LNG工廠氮氣壓縮機進口壓力波動分析

段 玄

（合肥燃氣集團有限公司，安徽 合肥 230075）

LNG工廠氮氣壓縮機進口壓力波動分析

段 玄

（合肥燃氣集團有限公司，安徽 合肥 230075）

LNG生產中發生氮氣壓縮機進口壓力周期性波動故障，通過對液化生產工藝的分析及氮氣物理特性分析。確定故障原因為工藝周期切換中波動造成氮氣液化引起，通過更改工藝控制方法和自動控制參數成功消除故障，確保了液化生產的安全。

液化生產工藝；氮氣壓縮機；壓力波動；氮氣溫度

1 前言

液化天然氣（LNG）作為清潔、高效的能源。越來越受到國際社會的認可，正成為全球能源市場的新熱點。同時LNG作為天然氣資源應用的一種重要形式，對經濟發展、環境保護和實現能源的可持續發展起著越來越重要的作用。目前我國的LNG液化生產工廠發展開始提速，液化生產工藝和技術也得到了快速的發展。國內主要的LNG液化生產制冷技術有階式制冷、膨脹制冷和混合制冷等。在此筆者對合肥某LNG液化工廠生產中的關鍵設備氮氣壓縮機壓力周期性波動故障原因作簡要分析與探討。

合肥某LNG生產工廠采用氮氣膨脹制冷工藝生產液化天然氣。采用氮氣循環制冷工藝較其他相比，制冷劑為氮氣，較為安全。同時擁有工藝設備造價低，開停車檢修方便等優點，尤為適合小型的場站[2]。氮膨脹制冷工藝技術的生產核心裝置之一為賽爾公司生產4BGH24型整體齒輪式壓縮機。設計進口壓力0.4Mpa，出口壓力不超過2.5Mpa。液化系統自運行以來，出現氮氣壓縮機進口壓力瞬間上升至0.43Mpa超壓現象，導致進口安全放空閥（自動放空設定值0.41Mpa）自動開啟放空，壓縮機進口壓力在0.38至0.43Mpa間波動，出口壓力隨之波動導致氮循環回路中的氮氣增壓透平膨脹機轉速壓力劇烈波動，給設備安全運行和工藝運行平穩帶來極大的危害。

2 液化工藝及設備概述

2.1液化天然氣生產采用氮氣膨脹制冷

工藝流程簡圖如圖1。

圖1　液化冷箱工藝流程圖工藝流程

原料天然氣壓力在 4.0Mpa，首先經過凈化處理，脫除CO2、硫化物、水和機械雜質后進入液化冷箱液化器，經板翅式換熱器與返流制冷劑氮氣換熱后TI0902降溫至零下15度，由液化器中部出冷箱后進入氟利昂蒸發器進行補充冷量TI0905處降溫至零下35度后再次進入液化器中部。繼續與膨脹機出口低溫氮氣換熱TI0906處降溫至零下120度液化。進入第一級LNG分離器后節流降壓至0.5Mpa，閃蒸分離后液相溫度TI0907處降至零下132度進入過冷器。在過冷器中與TI0911處零下178度氮氣換熱過冷至零下152度，進入第二級LNG分離器節流降壓至50Kpa，閃蒸分離后降溫至零下160度，形成常壓低溫LNG產品送入貯罐儲存。

液化器及過冷器冷源均為氮氣循環提供，氮氣采取密閉循環方式運行，關鍵設備由氮氣壓縮機、增壓透平膨脹機組成，如圖1：0.4Mpa氮氣經過氮氣壓縮機四級壓縮至2.2Mpa，經循環冷卻水溫度降為常溫，再經過增壓透平膨脹機加壓至3.4Mpa后再次水冷至常溫，進入低溫冷箱液化器，經氟利昂蒸發器預冷TI0904處降溫至零下30度后回液化器繼續降溫至-55度后分成兩路。一路經膨脹機膨脹端后降壓至0.4Mpa、TI0916處降溫至零下132度返流，作為低溫冷箱液化器主冷源。另一路出液化器于TI0917處降溫至零下124度，經節流閥TCV0908節流降壓至0.4Mpa、降溫至零下178度作為過冷器主冷源。出過冷器復溫至零下 134度，與膨脹機出口返流氮氣匯合，作為液化器補充冷源。在液化器中換熱復溫至常溫，反流至氮氣壓縮機進口完成循環。

2.2氮氣壓縮機設備運行工作原理

就氮膨脹制冷原理LNG液化工藝來講，氮氣壓縮機是其核心設備，氮壓機采用賽爾公司生產4BGH24型整體齒輪式壓縮機，采用四級等溫壓縮。氣體從導葉進入第一級葉輪，經高速旋轉的葉輪壓縮后提高壓力，并以較高流速進入擴壓器中，氣體在擴壓器中流速降低，壓力進一步升高后由蝸殼匯集，由排氣管送出，經水冷至常溫后，再進入下一級葉輪壓縮。如此經過4級壓縮，氮氣由0.4Mpa壓縮至2.2Mpa送出，經膨脹機及冷箱后回流至氮氣壓縮機進口，保持了氮壓機進口壓力的平衡和穩定。

3 故障現象描述及分析

在運行中氮氣密閉循環，循環量穩定在20000m3/h，各點壓力流量均平衡穩定。發現氮壓機進口壓力出現 8小時周期性波動，進口壓力無法穩定，突然升高，氮壓機進口放空閥超壓放空，排放后壓力下降，如此反復產生進口壓力波動氮氣循環流量出現18000～22000m3/h波動，膨脹機轉速亦隨之上升后又快速下降波動。造成整個氮氣循環系統工藝混亂，生產現場工藝設備管道異常震動，對液化生產關鍵大型設備氮壓機、膨脹機及液化冷箱的安全運行構成嚴重威脅。

