LNG工廠短期停產前提下的開工復產經驗

楊 燁 楊 玄 鄧向軍 何靖怡 王 敏 徐何軍

中國石化江漢油田分公司江漢采油廠湖北黃岡LNG項目部, 湖北 黃岡 438011

0 前言

天然氣作為清潔高效的化石能源在國家能源序列中占有舉足輕重的地位。近年來“煤改氣”頂層政策和“藍天行動”環保要求使天然氣需求出現爆發式增長。據相關部門預測,2019年中國天然氣需求將達3 050×108m3,同比增長10%。而LNG作為天然氣的另一種儲存形式，在運輸、調峰、貿易上極具優勢,圍繞邊遠小型氣田和天然氣集輸管網而修建的LNG工廠遍布全球[1-3]。但市場導向和工藝設備情況都會影響LNG工廠正常生產,且影響因素不可控。所以LNG工廠開/停產為一個復雜動態變化過程,工廠應處于可隨時開工復產階段,設備設施應保證長效備用。當前業內相關工廠只建立有正常停產檢修后的開工復產方案,缺乏多種情況誘導下的LNG工廠隨時性啟/停機高效運行細則。

針對我國天然氣行業發展與相關企業改革現狀,在我國成立國家管網公司政策背景下,延續筆者往年開工復產研究經驗,以某LNG工廠2018年生產情況為研究對象,著重研究市場導向下的短期停產、高效啟機經驗。在開工復產工作統籌、安全檢查細則、一次性啟機操作和節能減排方面展開深入探討,為同行在新常態下的LNG工廠生產運行提供針對性意見。

1 原理及背景

LNG工廠的宏觀生產運行周期按停產檢修→開工復產→正常生產三個微觀階段循環進行。其中各階段相關性強,且互為邏輯關系,需要多工種、高效率協同配合,在安全平穩前提下提高工作緊湊性,確保整體工業鏈順利進行[4]。

某LNG工廠工藝流程主要包括集輸、公用工程、三脫、液化、BOG、儲罐區、裝車等，見圖1。自上游集輸系統輸送至該LNG工廠的管道天然氣達到500×104m3/d,經過LNG工廠依次脫除天然氣中的CO2、水,充分冷卻至完全冷凝,然后LNG進入LNG儲罐。其中工廠液化裝置采用傳統階式制冷循環工藝與混合冷劑制冷循環工藝3級結合方式[5-7]。壓縮機負荷從大到小依次為:丙烯壓縮機>乙烯壓縮機>甲烷壓縮機。

圖1 某LNG工廠主要工藝流程圖

依據流程工業原理,筆者在此將各階段定義為:離散過程(停產檢修);連續過程(正常生產);間歇過程(開工復產)。并根據不同階段工作特點及生產控制矛盾展開討論。依據正常生產操作經驗可知:某LNG工廠生產穩定性良好,但工藝流程復雜,動/靜設備較多;開工前需檢查的項目繁雜,復產階段操作節點和需關注的參數眾多[8-10]。依據停產檢修現場設備設施拆解查驗情況可知:某LNG工廠由于歷年生產時間不等,設備設施損耗率無法估算,易老化部件由于運轉時間不足未損壞,考慮到成本因素,部分零件到保后未更換[11]。依據開工復產歷年啟機記錄可知:開工復產過程中各工藝裝置會由相互獨立變為互為聯通而趨于生產穩定,向連續過程發展。但設備設施老化和多種因素下的頻繁性啟停機導致開工復產過程中工藝裝置由獨立到聯通再到生產穩定的操作過程復雜而不可控。而開工復產是連接停產檢修與正常生產三個微觀階段的關鍵節點[12]。當前由于市場波動和政策導向,某LNG工廠2018年生產任務變化復雜,多重因素下停機事件頻發,現取2018年3月4日恢復生產(政策導向)至2018年12月30日停產等待(上游原料氣波動)的時間段內停產情況匯總分析,見表1。

由表1可知,某LNG工廠2018年生產波動異常停機15次。主要為設備設施故障引起,其次為上游原料氣波動和市場導向下的憋罐。其中由于上游原料氣調配計劃不明和市場導向的不可預期誘發的停產時間不確定,給當前停產期間的節能降耗與下一階段的開工復產準備工作帶來極大困難。所以LNG工廠必須達到在間歇停產等待期無法估計的前提下可隨時啟機待命,以適應多種影響因素下的非計劃性生產。

