LNG裝置用冷劑離心壓縮機組開車簡介

趙志玲，隋 健，張 鵬

（沈陽鼓風機集團股份有限公司，遼寧 沈陽 110869）

0 引言

天然氣作為清潔能源，目前已經廣泛應用于全國各行各業，在我國能源中所占比例越來越高，天然氣消費量的增長必然促進LNG 工業的發展[1]，冷劑離心壓縮機組是LNG 裝置液化單元的核心動設備,擔負著為天然氣液化提供冷量的重任，在LNG 裝置投產前，必須攻克的關口就冷劑離心壓縮機組的開車，在LNG 壓縮機開車階段，冷劑是通過補氣口逐漸加入的，這就形成了冷劑壓縮機組開車時介質組份時時變化的特點，也是造成冷劑壓縮機組開車難的主要原因。本文著重闡述采用單混和冷劑液化工藝的LNG 冷劑離心壓縮機組的開車。

1 流程簡介

在LNG 工藝流程中，可以分為凈化單元、液化單元、儲運單元以及BOG 回收系統、火炬系統等。冷劑壓縮機組位于液化單元，負責壓縮一定流量的混合冷劑到流程需要的壓力，通過調節，再為流程提供冷量。混合冷劑的成份由甲烷、乙烯、丙烷、異戊烷和氮氣按一定的比例混合而成。根據液化工藝需求，壓縮機的入口壓力0.3MPa（A），入口溫度33℃，出口壓力3.2 MPa（A），流量97000Nm3/h（采用不同的液化工藝，壓縮機的設計條件也不相同，這里只選取一個代表來進行闡述）。壓縮機采用水平剖分結構 （詳見圖1），分2 段6 級壓縮，兩段葉輪背靠背布置（見圖1）。壓縮機組采用變頻電機驅動，變速箱增速。

圖1 壓縮機剖面圖

在流程中，壓縮機一段入口設有進口分離器，段間設有段間分離器和段間冷卻器，壓縮機最終出口設有出口冷卻器和出口分離器。系統中設有兩路防喘振，低壓段的防喘振管線從壓縮機段間分離器出口引至壓縮機一段入口分離器。高壓段的防喘振管線由壓縮機最終出口分離器引至壓縮機段間入口分離器。同時在一段入口分離器設有冷劑五種組份各自的補氣口（流程簡圖詳見圖2）。

在正常的制冷循環中，冷劑進入壓縮機進行一段壓縮，一段壓縮后的冷劑進入段間冷卻器，被冷卻到36℃后再進入段間分離器，分離器將冷凝下來的液態冷劑分離出來，氣態冷劑進入壓縮機二段繼續升壓，段間分離器分離出來的液態冷劑通過烴泵打到壓縮機最終出口冷卻器前，與經過二段壓縮的氣態冷劑一起進入出口冷卻器、出口分離器進行冷卻、分離，氣態冷劑和液態冷分別進入管網系統（見圖2），通過JT 閥等調節手段，為流程提供冷量。

圖2 冷劑壓縮機組典型流程簡圖

2 現場冷劑投料前準備

2.1 吹掃階段

為了將系統中的雜質吹掃干凈，通常會通過壓縮機組壓縮氮氣或空氣到流程中來實現。吹掃工況在壓縮機設計階段是不作為考核工況的，需要根據已經選型設計好的壓縮機來對吹掃工況進行核算，來確定吹掃工況的參數，通常轉速選定在滿足壓縮機組一階臨界轉速隔離裕度要求的最低轉速即可，對于本文的兩段壓縮的壓縮機來講，吹掃工況通常表現為二段壓縮段無法完成一段壓縮段過來的全流量，這樣需要在吹掃階段控制一段防喘振閥門的開度，不可全部關閉，來保證二段無法吸入的流量通過防喘振閥打回到壓縮機一段入口分離器。

2.2 置換、干燥階段

吹掃階段完成后，進入置換、干燥階段，使用的介質通常為氮氣，為滿足冷劑系統的露點要求，氮氣置換盡量進行徹底。置換后檢測露點溫度，露點溫度滿足系統要求后，置換、干燥工作完成。此階段一般不用啟動壓縮機組，滿足流程要求后再進入后續充壓階段。

