LNG冷箱凍堵危害及原因分析

王 飚

(晉城天煜新能源有限公司，山西 晉城 048006)

引 言

LNG冷箱是LNG工廠液化的核心設備，原料氣(甲烷)在冷箱中被降溫到-162 ℃成為LNG，由于其特有的低溫特性，對原料氣的潔凈度要求很高，原料氣中各類在低溫容易凍堵的物質必須提前被凈化脫除，否則就會造成冷箱凍堵與工況紊亂，直接關系到液化工藝的安全與產品質量。近期，我公司LNG冷箱工藝參數出現異常發生凍堵，現將凍堵過程分析與預防措施總結如下。

1 LNG冷箱液化發生凍堵的部位與危害

1.1 LNG冷箱液化工藝流程(見圖1)

經凈化脫除雜質氣的5.0 MPa的甲烷原料氣進入冷箱，先經過冷箱的上板式換熱器，將溫度降低到-60 ℃～-40 ℃，然后，再進入冷箱下板式換熱器，進一步將溫度降至-160 ℃～-155 ℃，此時，甲烷原料氣大部分被液化，經FV0801A/B閥到LNG閃蒸罐，最終將20 kPa～50 kPa的LNG產品輸送到LNG儲罐儲存。

1.2 LNG冷箱發生凍堵的主要部位

LNG冷箱發生凍堵的部位主要在板式換熱器的通道，凍堵的物質主要有在凈化流程中未脫除到正常工藝指標的水、CO2、重烴等。

圖1 LNG液化冷箱原料氣工藝流程示意圖

1.3 LNG冷箱凍堵的危害

1.3.1 影響液化處理量和能耗

冷箱發生凍堵后，由于原料氣通道內壁有凍堵物質存在，嚴重影響換熱，下板式換熱器的換熱效果變差，冷劑添加進去后，無法有效提高原料氣處理量，同時也導致制冷能耗增加。

1.3.2 影響系統安全穩定

當冷箱發生凍堵時，導致制冷劑無法有效換熱，冷劑返流溫度低，會造成冷箱局部過冷、冷劑偏流，不僅加劇原料氣通道的凍堵，還可能造成冷劑通道凍堵，增加系統操作難度。離心機制冷系統甚至還會影響喘振安全，工況惡化時，需要大幅度減少產量，排放冷劑，造成很大的不安全因素和浪費。

1.3.3 影響設備操作安全

在處置冷箱凍堵時，目前常用的辦法是停車或不停車隔離冷箱后復溫吹掃，復溫吹掃過程需要大幅度減量、操作低溫閥門、排放部分制冷劑，極易引發各類操作安全事故。

2 LNG冷箱凍堵與復溫過程分析

我公司LNG液化裝置近期檢修完畢，運行35 d后，在冷箱下板式換熱器出現了明顯凍堵，表1、表2是凍堵與復溫過程分析。

3 冷箱凍堵特征分析

3.1 從原料氣通道液位異常變化分析

7月5日至7月9日冷箱A、B兩側下板式換熱器原料氣通道差壓液位計先后顯示負值，在此之前，原料氣液位每天呈下降趨勢，說明原料氣通道差壓液位計正壓側取壓管是緩慢堵上的，最終因引壓管道堵塞完全取不上壓，造成液化計顯示負值。

表1 冷箱A、B板式換熱器原料氣通道凍堵過程主要特征

表2 冷箱A、B板式換熱器復溫吹掃過程主要特征

3.2 從冷箱下板式換熱器壓差異常變化分析

7月12日，冷箱A下板式換熱器出現30 kPa壓差，到7月18日短短5 d就上升至900 kPa，而B下板式換熱器在7月17日壓差僅為30 kPa，到7月19日就增加到200 kPa。說明在冷箱之前的預處理階段，有原料氣中的雜質氣未能有效脫除，凍堵物質在冷箱換熱器內是逐漸形成的，當累計到一定量時，才反應在壓差上，并且后期越堵越快。

3.3 從復溫吹掃過程分析

7月18日，吹掃A板式換熱器過程中，在冷劑閥門尚未完全關閉、FV0801還未關閉，調試回收V0803還未開啟時，當原料氣出下板式換熱器溫度由-155 ℃回升到-120 ℃左右，冷箱A板式換熱器原料氣通道壓差已基本消除，這時，冷箱V0803A調試回收閥尚未打開，凍堵物質沒有吹出冷箱，很可能在FV0801A閥門前、后管道或LNG閃蒸罐，后續要跟蹤觀察FV0801A在同壓力、同流量下的開度變化，如，經幾次復溫吹掃后，FV0801A開度明顯變大，則凍堵物質可能轉移到此處。