表1 2018年停產記錄表

停機日期停產原因復產間隔期備注03-21上游電力系統欠壓35 h核實停機原因后重啟04-25上游電力系統欠壓33 h核實停機原因后重啟04-29市場導向下的憋罐130 d09-06恢復生產05-18上游分輸站故障3 h三機組未停,全廠緊急降量09-25上游電力系統欠壓30 h核實停機原因后重啟10-02上游電力系統欠壓36 h核實停機原因后重啟10-08上游分輸站故障3 h三機組未停,全廠緊急降量11-06儀表故障30 h核實停機原因后重啟11-26儀表故障31 h核實停機原因后重啟11-27變頻器輕故障4.5 h僅甲烷壓縮機停11-28變頻器重故障7 h需完成全年配產任務,馬上重啟11-29變頻器重故障10 h需完成全年配產任務,馬上重啟12-05變頻器關鍵元件燒毀,無備件13 d12-18恢復生產12-29儀表故障8 h需完成全年配產任務,馬上重啟12-30儀表故障—中亞管道限氣,復產時間不明 注:三機組指丙烯壓縮機、乙烯壓縮機、甲烷壓縮機;上游電力系統指國家電網禹王110 KV變電站。

在此拋開LNG工廠的宏觀生產運行周期復雜銜接式變化,重點針對異常工況下的搶修、正常停產檢修、上游原料氣波動和下游銷售吃緊等問題導致的LNG工廠隨時性啟/停機情況,做間歇過程(開工復產)微觀階段研究。

2 開工復產方案

某LNG工廠原復產綱要為:開車前準備,公用工程單元投用;原料氣進裝置區,三脫單元開車;丙烯制冷系統開車;天然氣側開工流程建立;乙烯制冷系統開車;天然氣至開工線;甲烷制冷系統開車;開工線切換至LNG生產線;負荷調整[13]。

通過筆者前期對正常準備前提下的LNG工廠開工復產方案優化問題的研究[13]可知:某LNG工廠開工準備需16 d,而從工廠進氣至正常生產需7 d。全廠從完全停產的冷態保運狀態到開工復產至正常出液狀態需耗時23 d,無法滿足上游氣源與市場波動導向下的目標出液日期要求,不具備市場競爭力。現制定短期停機前提下前一階段停產熱備細則，及后一階段72 h緊湊性開工復產方案，見表2～3。

由表2可以看出,某LNG工廠停產熱備細則制定不僅考慮到原復產綱要要求的計劃檢查項目,確保在最省工時前提下為下一階段開工復產工作節約準備步驟。而且節能潛力巨大,能在開工等待期未知的前提下充分節約成本。由表3可以看出,在上階段停產熱備細則幫助下,充分簡化開工復產檢查要點。在冷劑充足,動力保障完備前提下可以進行72 h緊湊性開工。

3 經驗與驗證

依據2018年生產運行現狀,某廠于2019年1月12日停產間隔12 d后執行緊湊性開工復產方案。在2019年1月12日晚間7:40接上峰復產命令后連夜開展復產工作,于2019年1月14日下午4:20提量完成,充分驗證緊湊性開工復產方案科學可行。根據實際核算,如若在不考慮人員超勞和人力資源前提下可將短期停產前提下的開工復產工作壓縮至57 h。但技術人員過于疲憊會出現啟機過程不連貫和關鍵檢查項目缺失造成的啟動后延伸性問題,所以筆者不推崇過于追求高效性的開工復產[14-16]。在此總結開工過程中實際經驗，見表4。

根據本次執行緊湊性開工復產方案后能耗數據,做正常生產過程、正常停產過程、沒執行停產熱備細則前間歇停產和本次停產熱備過程的能耗比對分析,見圖2～4。

根據圖2(正常停產指接檢修通知后,預計停產時間2個月以上,且準備大修,所做相關停產操作;間歇停產指接臨時停產通知,預計停產時間不明,隨時準備開工復產時所做相關停產操作;短期停產指接臨時停產通知,預計停產時間1個月以內,不準備大修,所做相關停產操作)及表2能耗輔助可以得出,正常生產情況下耗電依據產量不同,耗電量有所變化,其中由于生產負荷200×104m3/d以上時為避免LNG儲罐放空而需啟2臺BOG壓縮機,電量呈顯著增高。250×104～500×104m3/d 生產時電耗增加幅度不大,所以工廠產量越高產品單耗越小,盈虧轉折點在300×104m3/d左右[17-19]。由正常停產、間歇停產與短期停產下電耗對比可以看出,執行短期停產后電耗可以降低至34 500 kW·h左右,相對正常停產情況下的平均電耗31 600 kW·h只略微高出2 900 kW·h。但相對間歇停產平均42 500 kW·h的日耗電量每日可節約8 000 kW·h,節能效益可觀。

