三元制冷系統輕冷劑流道堵塞問題的分析與對策

趙百仁，李廣華

（中國石化 工程建設有限公司,北京 100101）

三元制冷系統輕冷劑流道堵塞問題的分析與對策

趙百仁，李廣華

（中國石化 工程建設有限公司,北京 100101）

針對乙烯裝置的三元制冷系統在運行中輕冷劑過冷和致冷流道出現堵塞的問題進行分析,提出相應的改進措施。雜物淤積和雜質凍堵是造成流道堵塞的主要原因。改進措施包括：認真清掃設備和管道,在雜質容易淤積的地方可設置備用過濾器；降低三元冷劑的雜質和丙烯物料中水的含量；設置備用冷箱；氣體配液吹掃等。還可通過調整操作參數來改善三元制冷系統的運行以彌補流道堵塞造成的致冷效果下降,如降低壓縮機吸入壓力、加大輕冷劑的用量和增加輕組分配比等。改進措施實施后,三元制冷系統的運行參數基本恢復正常,脫甲烷塔塔頂的乙烯損失降低至0.02%（x）以下。

三元制冷；輕冷劑；流道堵塞；分析與對策；乙烯裝置

國內某乙烯裝置第二輪改擴建中,新增了一臺三元制冷壓縮機。在三元制冷系統中,由甲烷、乙烯和丙烯3種組分按一定比例混合構成三元冷劑。三元冷劑經壓縮后,先由冷卻水部分冷凝,凝液作為重冷劑；未冷凝的氣相由重冷劑再部分冷凝,冷凝液作為中冷劑；剩余的未凝氣相最后由中冷劑全部冷凝,作為輕冷劑［1］。冷劑使用前先要進行過冷處理,使用完后還須進行過熱處理。這3種不同冷級的冷劑組分越來越輕,通過減壓汽化可為乙烯裝置提供所有冷級的冷量。

無論同傳統的單組分制冷還是同早一步開發的二元制冷相比,三元制冷系統在減少設備臺數、縮小場地布置和節省固定投資方面都更具優勢。但由于這是國內外三元制冷技術在乙烯裝置上的首次應用,經驗欠缺,所以從設計到操作難免還有考慮不周之處。在裝置開車以后,雖然發現大部分運行參數基本正常,但輕冷劑流道出現了阻力降逐漸升高的現象,致使甲烷中乙烯的損失增大。

本工作針對乙烯裝置的三元制冷系統輕冷劑流道堵塞,致使甲烷中乙烯的損失增大這一情況進行分析,對調整操作參數來改善三元制冷系統制冷效果的原理做簡要說明 ,相應地提出一系列解決問題的措施和設想。

1 三元制冷系統運行中出現的問題

1.1 輕冷劑流程

在三元冷劑的分凝過程中,最終獲得的輕冷劑為-99 ℃的飽和液相。-99 ℃的輕冷劑除少量用于壓縮機出口的調壓并返回6#三元冷劑激冷器輔助中冷劑冷凝氣相輕冷劑之外,大部分都要用自身的冷量過冷到-130 ℃左右。-130 ℃的輕冷劑經過節流膨脹,依次為脫甲烷塔塔頂冷凝器、前冷鏈中的5#～2#三元冷劑激冷器提供冷量,冷卻、冷凝脫甲烷塔塔頂流出物和裂解氣。到后面的兩個用戶（2#和3#激冷器）,輕冷劑的作用已與中冷劑重疊；全部汽化完畢并經適當過熱以后,輕冷劑流出冷箱,與其他氣相冷劑匯合,返回三元制冷壓縮機一段吸入罐［1］。

1.2 運行中出現的問題

三元冷劑在使用過程中,冷箱里的個別流道,主要是低于-100 ℃的深冷部分,發生壓降逐漸升高的現象,導致某些操作指標達不到設計要求。出現問題流道,一是輕冷劑的過冷流道,即全凝輕冷劑返回冷箱過冷的通道；二是過冷輕冷劑節流減壓后的致冷通道。

首次開車運行初期,輕冷劑的過冷流道未見大的異常,只是隨著運行的進行流動阻力越來越大。一個月后,下游三元冷劑反凝罐出現低液位甚至空罐,供液量明顯不足,測量流道壓降高達1.7 MPa（設計僅0.02 MPa）［1］,表明輕冷劑的過冷流道已發生嚴重堵塞。

