機啟動LNG供量和氮氣進行換熱，需再次根據裝置負荷增加LNG供量。假設低溫氮壓機啟動時70%的負荷功率為2000 kW·h，啟動低溫氮壓機時需增加12 t/h 的LNG。

一開始ASU裝置并不能提供氮氣，液體貯存系統設置中壓液氮儲罐，將液氮汽化后專供氮壓機預冷、啟動階段至下塔氮氣純度合格這段時間工藝所需氮氣和開車用儀表氣、密封氣。氮壓機啟動前首先確定最小啟動用氮氣量，控制好V1884開度，壓力過高過低都會引起壓縮機跳車。當下塔產出純度合格的氮氣，要將氮壓機氮氣供應流路通過V109閥切換至下塔流路，根據實際操作經驗要控制好閥門開度，保證流路切換平穩，如果氮壓機跳車將延誤1個小時左右的開車時間。

3.4由液化冷箱向ASU提供冷量的流路切換

隨著低溫氮壓機的加載運行，液化冷箱內的溫度持續降低，打開V3001和V3002將壓縮機出口氣體逐漸導入后線設備，逐漸冷卻液化換熱器過冷器。通過啟動管線V362、V367向AUS導入低溫氣體，逐漸降低進空分板式換熱器的空氣溫度。板式換熱器溫度降至-120℃時，打開V3005，將啟動管線閥門V362、V367關閉，切換到正常流路，ASU逐漸進入冷卻向積液的過渡階段。保持進塔空氣量，提高氮壓機負荷，同步增加LNG用量到額定值加快精餾塔的冷卻，積液成功后，逐漸開始調純并開啟工藝液氧泵，建立主冷工況產出合格液體。

4　其他

（1）由于生產工藝和產氣源地的不同液化天然氣的成分很復雜，一般來講以甲烷（CH4）為主，含量占天然氣成分的80%以上，密度隨甲烷含量的增加而減小，通常密度范圍為430 kg/m3～470 kg/m3左右。按照《石油天然氣工程設計防火規范》(GB 50183—2004)油氣火災危險性分類，天然氣屬于甲A類易燃、易爆物質，在空氣中混合后的爆炸極限為5%~15%。從本質安全的角度出發，LNG管線設備所在的231區設置為防爆生產區，

（2）尤其注意的是LNG管線設備的吹掃、加溫、微正壓密封靜置時必須采用干燥、純凈的氮氣，不得和ASU的吹掃、加溫、密封氣等可能有空氣成分的氣路相連，以防誤操作引起事故，防爆區內閥門儀表氣宜采用氮氣供應。

（3）能夠和水以任意比例混合的乙二醇在低溫環境的使用中容易產生酸性物質，對金屬有腐蝕作用。由于水的沸點比乙二醇低，使用中水分會首先蒸發，使得乙二醇含量升高，因此，定期檢測乙二醇含量和水溶液冰點溫度在要求值內。

（4）存在跨單位合作的特性，應建立有效的溝通機制。

5　結束語

為使裝置產出液體，前提要調整好LNG冷能換熱設備。從LNG管線設備冷卻、增壓開始逐步敘述開車過程中的關鍵點可以看出LNG冷能空分開車過程完全不同于常規空分中由膨脹機提供主要冷量的流程操作，在制冷量導入ASU前有很多工作要做，熱態開車比常規空分所需的時間要長，理清開車中的難、重點有利于減少開車中可能出現的意外失誤，避免發生不必要的損失，使開車過程順利完成。

[參考文獻]

[1]夏鴻雁，顧燕新. LNG冷能在液體空分設備上的應用研究[J].低

溫技術，2014（01）.

熱電

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

作者簡介：鄭祖瑋（1984－），男，畢業于內蒙古科技大學化學工程與工藝專業，本科學歷，助理工程師，現從事空分專業技術工作。

收稿日期：2015－10－19

【文章編號】1006-6764(2015)12-0027-03

【文獻標識碼】B

【中圖分類號】TB657.7