表2 停產熱備細則表

單元細則能耗計算輔助公用工程停運高/低溫位導熱油爐,保留導熱油泵冷循環高溫位導熱油爐:55.04 kmol/h;低溫位導熱油爐:24.77 kmol/h停運循環水泵2臺,保留1臺循環水泵低流速運行循環水泵:1 000 kW/臺停運空壓機1臺、PSA制氮橇,保留1臺空壓機供給儀表風、工廠風,氮氣供給切換為液氮空壓機:250 kW/臺;PSA制氮橇:0.5 kW/臺停運變頻溴化鋰機組燃料氣消耗:76.6 m3/h三脫系統停運高/低壓貧液循環泵高壓貧液循環泵:450 kW/臺;低壓貧液循環泵:132 kW/臺停運再生氣壓縮機再生氣壓縮機:185 kW/臺停運三脫所有空冷器再生氣空冷:15 kW/臺×3;酸氣空冷:30 kW/臺×4;貧液空冷:30 kW/臺×6液化系統停運重烴回流泵,保持氣相遇冷重烴回流泵:37 kW/臺停運壓縮機干氣密封,保留隔離氣丙烯:134 m3/h;乙烯:160 m3/h;甲烷:152 m3/h停運壓縮機潤滑油站電加熱器丙烯:13 kW/臺×2;乙烯:17.5 kW/臺×2;甲烷:17.5 kW/臺×2BOG、儲罐、裝車LNG儲罐至裝車區管線夜間預冷時設變頻泵50%負荷運行,白天限制裝車橇最多運行10組。避免BOG放空與額外電耗優化前BOG平均日閃蒸42 t,優化后8.54 t(罐位15 m以下);優化前BOG平均日閃蒸28 t,優化后7.61 t(罐位15 m以上)裝車區裝車量>80車/d時啟潛液泵2臺,運行橇位10組;裝車量小于80車/d時啟潛液泵1臺,運行橇位5組潛液泵:132 kW/臺BOG壓縮機執行單臺20:00-21:00運行,且罐壓抽至8 kPa,3 d/次BOG壓縮機:2 300 kW/臺

表3 緊湊性開工復產方案表

時間節點工作任務注意事項人力資源第一日1)執行PSSR檢查,清查儀表易損件庫存;2)投用公用工程循環水泵、空壓機、PSA制氮、啟動再生氣壓縮機,開始分子篩活化;3)確認系統冷劑余量,若不夠及時補充1)電氣、儀表易損件應有充足備用;2)工藝流程情況應特別注意檢查執行25人/班工作(標準班18人,開工過程多配3名儀表工、3名工段長、1名維修電工第二日1)確認原料氣進廠時間后投用高/低溫位導熱油爐,執行20 ℃/h升溫,投用高/低壓胺液循環泵,三脫裝置冷循環;2)全廠原料氣管線升壓試漏、導熱油線熱緊;3)逐步啟動三機組,冷劑配備完畢后開始冷箱提量1)技術人員需24 h不間斷工作;2)維保人員需夜間值班執行25人/班工作,所有技術人員日夜倒班第三日1)做混合冷劑人工3組平行樣化驗對比,確保本日12:00提量完畢;2)根據在線色譜與人工取樣化驗結果決定混合冷劑是否微調;3)持續觀測冷箱溫度梯度變化;4)根據產量、裝車量啟動BOG壓縮機與LNG潛液泵1)該階段最易出現的電氣、儀表輕故障,需在8 h內解決,否則停機等惡性事件發生概率極大;2)該階段注意觀察冷箱溫度梯度變化,冷箱微調應持續5 d后系統才會穩定恢復18人/班工作

