MRC液化工藝冷劑J-T閥失效原因及解決方案分析

中海石油廣東液化天然氣有限公司 花亦懷

MRC液化工藝冷劑J-T閥失效原因及解決方案分析

中海石油廣東液化天然氣有限公司 花亦懷

隨著MRC液化工藝的應(yīng)用，配套板翅式液化冷箱積液問題一直困擾著MRC板翅冷箱的用戶，文章根據(jù)中海油珠海LNG裝置的實際運行情況來分析冷箱積液及J-T閥失效的原因并提出相應(yīng)的解決方法。

天然氣 液化 LNG 工藝 失效

0 引言

MRC即混合冷劑閉式單循環(huán)制冷工藝，由于自身流程工藝簡單，設(shè)備少，占地小，投資少，維護方便，開啟便捷，適合調(diào)峰等諸多優(yōu)勢，使得MRC液化工藝在小型油氣田領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，但混合冷劑配比和液化模擬技術(shù)含量高，常涉及專利技術(shù)。

國內(nèi)目前在用的MRC液化工藝多來自于國外液化專利商，其中BLACK VEATCH的PRICO液化工藝最具代表性，應(yīng)用該工藝的有：

(1)中海油珠海天然氣液化裝置：日處理天然氣60×104m3；

(2)鄂爾多斯市星星能源天然氣液化裝置：日處理天然氣 92×104m3；

(3)蘭州燃氣集團天然氣液化裝置：日處理天然氣 30×104m3。

該液化工藝采用高效混合冷劑(甲烷、乙烯、丙烷、異戊烷和氮氣)閉式循環(huán)單級膨脹制冷，主體冷箱采用板翅式換熱器。

在已經(jīng)運行的中海油珠海天然氣液化裝置和鄂爾多斯市星星能源天然氣液化裝置中，多次出現(xiàn)裝置停車后冷箱底部積液現(xiàn)象，致使冷劑J-T閥后背壓升高，無法獲得較好的制冷效果。此種現(xiàn)象是MRC工藝板翅式冷箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)及采取下進料制冷方式帶來的典型問題，它的存在給裝置停車后的再啟動程序造成了很大困難。以下以珠海天然氣液化裝置為例，詳細分析冷箱積液及J-T閥失效的原因并提出解決方案。

1 珠海液化工藝簡介

正常工況下41 ℃、4.0 MPa的混合冷劑(甲烷，乙烯，丙烷，異戊烷和氮氣)經(jīng)冷劑壓縮機兩級壓縮后分氣液兩路從冷箱頂部進入板翅式換熱器(如圖1)，自上而下流經(jīng)換熱器并與反流的冷工質(zhì)進行傳熱交換。至冷箱底部時混合冷劑溫度降到-150 ℃，自身全部冷凝。低溫液相混合冷劑經(jīng)過冷劑J-T閥膨脹節(jié)流后，氮氣和部分甲烷發(fā)生相變，溫度降至-158 ℃。低溫低壓混合冷劑自冷箱底部自下而上流動與兩側(cè)的高溫混合冷劑和天然氣進行熱交換，重組分冷劑隨著自身溫度的升產(chǎn)生相變吸收大量的熱量。換熱后的低壓混合冷劑溫度升至常溫由冷箱頂部引出進入壓縮機入口緩沖罐。

圖1 珠海MRC天然氣液化流程示意

2 冷劑J-T閥失效特征及危害

2.1 冷劑J-T閥失效的表現(xiàn)

除由于堵塞原因造成J-T閥失效外，J-T閥的失效往往發(fā)生在裝置開車初始冷箱降溫時。當冷劑壓縮機啟動以后，壓縮機以防喘振回流為回路閉式循環(huán)運行。取消壓縮機出口與冷劑之間隔離，將高壓氣相混合冷劑引入冷箱，打開冷劑J-T閥對冷箱降溫。正常工況下，裝置負荷會隨著冷劑J-T閥的開度的增大而逐漸提升。當增大冷劑J-T閥流經(jīng)冷箱換熱器的冷劑流量不能隨之增加時，且繼續(xù)開大冷劑J-T閥，冷箱換熱器混合冷劑低壓側(cè)壓差開始逐漸上升，此時冷箱底部溫度不降反升，導(dǎo)致上部和下部的溫度逐漸趨于一致。繼續(xù)增加冷劑J-T閥開度已無明顯降溫效果。此外，壓縮機防喘振閥門并不隨著 J-T閥的增大而關(guān)小，該種現(xiàn)象即視為 J-T閥失效。

