淺談小型LNG處理裝置冷箱凍堵原因及解決方法

林燕 翟素燕

摘要：冷箱凍堵是小型 LNG 處理裝置在生產運行中較為常見的故障，根據凍堵位置可分為原料氣側凍堵和冷劑側凍堵，根據凍堵介質又可分為冰堵、碳堵、烴堵、油堵。本文對小型 LNG 處理裝置冷箱凍堵的類型和表現形式加以總結說明，并根據凍堵類型給出原因分析及處理方法。

關鍵詞：LNG；冷箱；凍堵；處理方法

1 概述

習總書記指出：“發展清潔能源，是改善能源結構、保障能源安全、推進生態文明建設的重要任務。”隨著我國對清潔能源需求量的不斷增大，在油氣田開發歷史中不受關注的邊遠零散小井的利用逐漸受到重視。對于零散小井資源利用的最佳方案就是小型 LNG 處理裝置就地液化回收[1]，這種回收方案有著投資少、裝置靈活、可重復利用等諸多優點，所以被廣泛采用。

冷箱是小型 LNG 處理裝置的核心設備之一，而冷箱凍堵則是生產運行過程中常發生的故障，一旦發生凍堵，裝置就會減產、停產， 而且嚴重威脅裝置安全。

2 凍堵的類型及表現形式

2.1 冷箱原料氣側凍堵

2.1.1 冷箱原料氣側冰堵

冷箱冰堵的原因是原料氣中存在游離態水。游離態水一般是因原料氣進入冷箱前干燥不徹底而存留下來，并且原料氣中分子態水在一定的溫度和壓力條件下會析出，成為游離態。游離態水可以與天然氣中的某些低分子量的烴類或非烴類氣體分子結合形成氣體水合物，從而減小管路的流通截面積、增加管路壓降，嚴重時堵塞管道，生產被迫中斷。

當冷箱原料氣側冰堵發生時，主要表現形式為：干燥氣露點不合格，高溫位壓差突然變大，純氣流量變小，液化量變小等。

2.1.2 冷箱原料氣側烴堵

冷箱烴堵的原因是原料氣中含有 C5+重烴。重烴類物質隨著液化溫度的不斷降低，首先以液態的形式析出，冷箱流道中介質流速變慢， 溫度繼續降低，重烴類物質會結晶成固態晶體，徹底堵塞冷箱流道， 生產中斷。

當冷箱原料氣側烴堵發生時，主要表現形式為：脫重烴罐液位增加，高溫位流程段壓差變大，冷劑的制冷溫度和產品 LNG 的冷端溫差變大，產品段 LNG 流量減少。

2.1.3 冷箱原料氣側碳堵

冷箱碳堵的原因是原料氣中含有二氧化碳氣體。二氧化碳在低溫下會與液態水形成固態的二氧化碳水合物，同時純凈的二氧化碳隨著

液化溫度的降低，也會形成固態的干冰，堵塞冷箱流道，生產中斷。LNG 液化工廠對原料氣中 CO2 在的含量一般控制在 50ppm，小型撬裝液化裝置可以放寬到 100ppm。

當冷箱原料氣側碳堵發時，主要表現形式為：原料氣二氧化碳檢測含量超標，中溫位流程段壓差變大，純氣流量減少，液化量減少。

2.2 冷箱冷劑側凍堵

2.2.1 冷箱冷劑側冰堵

冷箱冷劑側冰堵的原因是冷劑中含有水。冷劑中含水的情況較少發生，一般因為購買了不合格的冷劑，導致冷劑中水含量超標造成的， 也有冷劑循環管道部分連接處在停機零壓狀態下滲入水的情況。如果冷劑中含水，在冷劑循環管道中就會形成冰掛壁，減小流道截面積， 甚至堵塞冷劑流道。