開車過程中即發現溫度最低的兩個輕冷劑用戶（脫甲烷塔回流罐和第三進料分離罐）冷卻溫度偏高,致使前冷的氫氣甲烷分離器和脫甲烷塔分離出的低、高壓甲烷中乙烯損失增大。運行一個月左右,測量過冷輕冷劑節流減壓后的致冷流道的壓降時發現,壓降提高了近1倍。該流道增加的阻力,甚至在停車檢修升溫清理之后都沒有完全消除。后經采取加大輕冷劑用量、降低壓縮機吸入口壓力和增加冷劑中輕組分的配比等［1-2］等措施,才使運行情況有所改善。

1.3 冷劑的過冷和節流

輕冷劑的過冷流道和過冷輕冷劑節流減壓后的致冷通道的堵塞直接關系到輕冷劑的過冷和節流,對輕冷劑致冷作用有至關重要的影響。

冷劑過冷能降低其節流后的汽化率,因而可提高其利用率［3］。除此之外,與單組分冷劑在一定壓力下的沸點恒定不同,多元冷劑是幾種組分組成的混合物,通過過冷還可降低其初始汽化溫度,從而可提高換熱器的傳熱溫差,也可為工藝物流提供更低溫度級別的冷量。所以多元冷劑在使用前,常先用其他冷量甚至用自身一部分冷劑的冷量進行過冷。

三元制冷系統的輕冷劑就是用其過冷后節流獲得的部分冷量進行過冷的。在設計的組成和冷凝壓力下,輕冷劑由飽和或過冷溫度開始節流減壓,模擬計算的輕冷劑初始汽化溫度變化情況見圖1。由圖1可看出,在現有的設計條件下,若不進行過冷,輕冷劑的起始汽化溫度最低僅能降到-129 ℃。

圖1 輕冷劑節流后的初始汽化溫度Fig.1 Initial f ash temperature after the letdown of light tertiary refrigerant(LTR).▲PL design value；LP 0.067 MPa；PL 2 times of the design value,LP 0.112 MPa；PL 4 times of the design value,LP 0.202MPa；PL 8 times of the design value,LP 0.382 MPa. PL：pressure losses of passage；LP：letdown pressure of LTR.

冷劑節流壓力直接影響其節流溫度。在壓縮機入口壓力可調節余地較小的情況下,冷劑節流后的壓力將隨流道壓降的增加而增加。圖1標出了流道壓降增加后,輕冷劑節流后的初始汽化溫度上升情況。由圖1可看出,若不采取其他措施,流道壓降最大不可超過設計值的4倍,否則脫甲烷塔塔頂氣相的溫度不能降到-135 ℃以下。

2 輕冷劑流道堵塞的原因分析及對策

2.1 雜物淤積

設備或流道中的雜物,開車前沒有清洗和吹掃干凈,開車后隨物料流動,堵塞在冷箱入口的過濾網上。這種情況多發生在開車初期,經過一段時間的運行后更換過濾網或清理,流道堵塞問題可以消除。

在制冷系統長期運行當中,機械磨損所產生的粉塵和管道、設備腐蝕而出現的銹末等,也會在過濾網上或冷箱內沉積［4］。按照傳統的乙烯和丙烯單組分制冷的操作經驗,銹末等不是流道堵塞問題的關鍵因素。

2.2 雜質凍堵

2.2.1 冷劑配制與來源

乙烯裝置常用的冷劑是甲烷、乙烯和丙烯。因為它們是乙烯裝置自產的,無運輸和供應問題、方便易得及成本低廉而被采用［3］。在傳統的單組分制冷系統中,這些冷劑可提供的溫度級別分別是：甲烷-136,-142 ℃；乙烯-62,-75,-101 ℃；丙烯18,2,-23,-40 ℃。將甲烷、乙烯和丙烯這3種組分混合在一起,組成三元冷劑,能獲得從-142～18℃內的所有溫度級別。三元冷劑中各組分的含量是由乙烯裝置所需要的溫度級別及其負荷大小決定的［5］。三元冷劑中甲烷、乙烯和丙烯的摩爾比約為1∶1 ∶8,另外加少量的氫氣。

