浅谈LNG制液化天然气装置质量控制与能耗改善

浅谈LNG制液化天然气装置质量控制与能耗改善

李康;刘杰;张运生

山东钢铁集团日照分公司   山东 日照  276800

摘要：山东钢铁集团日照分公司采用了“混合冷剂+氮气循环”的闭路制冷循环，冷剂经压缩、部分冷凝、冷却、膨胀，然后被加热从而向液化天然气提供冷量。通过采取增加中压氮气在液化总制冷量当中的占比、优化脱氢塔冷凝器运行工况、优化脱氮塔冷凝器运行工况、增加脱氮塔再沸器的热源实现产品质量提高，并采取低能耗控制措施，达到设备高效运行的目的。

关键词：液化混合冷剂;质量控制；节能操作  

0 引言

LNG作为一种优质、高效的清洁能源，对改善城市空气质量，节能减排具有重大意义。近年来LNG项目发展迅速。从2017年起，山东钢铁日照公司焦化厂LNG生产装置投产已运行六年，目前运行状况良好，现将日常操作中的经验进行总结。

1 闭路制冷循环工艺

我公司工艺采用了“混合冷剂+氮气循环”的闭路制冷循环，冷剂经压缩、部分冷凝、冷却、膨胀，然后被加热从而向液化天然气提供冷量。
1.1 混合制冷剂循环闭路制冷循环

本混合制冷剂循环液化天然气流程包括两部分：混合制冷循环和天然气液化回路。混合制冷剂循环指混合制冷剂经过制冷剂循环压缩机压缩升压，经冷却后进入气液分离器进行气液分离。       
混合制冷剂组分由甲烷、乙烯、氮气、丙烷、异戊烷组成。根据混合制冷剂的特性及冷热物流曲线可知，在-162℃-140℃范围内，若换热器的冷、热物流曲线间距较远，说明混合制冷剂内氮气组分多，需减少处理。若冷、热物流曲线相互交叉或者接近，说明氮气组分较少，需加之。根据上述原理，在不同的温度范围内，及时调节制冷剂组分配比，提高混合制冷剂效果。在-140℃-80℃之间，需要调节甲烷组分，在-80℃-35℃之间，调节乙烯组分，在-35℃-0℃范围，调节丙烷组分，在0℃-40℃之间，调节异戊烷组分，与此同时，还需调节混合制冷剂的蒸发压力，以便更好换热。

在混合制冷剂液化流程的换热器中，主要是依靠混合冷剂中的混合工质在不同的温度点的相变来提供天然气液化的冷量。第一级预冷段的冷量来自于主要成分为丙烷和异戊烷及少量乙烯与微量甲烷组成的第一级混合工质作为预冷冷剂；高压冷剂液体在液化换热器中过冷节流减压降温至-50℃左右后，作为冷源返回到液化冷箱的返流通道。第二级液化段的冷量来自于主要成分为乙烯和甲烷及少量丙烷与微量异戊烷组成的第二级混合工质作为液化冷剂，节流减压降温至-113℃；第三级过冷段的冷量来自于主要成分为氮气和甲烷及少量乙烯与微量丙烷、异戊烷组成的第三级混合工质作为过冷冷剂，过冷冷剂作为高压冷剂液体在液化换热器中过冷到-165℃左右，作为冷源返回到液化冷箱的返流通道。在各级换热器中提供冷量的混合工质的液体蒸发温度随组分的不同而不同，在换热器内的热交换过程是个变温过程，通过合理选择制冷剂的配比，可使冷热流体间的换热温差保持比较低的水平，同时能使换热效率最佳。
1.2 氮气冷剂循环闭路制冷循环

低压氮气经由氮气压缩机压缩、冷却后，温度压力分别为30℃、2.0MPaG，然后进入液化换热器中，在液化换热器内冷却、液化、过冷至-162℃，再进入过冷器冷却至-178℃，出过冷器后分为两路，一路节流减压，温度压力分别为-182.5℃、0.28MPAG，然后进入脱氢精馏塔冷凝器提供冷量后被汽化，出冷凝器；另一路节流降压后，温度压力分别为-182.5℃、0.28MPAG，进入脱氮精馏塔冷凝器提供冷量后出冷凝器与脱氢塔冷凝器出来的氮气汇合后，依次进入过冷器、液化换热器复热至30℃后，出冷箱返回到氮气压缩机的入口，再次压缩而循环制冷。

2 产品质量控制

2.1 增加中压氮气在液化总制冷量当中的占比

提高氮压机压比，合理分配脱氢、脱氮冷凝器的所需冷量。加强巡检，特别是针对现场手动一回、二回，防止长时间运行后手阀震松，压比波动受到影响。

2.2 优化脱氢塔冷凝器运行工况

如果中压氮充足，脱氢塔冷凝器温度低于-184℃时，上升气中的甲烷含量会固化到冷凝器的换热通道中，占据换热面积，减少下流液体，这样不断气化后甲烷气会被富氢尾气带走，富氢产品中甲烷增加，会减少LNG产品产量；如果脱氢塔冷凝器温度高于-182.5℃，温度无法将脱氢塔上升的更多气体冷却下来，也会随富氢尾气蒸发，减少LNG产品产量。通过大量计算，调节进脱氮塔进气温度，控制脱氢塔回流比，将脱氢塔冷凝器控制在-182.5℃~-184℃极小的区间内。

2.3 优化脱氮塔冷凝器运行工况

在满负荷状态运行中脱氢塔冷凝器节流阀由于设计原因冷量有点欠缺，这样稍开启节流阀旁通增加冷凝器冷量，冷凝器中更多的甲烷液流下来，保证了脱氮塔顶部温度，下流液体在与脱氮塔再沸器上升气多次换热进行精馏，使LNG产品中氮含量降至2-3%左右引出，同时上升富氮尾气中甲烷小于0.5%引出。

2.4 增加脱氮塔再沸器的热源

通过再沸器前冷剂回流阀和冷箱中部节流阀与合理的中部冷剂配比，提升进入再沸器的温度，使脱氮塔底部液体中氮组分蒸发出去，作为脱氮塔的上升气，与脱氮塔冷凝器提供的下流液体充分换热精馏，将甲烷含量较高和温度较高的液体留下来作为LNG产品引出。同时还要考虑BOG的进入与退出，影响脱氮塔底部温度，BOG的影响对脱氮塔再沸器来说属于热源，要及时调整冷箱上、中、下冷量的平衡，保证不出现过大的温度变化。

3 低能耗最优控制

MRC采用接近等温压缩的方式做功，由于温度不变，压力升高后质量比体积缩小，分子之间的距离缩小，分子相互作用的位能减小，所以等温压缩后内部的能量反而是减少的，所需要的功率也相应减少。

MRC进气压力时200kpa时MRC电流720A左右，轴瓦温度较高；在适当降低MRC进气压力时185kpa时MRC电流690A左右，轴瓦温度下降。MRC带来的混合冷剂节流制冷量足以满足生产需求。

液化工段在常温开车时，冷箱内节流阀采用逐渐全开状态（在冷箱内充分利用MRC与氮压机带来的节流制冷量），冷箱温降是冷箱内MRC与氮压机节流后与富氢富氮通道流出的气体把冷箱内的热量带出来形成的降温。此节流阀“开、关、开”操作法可缩短开机时间三小时以上。

4 结论

山东钢铁集团日照分公司通过采取增加中压氮气在液化总制冷量当中的占比、优化脱氢塔冷凝器运行工况、优化脱氮塔冷凝器运行工况、增加脱氮塔再沸器的热源实现产品质量提高，并采取低能耗控制措施，达到设备高效运行的目的。

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