表4 開工復產經驗比表

階段出現問題經驗備注停產熱備1)蒸發器自控閥關不嚴,冷劑依壓力衰減漫罐互竄;2)停產時間過長或夏季高溫條件下誘發的系統重烴復溫揮發無法進行回流泵遇冷;3)循環水低流速情況下設備腐蝕與水質惡化1)停產后夏季5 h內/冬季8 h內關閉所有蒸發器自控閥手閥;2)根據實際停產時間、環境溫度及系統復熱情況決定是否繼續執行熱備。(春季8 d/夏季5 d/秋季10 d/冬季15 d未開工,停止熱備);3) 切換為冷態循環藥劑,冬季避免上冷卻塔。夏季注意控制磷含量注意:經驗1)、2)運用需根據讀者所在工廠自控閥密封情況與不同環境溫度下系統復熱情況而靈活運用;停產情況下循環水濃縮倍數會產生巨大變化,需馬上投加冷態循環藥劑。夏季菌藻容易繁殖,磷含量會顯著上漲,需要嚴格控制。冬季若循環水繼續上塔冷卻會導致循環水溫度過低影響開工開工準備1)導熱油爐升溫過快導致的漏失;2)冬季短期停產前提下的儀器儀表故障;3)突發事件導致的備件、冷劑不足1)夏季執行20 ℃/h升溫,冬季執行15 ℃/h升溫;2)停產后關閉所有壓力、液位一次表,防止相變超量程損壞。同時注意儀器儀表冬防保溫工作;3)做好至少2次啟機失敗冷劑放空準備,做好皮帶、盤根等易損消耗件庫存注意:經驗1)升溫速度為傳熱公式計算得出最低升溫速率,但若讀者所在工廠處于極度寒冷地區下需慎重運用;經驗3)冷劑備用量為所研LNG工廠當前操作技能確保3次內能啟機成功前提下預設,讀者所在工廠需根據自身情況進行備料啟機過程1)機體排凝時間過短誘發的升速過程中機體振動聯鎖;2)機體干氣密封部件彈性變化導致的啟機條件不達標;3)儀器儀表在突然投用后的不穩定與故障1)依據冷劑泡點溫度決定排凝時間。(當前壓力下接近泡點溫度3 ℃以內,單點排凝1 min;超過3 ℃單點排凝3 min以上);2)啟機前調大干氣密封各級壓力與放空量,現場留人待機組穩定后調解回原始值;3)做好備品備件準備該階段只針對壓縮機啟動做經驗分享冷箱提量1)人員超勞導致聯鎖忘投;2)啟機完成后工藝系統需要一定時間與短時間內需要提量到額定配產之間的矛盾1)現場設開工復產關鍵節點提示表,相關人員操作后打鉤;2)進行冷劑組分預判,并要求化驗室開工復產過程24 h值班,冷劑為配比成功或系統未穩定前提下切勿因趕工期而提產注意:某LNG工廠在線色譜損壞后因成本原因未修,冷劑組分為手動取樣化驗

a)正常生產過程不同產量下日電耗

b)正常停產、間歇停產、短期停產下日電耗

圖3 不同階段下燃料氣日消耗圖

由圖3可以看出,正常生產時燃料氣消耗量變化較小,平均25 818 m3,正常停產與短期停產都執行了停運導熱油爐并關閉燃料氣總閥操作。所以正常停產與短期停產燃料氣平均日耗均可降為7 992 m3左右。而間歇停產時為防止導熱油爐點火器不穩定,只進行了調低爐溫設置,但燃料氣平均日耗仍達18 084 m3,能耗較大。

圖4 不同階段下BOG日閃蒸圖

由于正常生產期間BOG壓縮機處于連續運行狀態,所以在此日報表數據中顯現BOG閃蒸量為0 t,而BOG閃蒸量與罐位、儲存周期、罐溫、裝車量、潛液泵運行情況等多種因素有關。所以選取不裝車前提下不同時期罐位均為15 m時的BOG閃蒸量數據繪圖對比。由圖4可以看出(BOG日閃蒸按標準報表上報折算成LNG重量t),正常停產時因為循環水系統停運以至于BOG壓縮機停運,加上LNG儲存周期長所以閃蒸量較大,平均達12.5 t。間歇停產時由于20 d左右需每日啟BOG壓縮機1 h,且連續啟3 d為三脫系統增壓供給燃料氣,以至于閃蒸量較大,平均10.95 t左右。而短期停產時由于執行停產熱備BOG運行細則在耗電量最小前提下極大減小了BOG放空量,平均日閃蒸量僅為7.19 t。

綜上所述,根據不同階段下能耗分析對比可知,執行暫時性停產熱備細則后相比未執行前(間歇停產過程)能直接減少耗電每日8 000 kW·h、節約燃料氣10 092 m3、減少BOG閃蒸量3.76 t左右[20]。從能耗角度驗證短期停機前提下,前一階段停產熱備細則與后一階段72 h緊湊性開工復產方案的制定科學合理。下步可精細化核算短期停工前提下的儀器儀表故障率,為大修儀表換型與短期停工期間物料備品管理提供量化依據。

4 結論

1)常規開工復產方案開工準備需16 d，開機運行至正常出液又需7 d。無法滿足隨時性啟/停機要求，市場競爭力弱。

2)針對短期停機前提下制定的前一階段停產熱備細則與后一階段緊湊性開工復產方案能在72 h內恢復生產。但現場工作中應注重合理的人力資源配給，不要過分趕工期。

3)根據不同階段下能耗分析對比可知。某LNG工廠正常生產時耗電量巨大，所以產量越高產品單耗越小，盈虧轉折點在300×104m3/d左右。停產時，執行暫時性停產熱備細則后相比未執行前(間歇停產過程)能直接減少耗電每日8 000 kW·h、節約燃料氣10 092 m3、減少BOG閃蒸3.76 t左右。綜合驗證短期停工前提下的開工復產方案科學可行。