在三元冷劑所用的配料中,乙烯和丙烯來自乙烯裝置聚合級的乙烯和丙烯,液相甲烷引自脫甲烷塔回流罐罐底,氣相甲烷引自脫甲烷塔塔頂,當需要適當補充少量氫氣時則由脫甲烷塔第三級進料分離罐罐頂引入。聚合級乙烯和丙烯的產品規格（摩爾分數）分別是99.95%和99.60%,氣、液相甲烷和補充氫氣的物流組成見表1。三元冷劑的配料,乙烯、丙烯、甲烷和氫氣中都含有雜質。

2.2.2 雜質凍堵分析

在三元冷劑中,甲烷和氫氣都是在低于-127℃的低溫下得到的（見表2）,因而其中的雜質成分,如果不在某個局部區域里發生聚集,就不會出現凍堵的問題。聚合級乙烯的純度較高,凍堵的可能性不大。而丙烯未經過低溫處理,與輕冷劑的使用環境差別最大,其純度不是很高,而且在三元冷劑中丙烯的配比又占主導,所以若發生低溫凍堵,由它帶入雜質的可能性最大。

表1 甲烷和氫氣物流的組成Table 1 Compositions of methane and hydrogen streams

表2 三元冷劑配料產出條件Table 2 Operating conditions for preparing a tertiary refrigerant in ethylene separation units

從三元冷劑配料中存在的雜質種類和其允許的最大含量,歸納出可能發生凍堵的物質有：水、不飽和烴（如乙炔、甲基乙炔+丙二烯（MAPD）和丁二烯等）、CO2及醇類等,常壓下它們的純物質的凝固點大都在-100 ℃以上（見表3）。這些物質與三元冷劑配料組分的相對揮發度相比,其高低順序為：氫氣＞甲烷＞CO2＞乙烯＞乙炔＞HCl＞H2S＞丙烯＞MAPD＞丁二烯＞甲醇＞水。相對揮發度越低的組分越容易汽化進入輕冷劑中。

由表3可看出,水主要存在于丙烯中,而丙烯的貯存溫度（45 ℃）高于常溫,水含量超標不易被發現；另一方面,水的凝固點最高,且低溫下很容易跟其他物質形成水合物而析出,所以它是最有可能發生凍堵的物質之一。水的凍堵最容易發生在冷劑的過冷段,因為此處全為液相,易于水的游離和聚集。

乙炔等不飽和烴在液相冷劑中有一定的溶解度,當過冷輕冷劑節流減壓時,氫、甲烷等輕組分首先汽化,乙炔等不飽和烴就會在液相中濃縮,達到足夠的濃度便會冷凍析出,然后又隨著冷劑向前流動升溫而逐漸溶化。所以,乙炔等不飽和烴發生凍堵的位置應該在輕冷劑致冷通道的前端。另外,在-101 ℃以下,乙炔等不飽和烴還會與某些可能存在的微量氮氧化物形成膠質等,從而造成堵塞。

表3 可能發生凍堵的雜質Table 3 Potential impurities to cause freezing and blocking

凝固點較高的物質（如CO2等）,在溫度很低的情況下也可能會逐漸析出并附著在冷箱流道內［4,6］。

2.3 流動特性的影響

從流道中流體的流動特性來看,輕冷劑在全凝之前的冷卻和冷凝通道以及節流減壓之后的致冷和過熱通道中,或為氣相,或為氣液混相,流體的體積大、流速高、湍動能力強,對流道的沖刷作用強,因此固體聚結、淤積和堵塞的機會少；而輕冷劑在過冷通道中,流體的體積最小、流速慢、溫度低,易于固化物的形成和沉積,因此是三元制冷系統中最容易發生堵塞的地方。實際運行情況也證明了這一點。

2.4 改進措施

對于雜物淤積,所采取的措施是：認真清掃設備、管道、管件及儀表等,消除系統內可能存在的任何雜物；嚴格保證冷箱入口過濾器的制造和安裝符合設計要求。在雜質容易淤積的地方可考慮設置備用過濾器,以便于清理。