當冷箱冷劑側碳堵發時，主要表現形式為：中溫冷劑分離罐與節流閥前壓差增大，高溫位反流冷劑壓差增大，冷劑循環量減少，冷劑分離罐液位升高。

2.2.2 冷箱冷劑側油堵

冷箱冷劑側油堵的原因是冷劑中含有大量的潤滑油。冷箱冷劑油堵一般發生在螺桿式壓縮機冷劑壓縮系統，在該系統中，壓縮時壓縮氣體與潤滑油一同進入油氣分離器，在經過 2-3 次油氣分離后，絕大部分潤滑油與壓縮氣體分離開來，潤滑油回至壓縮機組，壓縮氣體進入冷箱。但是油氣分離器溫度過低，內部結構損壞等原因會導致大量的潤滑油隨壓縮氣體進入冷箱，隨著液化溫度的降低，潤滑油逐漸粘稠，導致冷劑側流通不暢，甚至完全堵塞冷劑流道。

當冷箱冷劑側碳堵發時，主要表現形式為：預冷段溫度升高至-10

℃以上，預冷段壓差增大，冷劑側中溫位溫度升高，預冷冷劑分離罐液位升高。

3 凍堵原因分析及處理方法

3.1 冷箱原料氣側冰堵

3.1.1 原因分析

天然氣會與其中所帶的液體或水形成固體化合物，脫水能保證天然氣在深冷的條件下裝置能正常運行。常見的脫水的方法有冷卻法、化學反應法、溶劑吸收法、固體吸附法、膜分離法等[2]。小型 LNG 處理裝置一般采用干燥系統（分子篩吸附脫水）對原料天然氣進行脫水， 可使得天然氣的水露點降至-70℃以下，含水量降至0.1×10-6～10× 10-6。冷箱原料氣側冰堵的原因是原料天然氣水露點不合格。

（1） 干燥系統再生塔再生不完全

無論是等壓再生干燥系統還是減壓再生干燥系統，只要再生塔再生不完全即轉為吸收塔使用，就會導致分子篩整體水容量降低，原料天然氣脫水不完全，水露點不合格。

再生溫度低，再生時間不夠，再生氣流量過大或過小均能導致再生塔再生不完全。

當再生壓力降低時，飽和蒸汽壓也降低，分子篩床層中吸附的水汽容易被汽化，再生時間可以縮短，再生效果可以提高。因此，盡可能采用低壓再生。

（2） 分子篩失效

干燥系統運行時，充壓、泄壓速度太快，升溫、降溫速度過快， 分子篩質量不合格等因素均會造成分子篩碎裂，分子篩失效。

脫酸系統參數控制紊亂，大量的 MDEA 溶液進入干燥系統，會導致分子篩中毒失效。

（3） 再生氣竄氣

脫水單元的均壓閥門和底部手動切換閥內漏，飽和含水的再生氣竄到干氣流道中，進入冷箱。

（4） 干燥系統自控邏輯錯誤

干燥系統自控邏輯錯誤，吸附、再生等時間控制錯亂，導致再生塔再生不完全。

3.1.2 處理方法

（1） 解凍、解堵

首先開大天然氣冷箱閥位，50%～100%用大氣量放空，將未凍堵完全的通道沖開，若壓差減小，證明有效。

若壓差繼續增大，表示冷箱流道已完全堵死，須調整參數，對冷箱通道做升溫處理，化解凍堵，在升溫的同時重復大氣量放空操作， 如壓差減小，證明有效。如若壓差持續增大，則需停運冷劑壓縮機， 對冷箱徹底復溫，待冷箱溫度升至 0℃以上，大氣量放空操作，解除凍堵。

（2） 預防措施

重點關注冷箱天然氣進口壓力與節流閥閥前壓力差，若壓差≧ 0.2MPa，且持續升高，應意識到存在冷箱凍堵的趨勢，及時排查原因并做處理。

保持淺冷溫度在-25℃～-50℃之間，這樣可預防冰堵發生在通道的中冷、深冷工段，如有冰堵即發生在淺冷工段，處理時間較短，影響較小。

按規程操作切塔作業，切塔作業是導致分子篩機械強度降低和粉化的一個主要因素，在切換時要緩慢地升壓和降壓。

避免大量烴類、MDEA 溶液、雜志進入分子篩，這些物質都會導致分子篩中毒失活，影響脫水效果。

3.2 冷箱原料氣側烴堵

3.2.1 原因分析

原料天然氣氣中含有 C5+重烴。重烴類物質隨著液化溫度的不斷降低，首先以液態的形式析出，冷箱流道中介質流速變慢，溫度繼續降低，重烴類物質會結晶成固態晶體，徹底堵塞冷箱流道。常見的脫烴方法有淺冷脫除法（適用于富氣）、冷箱級間分離脫除法、變溫吸附（TSA）法等[3]。小型 LNG 處理裝置一般采用冷箱級間分離脫除法對原料天然氣進行脫烴。