2.3 實氣置換、充壓階段

冷劑系統投料試車前，用甲烷或乙烯置換出氮氣（置換時放空至火炬），并對系統進行充壓。此冷劑系統采用的是用甲烷置換。

2.4 冷劑填充階段

啟動壓縮機組前，對冷劑系統內填充的冷劑可以是單一冷劑組分，也可以是混合冷劑組分，原則是請壓縮機設計工程師進行初步估算，在壓縮機低轉速 （避開一階臨界轉速） 時，計算出對應系統實際填充介質的工況參數。冷劑壓縮機須要帶壓啟動，機內壓力要高于火炬線壓力，否則一級密封上下游可能會形成負壓差，啟動后會損壞干氣密封。但初始填充壓力過高，又會使啟動的靜摩擦力矩過大，造成啟動困難。一般初始填充壓力以0.3～0.7MPa（G）為宜。

這套冷劑壓縮機的一階臨界轉速在2700RPM 左右，轉速初始填充冷劑選擇的是100%乙烯，經過計算，確定首次啟動的最低轉速設置在5200RPM，初始填充壓力為0.3MPa（G）左右，壓縮機一段入口的流量為40000Nm3/h左右，二段入口流量27000Nm3/h 左右。

3 現場冷劑開車

3.1 變頻啟動速率設定

對于變頻電機驅動的冷劑壓縮機組，可以直接升速到冷劑填充介質工況的最低工作轉速，在變頻升速速率設置中可以設置兩種速率，第一種是快速沖過一階臨界轉速隔離裕度的升速速率，另外一種是隔離裕度外的升速速率。這個工作由變頻器專業工程師根據機組啟動負荷的大小來設定，需要避免啟動過程出現主電超電流的現象。

3.2 建立小循環

關閉冷劑系統中的相關閥門，打開壓縮機組的防喘振閥，建立冷劑在壓縮機組自身小系統內的循環。小循環是通過壓縮機兩段出口分別設置的向各段入口打回流的防喘振閥來實現的，通過調節防喘振閥的開度，來實現壓縮機出口壓力的調節。建立小循環的目的是縮短壓縮機組的調節時間，發現問題及時處理，這樣也能減少冷劑的初期投入，因為冷劑是按需求購買的，避免造成浪費。

根據預先計算的冷劑開車工況，將壓縮機組升速到計算的轉速5200RPM，運行10 分鐘，觀察個監測點是否正常。如各參數穩定，則通過主電機變頻器提升壓縮機轉速，每次提升100-200RPM，穩定一段時間，如無異常，直至冷劑壓縮機轉速提升至7500RPM 左右，壓縮機出口壓力約15MPa（G），完成冷劑壓縮機組小循環的建立。

升速過程中壓縮機壓縮氣體的能力也在提升，應及時調節入口流量，可通過補充冷劑方式來實現。應該注意的是，冷劑的補充是交替進行的，根據在線色譜所分析的數據，各種冷劑應該按一定的比例關系逐漸加入，目標是使分子量由輕變重，并接近設計工況的冷劑組成。

在小循環建立的過程中，實際運行工況與設計工況會有較大差別，在壓縮機加載和補充冷劑時，應密切注意壓縮機入口溫度、出口溫度、防喘狀態、軸承溫度、軸承振動、主電機電流等參數。如果在填充冷劑期間發生壓縮機組跳車，則應立即停止冷劑的填充操作。

3.3 建立冷箱冷劑大循環

當壓縮機組小循環運轉平穩后，可以開始建立冷箱冷劑的大循環。在建立冷劑大循環操作中，主要是通過控制冷劑JT 閥開度，進行冷箱的溫度調節，需要小開度緩慢進行，同時根據冷劑壓縮機的防喘振狀態，對比現場參數緩慢關小壓縮機防喘振閥，提高壓縮機的冷劑處理能力。這個過程是對整個液化單元的綜合調節，壓縮機提速、冷劑補充、防喘振閥調節、JT 閥調節同步進行，應避免由于操作幅度過大而引起的機組和系統的不穩定，操作期間要盡量接近裝置的設計條件 （流量控制、冷劑組成比例、溫度、能耗、壓縮機出口壓力）。

4 結束語

LNG 冷劑壓縮機組開車有其自身的特點，需要充分了解壓縮機的特性[2]，再結合整個LNG 工藝流程來確定冷劑壓縮機的開車方案和開車過程中的具體操作流程。從而確保LNG 裝置的順利投運。

[1] 林文勝，顧安忠，朱剛.天然氣液化裝置的流程選擇[J].真空與低溫，2001，2.

[2] 葛麗玲，康建興，劉洋.尿素裝置二氧化碳壓縮機開車簡介[J].化工設計通訊，2013，6.