對于雜質凍堵,采取4項措施解決。第一,運行過程中發現凍堵,可適當降低乙烯裝置的負荷,緩慢升高三元制冷系統的溫度,增加物料的氣相流量,漸漸熔化這些凝固物,并在流道的末端排出。但三元制冷系統是一個閉路循環,有排放就得有補充,所以這一方法很難從根本上解決問題。第二,外購純度高的丙烯、乙烯和甲烷,配制雜質含量低的三元冷劑。第三,對乙烯裝置自產的冷劑配料進行處理,如用分子篩干燥使丙烯中的水含量低于1×10-6（x）［1］,至于乙炔、甲基乙炔、丙二烯、二烯烴和CO2等,可用溶劑、堿液（NaOH溶液）吸收,也可用分子篩或活性炭吸附［7］,徹底排除凍堵的隱患。第四,在關鍵的位置如輕冷劑過冷流道和脫甲烷塔頂冷凝器處,配置備用冷箱,出現堵塞及時切換并清理,但這會增加設備數量和投資。

對于由于雜物淤積和雜質凍堵兩種因素造成的堵塞,還可用氣體配液（氮氣或高壓甲烷+甲醇）吹掃的方法進行清理,該法清洗冷箱很有效［8］。

如果以上措施無法一一實現,或者流道的堵塞不能完全消除,那么設計中可考慮適當降低過冷和致冷溫度的方法來彌補；實際操作中,在設計裕量允許的范圍內,還可通過調節三元制冷系統內部的影響因素,來達到工藝物料所需的致冷要求。

3 調節操作參數改善制冷效果

3.1 降低壓縮機入口壓力

壓縮機入口壓力同冷劑的流道阻力一樣,是通過改變冷劑節流后的壓力來影響輕冷劑的節流溫度,即壓縮機入口壓力越低越好。壓縮機入口壓力是事先設定好的,且已經很低,可降幅度非常有限。實際操作中,通過提高透平轉速,使壓縮機一段吸入罐壓力由設計的0.022 MPa降至0.019 MPa［1］,即調低近2.5%,基本已達極限。

3.2 提高增加輕冷劑用量

在其他操作條件不變的情況下,增加輕冷劑的用量不會降低冷劑的初始汽化溫度。相反,若增加輕冷劑的用量引起輕冷劑中的重組分含量增加,還會使輕冷劑的致冷溫度升高。如果能保證在輕冷劑組成變化不大（如短時間內）的前提下增加其用量,因冷劑流體湍動程度的增加和出口溫度的下降,使輕冷劑節流后的前端用戶的傳熱系數和平均溫差增大,可在一定程度上促進冷熱流體的換熱。增加輕冷劑的用量會受到冷劑初始汽化溫度和設備設計裕量的制約,其對制冷效果的改善有限。對于后續的用戶,由于冷負荷過剩往往導致過冷,且越往后過冷的程度越高（如脫甲烷塔第二和第一進料分離罐）［1］。

由設計可知,中冷劑有近一半的致冷負荷與輕冷劑重疊,輕冷劑用量增加后,原有中冷劑的部分負荷被輕冷劑替代,中冷劑用量相應減少。正常操作下,中冷劑和輕冷劑的設計用量都約為22 t/ h,其中,輕冷劑中繼續過冷的部分為19 t/h以上,所以過冷輕冷劑的用量最大不應超過30 t/h。

輕冷劑制冷負荷～溫度曲線見圖2。由圖2可見,增加過冷輕冷劑的流量至30 t/h時,與正常操作相比,輕冷劑在前端兩用戶入口的溫度升高,對傳熱不利；后端用戶被過度冷卻,則沒必要。所以,長時間單純增加輕冷劑的用量并不可取。

圖2 輕冷劑制冷負荷～溫度曲線Fig.2 Refrigerating duty of LTR vs. temperature.Normal operation；Flow rate of LTR 30 t/h；Methane content in the tertiary refrigerant 16%(x)

3.3 提高冷劑中輕組分的含量

甲烷的摩爾組成由設計的9%提高到16%（重組分丙烯的配比相應減?。r的輕冷劑制冷負荷～溫度曲線見圖2。由圖2可見,改變冷劑配比,使冷劑中輕組分的含量增加,則輕冷劑節流后的汽化溫度會明顯下降。甲烷的摩爾組成提高到16%,且重、中、輕3種冷劑的分凝比例不變,最終分凝出的輕冷劑中重組分的比例減小,輕組分的比例增大,汽化溫度降低,這對輕冷劑全部用戶的致冷都有利。