（1） 重烴脫除流程參數不穩定

重烴脫除流程參數不穩定，若脫重烴罐前溫度過低則會造成重烴提前液化，堵塞淺冷工段冷箱通道，若溫度過高，則會造成部分重烴以氣態形式進入深冷工段。系統壓力不穩時，也會造成重烴分離罐脫烴不徹底。

（2） 重烴脫除流程不合理

在重烴脫除流程中只設置一個重烴分離器，不設置重烴洗滌塔。或者重烴脫除工段流程過短。

3.2.2 處理方法

（1） 解凍、解堵

冷箱原料氣側烴堵的解凍、解堵方法與冰堵的解凍、解堵方法類似，唯一不同的是冷箱復溫操作溫度可適當降低至-30℃，不必復溫至 0℃。

（2） 預防措施

根據井口氣組分，選取科學合理的脫烴流程，如重烴洗滌法、低溫冷脫法、固體吸附法等。

重點關注重烴分離罐或者重烴洗滌塔的液位，防止液位過高，將重烴帶至下游。

根據操作規程嚴格控制工藝參數，包括系統壓力、各工段溫位， 保證脫烴系統有效運行。

3.3 冷箱原料氣側碳堵

3.3.1 原因分析

冷箱碳堵的原因是原料氣中二氧化碳氣體含量超標，超標的二氧化碳氣體在低溫狀態下形成二氧化碳水合物和固態干冰，堵塞冷箱流道。常見的脫酸方法有三種，即醇胺法、熱鉀堿法，砜胺法[4]。小型LNG 處理裝置采用醇胺法的居多，因為醇胺法有著工藝成熟、投資較少、操作簡單等優點。

（1） MDEA 溶液濃度不合理

MDEA 溶液濃度一般控制在 45%～55%之間。按理說 MDEA 液濃度越高，其吸收能力越強，循環量越小，但由于溶液粘度高，溶液濃度過高輸送不易，且分布性能差；并且二氧化碳溶解于水是吸收反應速度控制的主要過程。所以溶液濃度過高反而影響吸收效率，故控制吸收液濃度在 45～55%。

（2） 脫酸系統工藝參數不穩定

脫酸系統重點工藝參數包括再生塔塔頂溫度、再生塔塔底溫度、再生塔塔頂壓力、再生塔液位、貧液泵出口流量、貧液儲罐溫度等， 這些參數如果不穩定均會影響再生塔的富液再生效果，繼而影響系統脫酸效果。

（3） MDEA 溶液發泡

溶液中混入某些有機雜質降低了溶液的表面張力，使氣體容易進入液體表面而形成氣泡，溶液中的某些雜質增加了氣泡的穩定性，就引起了 MDEA溶液發泡，發泡會極大的影響系統脫酸效果[5]。