2.2 冷劑J-T閥失效現(xiàn)象的特征及危害

冷劑J-T閥失效現(xiàn)象的特征：

(1)混合冷劑低壓流道壓差過大，一般正常值在15 kPa以下；

(2)冷箱換熱器芯體各點溫度趨于一致，無明顯梯度；

(3)流經(jīng)冷箱的混合冷劑流量并不隨著冷劑 J-T閥開度的增大而增加；

(4)壓縮機運行狀態(tài)保持不變情況下，防喘振控制閥的開度并不會隨著冷劑J-T閥的開大而減??；

(5)在添加重冷劑時，壓縮機級間分離器的液位逐漸下降，即進入冷箱的重組分冷劑并未進入冷劑循環(huán)回路。

冷劑J-T閥失效現(xiàn)象的危害：

(1)冷箱積液時，冷劑J-T閥的流通能力減小，大量冷劑流經(jīng)冷劑壓縮機喘振管線打回流，無法進入冷箱，無法實現(xiàn)冷箱正常降溫；

(2)無法建立合理的溫降梯度；

(3)冷箱不能正常運行，不能產(chǎn)出LNG產(chǎn)品；

(4)液化裝置不能提負荷生產(chǎn)。

2.3 原因分析

(1)冷箱底部大量積液

為保護裝置和人員的安全，裝置設(shè)置有緊急停車系統(tǒng)(ESD)，當裝置非計劃停車時，裝置發(fā)生緊急關(guān)斷，天然氣和混合冷劑熱流體被緊急切斷，節(jié)流后的氣液兩項混合冷劑由于壓力源的切斷無法繼續(xù)向上流動，且由于熱源的中斷致使重組分冷劑無法獲得自身產(chǎn)生相變所需要的足夠熱量，因此混合冷劑的液相重組分在重力作用下回落到冷箱換熱器底部，并形成一定液位，造成冷箱底部大量積液現(xiàn)象，致使下次冷箱降溫操作時由于J-T閥后背壓過大影響節(jié)流降溫效果。

(2)冷劑壓縮機防喘振閥和J-T閥流量不匹配

離心式壓縮機為保護壓縮機避免喘振造成的機體損傷，往往設(shè)置防喘振回流管線，珠海液化裝置同樣配有兩級防喘振管線，如圖2。因此冷劑壓縮機存在兩個循環(huán)回路：一路是做有用功的冷劑膨脹節(jié)流回路；一路是做無用功的防喘振回流回路。正常情況下，當冷劑J-T閥開度增大時，防喘振管線在喘振流量控制下會逐漸關(guān)小。若冷劑節(jié)流降溫回路的阻力過大，冷劑流量會發(fā)生偏流現(xiàn)象，即過多的冷劑由壓縮機防喘振回流反流至壓縮機入口，影響冷劑J-T閥的降溫效果。

圖2 J-T閥不匹配示意

(3)冷劑J-T閥的機械堵塞

造成冷劑節(jié)流回路阻力過大的原因除了以上分析的由于冷箱積液造成的閥后背壓過大和閥門本身故障之外，冷劑J-T閥的冰堵也是一個直接原因。本工藝混合冷劑由甲烷，乙烯，丙烷，異戊烷和氮氣組成，除氮氣為公用工程PSV制氮系統(tǒng)供應(yīng)外，液態(tài)乙烯、丙烷和異戊烷均由界外提供，甲烷來自于自身原料天然氣，而原料天然氣來自于上游終端分餾單元。若上游來氣含有超標低凝點雜質(zhì)氣體如重烴類、CO2、H2S等，在冷箱降溫時就會凝固，隨著量的逐漸累積，冷劑J-T閥的阻力降會逐漸增加。