不過,鑒于其他因素的制約,提高冷劑中輕組分的含量這一操作很難獨立執行。因輕冷劑組分變輕后,其冷凝溫度下降,壓縮機出口的壓力也需要相應地提高。如壓縮機出口壓力由設計的2.89 MPa最大限度地提高到3.10 MPa［9］,夏天由于冷卻水溫度升高對重冷劑的分凝不足,氣相量增加,經常導致下游中冷劑收集罐液位偏高,最后冷凝下的輕冷劑量也會增加。由此可見,受壓縮機的出口壓力和能夠提供的冷凝溫度限制的影響,增加冷劑中輕組分的含量和增加輕冷劑的用量經常是相關的。單就其初始汽化溫度而言,輕冷劑用量的增加和組分的變輕,它們的作用截然不同,因此兩者還有最佳匹配的問題,需要根據現場操作情況的不同進行摸索和選擇,并及時做出適當地調整。

4 改進后的運行結果

乙烯裝置停車檢修期間,重新對三元制冷系統進行了倒空、吹掃和干燥,清理冷箱入口的過濾網,并在丙烯補充線上增加了一臺小型干燥器。重新開車以后,輕冷劑過冷流道流動狀況明顯好轉,只是節流流道的壓差仍然有些偏高,不過通過適當增加三元冷劑中輕組分的配比和輕冷劑的用量,相關的溫度指標已基本接近設計值,可保證乙烯的損失不超標,尤其是高壓甲烷,即脫甲烷塔塔頂的乙烯損失甚至降低到0.02%（x）以下,遠低于設計值0.17%（x）［1］。這說明所采取的清淤、防堵和改善致冷的措施是有效的。

5 結論

1）乙烯裝置的三元制制冷系統在運行中出現輕冷劑流道堵塞的問題。造成這一問題的主要原因是雜物淤積和雜質凍堵,特別是丙烯物料所帶入的少量水在過冷段的冷凍。

2）通過對三元冷劑配料組分的嚴格凈化和對系統設備、流道等的定期清理,可以解決流道堵塞的問題。

3）在流道堵塞沒有完全克服之前,可以通過調節三元制冷系統的操作變量,使致冷效果得以改善。

4）隨著對流道堵塞產生機理的深入認識和問題的逐步解決,可保障三元制冷系統在現有乙烯裝置中的平穩運行,并對三元制冷系統在新裝置中的推廣應用產生積極的促進作用。

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（編輯 李治泉）

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Analysis and Solution of Blocking of Light Tertiary Refrigerant Flow Passages in Tertiary Refrigeration System

Zhao Bairen,Li Guanghua
（SINOPEC Engineering Incorporation,Beijing 100101,China）

The freezing and blocking encountered in the f ow passages of light tertiary refrigerant (LTR) in the tertiary refrigeration system of an ethylene plant were analyzed, and corresponding solutions were proposed. Solid dirt and some impurities in the mixed refrigerant were the leading causes of the blocking and freezing. The solutions include strictly purging equipments and pipelines, setting spare f lters at the position that the dirt easily f ll up, reducing impurity content in the tertiary refrigerant (such as H2O in propylene stream), adding spare cold-boxes, and sweeping with nitrogen or the mixture of methane and methanol. The refrigeration effect could also be improved by adjusting operating parameters, namely reducing the pressure at compressor inlet, and increasing the f ow rate of LTR and lighter component contents in the tertiary refrigerant. The tertiary refrigeration system could run normally by using the measures, and ethylene loss in the overhead stream of demethanizer could be decreased to less than 0.02%(x).

tertiary refrigeration；light tertiary refrigerant；f ow passage blocking；analysis and solution；ethylene plant

1000 - 8144（2014）08 - 0948 - 06

TQ 203.8

A

2014 - 03 - 14；［修改稿日期］ 2014 - 05 - 08。

趙百仁（1967—）,男,山東省諸城市人,碩士,高級工程師,電話 010 - 8487 6856,電郵 zhaobr@sei.com.cn。