（4） MDEA 溶液失效

原料天然氣中帶有的油污、鐵銹、重烴等，都會使 MDEA 溶液受污染，降解失效。

3.3.2 處理方法

（1） 解凍、解堵

冷箱原料氣側碳堵的解凍、解堵方法與冰堵的解凍、解堵方法類似，唯一不同的是冷箱復溫操作溫度可適當降低至-50℃，不必復溫至 0℃。

（2） 預防措施

保證 MDEA 溶液濃度在 45%～55%范圍內，定期抽樣化驗，如發現濃度偏離及時調整配比。

嚴格按照操作規程控制脫酸系統參數，保證系統的再生效果和脫酸效果。

及時清洗原料氣流程前段除砂器、過濾器，保證進入脫酸系統氣體的純凈，采用純凈水配比 MDEA 溶液，嚴格控制 MDEA 溶液的發泡和失效現象。

3.4 冷箱冷劑側冰堵

3.4.1 原因分析

冷箱冷劑側冰堵的原因是采用的混合冷劑中水含量超標。

混合冷劑較多采用的甲烷、氮氣、乙烯、丙烷、異丁烷、異戊烷等均為純凈類物質，因此冷劑中含水的情況較少發生，但有時采購了不合格批次的冷劑，就會造成混合冷劑中含水。

混合冷劑循環系統在停機零壓狀態下，在其管件連接處、水換熱設備處也均有可能發生滲水現象。

3.4.2 處理方法

（1） 解凍、解堵

冷箱冷劑側冰堵的發生后必須徹底停機復溫，將冷箱復溫至 0℃以上，再采用干燥氣大氣量吹掃冷劑側通道，排放出系統中不合格的冷劑。

（2） 預防措施

購買正規廠家的冷劑。

冷劑添加進入系統前外掛干燥系統。

冷劑循環系統停機時保持微正壓，防止濕潮空氣侵入。

冷劑循環系統水換熱處連接緊密，無漏點，冷劑循環系統微正壓時水循環系統應處于零壓狀態。

3.5 冷箱冷劑側油堵

3.5.1 原因分析

冷箱冷劑側油堵的原因是冷劑中含有大量的潤滑油。冷箱冷劑油堵一般發生在螺桿式壓縮機冷劑壓縮系統[6]。

（1） 油氣分離器不匹配

油氣分離器設計分離容量過小，加熱器功率過小，油氣分離不徹底。

（2） 油氣分離器損壞、回油管路堵塞

油氣分離器內部結構損壞，包括折流板等，導致油氣分離效果差。回油管路堵塞，造成積壓的油過多，部分潤滑油經氣路進入冷箱。

（3） 系統壓力過低

系統壓力控制過低，分離器內的離心力小于工作要求，油氣分離效果差。

（4） 冷劑循環系統工藝參數不穩定

冷劑循環系統工藝參數不穩定，冷箱換熱不充分，壓縮機回氣溫度過低，導致壓縮后進入油氣分離器的油氣混合物溫度過低，油氣分離不徹底。

3.5.2 處理方法

（1） 解凍、解堵

冷箱冷劑側油堵后，須停壓縮機，將冷箱溫度復溫至-20℃以上， 從冷劑循環系統低點排污口將潤滑油和冷劑的混合物徹底排放干凈， 再用干燥氣大氣量吹掃冷劑側通道，直至通常。

（2） 預防措施

選取正規廠家設計生產的冷劑壓縮循環系統，不可未經設計單位許可私自更改、更換循環系統設備流程。正確安裝冷劑壓縮循環系統的管路，包括氣路、油路、油氣混合路，盡量避免油路爬坡、兩相流湍流等情況發生。

嚴格按照操作規程控制冷劑循環系統工藝參數，保證油氣分離效果，避免潤滑油進入冷箱。

定期檢查各級油氣分離器及其回油管線，保證設備及管線良好在用。

4 結論

小型 LNG 處理裝置回收方案是目前在油氣田開發中對零散小井資源就地回收的最佳方案，符合國家產業政策導向，隨著我國對清潔能源 需求量的不斷增大，該回收方案將會在更多的區域得到應用和發展。

本文就小型 LNG 處理裝置冷箱凍堵的類型進行了分類，對不同位置、不同介質凍堵的表現形式加以描述。根據凍堵的類型，給出了詳細的原因分析、正確處理方法和預防措施。對于該領域從業者處理冷箱凍堵故障有一定的指導意義。

參考文獻：

[1] 付道明，孫軍，賀志剛.天然氣預處理和液化工藝技術的研究進展[M].石油與天然氣化工，2014：240-244，300-316

[2] 陳賡良.LNG原料氣的預處理[M].天然氣與石油.2010：33-37，63-67

[3] 李朋，鄧靜.LNG輕烴分離流程的優化研究[J].新疆石油天然氣，2010，6（3）：78