7月19日，在吹掃B板式換熱器時的情況與A類似，在復溫到-148 ℃左右，V0803B調試回收閥尚未打開時，冷箱B板式換熱器原料氣通道壓差已基本消除。

4 凍堵原因分析

4.1 凍堵物質分析

我公司 LNG冷箱上板式換熱器的日常運行溫度在-40 ℃至-60 ℃，低溫段下板翅換熱器日常運行溫度在-155 ℃至-158 ℃，日常原料氣凈化后的露點在-65 ℃以下，CO2含量在10×10-6～20×10-6，并且工藝包設計單位在進行干燥塔脫水設計時，所填充的4A分子篩量可以滿足12 500 m3/h原料氣脫水需要，而此月實際工況時原料氣平均在9 000 m3/h。如果是水或者CO2凍堵，應在冷箱上板翅換熱器凍堵，所以基本可以排除水和CO2凍堵。

凍堵的位置在下板翅換熱器，并且在原料氣出下板翅換熱器復溫至-120 ℃時，尚未打開調試回收管線吹掃，凍堵就自動消除，可以排除機械雜質堵塞。

經對入廠的原料氣分析化驗，原料氣內C5以上重組分(主要是戊烷、己烷)達到800×10-6以上，在經干燥塔活性炭吸附凈化后，進入冷箱時C5以上含量變化不大，以此可以推測冷箱前的凈化工段未能有效脫除重烴物質。在吹掃過程中，當原料氣從上板式換熱器出來的溫度升高到一定的溫度，而后進入下板式換熱器時，使下板式換熱器凍堵的部位溫度升高到凍堵物質的熔點以上，從而使在狹窄的板式換熱器以及差壓液位計引壓管中的凍堵物質融化吹出，外在反應就是壓差消失，液位正常，流量明顯提高。

4.2 C5以上重烴凈化效果不良原因分析

上游原料氣組分發生變化，可能導致脫除效果差，需在上游供氣各個環節進行排查，找出組分變化的原因。

原料氣凈化單元脫重烴設備工況不良，或無法有針對性地脫除某些重烴組分，會導致脫除效果差。

5 解決方案

1) 對上游各供氣點原料氣組分進行分析化驗，查找重組分的來源點，檢查是否有新的含有重組分的氣源進入供氣管網。如發現氣源組分嚴重偏離設計組分，則要對重烴凈化單元進行重新工藝設計。

2) 到上游增壓站進行調研，檢查是否因壓縮機工況差，潤滑油氣泄漏進原料氣，導致原料氣重組分大量增加，而目前凈化工藝流程中干燥塔復合床層中的活性炭，不能有效地吸附分離竄入天然氣中的潤滑油氣重組分，導致冷箱凍堵?？煞e極協調上游供氣單位，加強設備檢修和維護保養，或者采用無油潤滑加壓設備，減少杜絕潤滑油氣進入原料氣。如確認是上游壓縮機油氣污染氣源，可針對此油氣種類，有針對性地選擇吸附劑，提高吸附脫除的效果，減少進入冷箱的重烴含量。

3) 對我公司凈化系統相關參數進行優化，提高凈化系統原料氣壓力、增大干燥再生氣流量和再生溫度、降低再生氣冷卻器冷卻溫度，盡可能地提高活性炭吸附脫除重烴效果，延緩凍堵周期。

4) 針對目前的凍堵情況，可以采取臨時解決方案，在冷箱下板翅換熱器出現明顯凍堵，影響冷箱換熱和產量時，可以有計劃地減少下板翅的輕冷劑循環量，同時控制原料氣量，使下板翅回溫到-100 ℃左右運行一段時間，將冷箱板翅式換熱器原料氣通道內的凍堵物質融化吹出，消除冷箱凍堵，提高冷箱換熱效果。因凍堵物質仍然會在后續低溫管道與系統中凝固，所以長時間運行后，仍需徹底吹除管道中積累的重烴物質。

5) 可對冷箱系統進行改造，在冷箱外增加重烴低溫分離器，在原料氣經過冷箱上板翅，溫度降到-60 ℃以下，引出冷箱后進入低溫分離器，分離出重烴物質后，再進入冷箱下板翅液化。也可在下板翅出口FV0801閥前或V0803閥前的管道上，增加一組串聯的LNG低溫排污閥門，接出到水浴加熱器或殘液分離器，在對凍堵物質進行復溫吹掃時，可打開此閥門，將凍堵物質排出冷箱系統。

6 結語

LNG冷箱原料氣通道凍堵，是LNG工廠常見的故障，并且凍堵的現象也不盡相同，但通過對凍堵過程及參數變化進行深入分析，找出凍堵物質，進而采取相應措施，可以減緩或消除凍堵，提高生產效率和產品質量，也可以確保系統安全穩定運行。