通過氮氣循環工藝分析，氮壓機進口氮氣來源有兩路，一路是密閉循環氮氣經冷箱返流至氮壓機進口。瞬時流量穩定在20000m3/h。另一路是為補充氮壓機及膨脹機軸封和密封氣的正常氮氣損失，由空分系統提供的0.55Mpa，300m3/h的補充氮氣。當氮氣壓縮機進口壓力開始出現波動時，調閱空分系統發現其運行正常，各工藝控制點參數都穩定，壓力在0.55Mpa左右穩定運行，氮氣供給量在300～320m3/h之間，不足以造成進口壓力波動，可以排除空分系統補充氮氣造成的影響。

通過調取DCS記錄數據曲線分析，上述波動情況周期基本與凈化系統吸附塔切換周期相符，吸附塔為脫水裝置，A、B、C塔依次工作8小時切換，當出現上述波動情況時均在吸附塔卸壓過程中。分析吸附塔泄壓時工藝參數發現，卸壓時主要控制點參數變化較為明顯，尾氣排放壓力由0.4Mpa上升至0.5Mpa左右。1#LNG分離器壓力PICA0901由0.5Mpa隨之上升至0.55pa左右，進而導致1#分離器液位下降。1#LNG分離器液位調節閥LCV0902為保持其液位快速關小，幅度在20%左右。3.4Mpa高壓氮氣在過冷器節流閥TCV0908前溫度如圖2：高壓氮氣出過冷器溫度TI0912由-146度下降至-152度。由此推測上述情況是造成氮壓機進口壓力波動的原因。為此，筆者對上述工藝參數變化做如下分析；

圖2　高壓氮氣出過冷氣溫度曲線

氮氣壓力與沸點關系。經查閱氮氣物理性質發現，氮氣的壓力與沸點關系如圖3所示（參考文獻）。氮氣臨界壓力為3.39Mpa，臨界溫度為-147.05℃，1 立方米的液氮可以氣化出696立方米 21°C的純氣態氮。

表1　氮氣壓力與沸點關系表

圖3　氮氣壓力與沸點曲線

由上述氮氣物理性質分析得出氮氣在過冷器節流閥TCV0908前出現液化現象，由氣態轉變為液態，氣、液體積比接近700:1，導致TCV0908前氮氣瞬間大量液化聚集，氮氣量增加，膨脹機及氮壓機出口壓力隨之出現下降趨勢，氮氣循環量出現短暫快速增加。通過節流閥TCV0908后液態氮氣節流降壓至0.4Mpa，此壓力等級下氮氣沸點為-181.76度，液氮瞬間又大量氣化后返流至氮氣壓縮機進口。導致氮氣壓縮機進口壓力急劇增加，進口放空閥超壓保護自動開啟排放，整個氮氣管路氮氣流動平衡被打破，氮氣壓縮機進口壓力及氮氣循環量出現波動，從而造成氮氣整體循環、氮壓機、膨脹機和氮氣管線的劇烈震蕩。

4 采取的消除故障的方法

事故過程初步分析可以看出，1#LNG分離器液位調節閥LCV0902開度變小，導致液化冷箱過冷器冷量過剩，TCV0908閥前氮氣液化是造成氮氣壓縮機進口壓力波動的直接原因。在隨后生產時的又一次波動出現過程中，筆者通過人為開大、穩定LCV0902開度，使得TCV0908閥前溫度慢慢恢復到正常范圍，氮氣壓縮機的進口壓力波動很快消除后穩定。進一步印證了筆者的分析。

筆者總結分析，LCV0902開度變小是導致波動的主要原因，而根本原因則是因為吸附塔卸壓導致的1#分離器壓力控制異常，出現突然升高而影響到液位的控制。為此我們首先針對吸附塔的卸壓時間與控制要求做更進一步的合理分析，在工藝允許范圍內將吸附塔的卸壓時間由500秒延長至720秒，更加均衡的調節卸壓調節閥的開啟速度，根據卸壓時間和吸附塔壓力設定自動控制程序，逐步提高吸附塔的卸壓調節閥開度。確保卸壓對后端壓力的影響降低至最小，更加均勻平穩，泄壓時尾氣壓力控制由先前的 0.5Mpa逐步穩定在最高不超過0.45Mpa。同時在吸附塔切換階段對1#LNG分析器液位調節閥LCV0902做到自動至手動的轉換，確保過冷器熱源LNG的穩定流通，在后期的運行過程中，至今再未出現過氮氣壓縮機進口壓力波動的現象，確保了LNG生產的安全穩定。

5 總結

氮壓機作為液化生產過程中的關鍵核心設備，與膨脹機配合為生產提供著連續平穩的冷量。筆者通過及時的分析總結，成功解決了氮壓機的壓力波動問題，并及時對班組員工進行了培訓教育，確保了后期液化天然氣生產運行的安全與平穩。

[1] 顧安忠.液化天然氣技術[M].北京:機械工業出版社,2003:10.

[2] 王保慶.天然氣液化工藝技術比較分析[J].天然氣工業,2009, 29(1):111-113.

LNG plant nitrogen compressor inlet pressure fluctuation analysis

LNG production occurs in cyclical nitrogen compressor inlet pressure fault, through the production process of liquefaction analysis and physical characterization of nitrogen. Determine the cause of the handover process cycle fluctuations nitrogen liquefaction caused by changing the process control method and automatic control parameters to eliminate the fault, ensure the safety of liquefaction production.

Liquefaction production process; nitrogen compressors; pressure fluctuations; nitrogen temperature

TE64

A

1008-1151(2015)10-0045-02

2015-09-11

段玄(1988－)，男，安徽碭山人，合肥燃氣集團有限公司助理工程師，從事LNG場站管理。