此外，冷劑J-T閥的固體雜質(zhì)堵塞同樣也會造成冷劑回路阻力降的增大，這些固體雜質(zhì)往往是裝置初期設(shè)備及管線吹掃時殘留的。

3 解決方案

以上介紹了引起冷箱積液和J-T閥不能正常工作可能的誘導(dǎo)原因，下面針對每種原因闡述一下避免或解決方法。

(1)對于裝置停車后冷箱底部的積液現(xiàn)象是板翅式冷箱該類進液方式普遍存在的一個問題，對于此類問題可按以下方式進行處理：裝置開車前，使少量天然氣流經(jīng)冷箱，冷箱底部殘存的重組分液體與天然氣進行換熱，自身閃蒸變?yōu)闅庀?，該種方法往往需要損耗一定數(shù)量天然氣，并需要花費較長時間，因為雷同于冷箱降溫操作，冷箱的復(fù)溫速度是需要進行嚴格控制，一般情況下板翅式冷箱內(nèi)部每一測溫點的溫變不大于 30 ℃/h，同一截面上的溫差不大于 28 ℃/h。在裝置長時間停車后，冷箱底部低溫重組分液體會從環(huán)境獲得閃蒸所需的熱量，該過程一般需要較長的時間，取決于冷箱外保溫性能。

(2)若裝置緊急停車后需在在短時間啟動運行，同時又不希望過多的天然氣排空，可執(zhí)行如下操作：冷劑壓縮機啟動后，在開啟冷劑J-T閥之前盡可能的提升壓縮機轉(zhuǎn)速，使壓縮機進出口獲得最大的壓比。隨著壓縮機進出口壓比的增大，冷劑 J-T閥前的壓頭逐漸增大，而其背壓則逐漸降低。同時隨著壓縮機吸入口壓力的降低，低溫重組分液態(tài)冷劑也會開始閃蒸。開啟冷劑J-T閥，首先讓輕組分冷劑(主要為氮氣，甲烷和部分乙烯)流經(jīng)節(jié)流閥將聚集在冷箱底部的重組分冷劑攜帶出冷箱換熱器，隨著重組分液體的閃蒸和攜帶，重組分冷劑逐漸進入冷劑循環(huán)系統(tǒng)，經(jīng)壓縮冷卻后重新聚集于段間分離器中，待壓縮機一級段間分離器內(nèi)液位不再上升時，冷箱積液已經(jīng)解除。然后啟動冷劑提升泵將液相冷劑引入冷箱開始正常的降溫操作。此外，也可以根據(jù)設(shè)置在冷箱液壓流道的壓差計來判斷冷箱底部積液是否消除。

(3)將冷劑壓縮機喘振控制設(shè)置為現(xiàn)場手動控制，適當?shù)木徛郎p小兩個喘振閥門來限制流經(jīng)防喘振回路的冷劑流量。在此指出：壓縮機的防喘振手動控制必須由經(jīng)驗豐富的操作人員嚴格根據(jù)防喘振控制曲線操作，該操作有致使壓縮機發(fā)生喘振而損傷機體的危險可能性，在此只作為一種解決方法提出而不推薦使用。

(4)若是機械堵塞或低凝點雜質(zhì)氣體原因造成J-T閥失效，引起冷箱積液，可以通過現(xiàn)場解體，清理固體雜質(zhì)方式解決。

(5)通過底部導(dǎo)淋管線對冷箱底部重組分液體進行適當排放或轉(zhuǎn)移，盡量排放掉密度較大的重烴組分。此種方法雖然是解決冷箱底部積液的最直接方法，但往往會造成冷劑的損失。

雖然冷箱積液造成冷劑J-T失效的現(xiàn)象在MRC液化工藝中較為常見，但如果采用適當有效的操作方式，會減少冷劑或天然氣組分的排放損失，從而減少排放造成的經(jīng)濟損失。

J-T Valve Failure Analysis of MRC Liquefaction Cryogen and Corresponding Solutions

CNOOC Guangdong LNG Co., Ltd., Guangdong Province Hua Yihuai

As long as the application of MRC liquefaction technology, there is a problem of liquid loading in aliform cooling box which always puzzle the MRC users. Therefore, we analyze the reasons of J-T valve failure according to the real operation condition in a LNG equipment of CNOOC Guangdong LNG Co., Ltd and then conclude the corresponding solutions.

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