鄭 偉

（山西中煤平朔能源化工有限公司，山西 朔州 036000）

0 引言

山西中煤平朔能源化工有限公司液氮洗/LNG 裝置采用國(guó)外先進(jìn)的技術(shù)，裝置主要作用為通過(guò)分子篩吸附脫除低溫甲醇洗凈化氣中微量甲醇和二氧化碳，通過(guò)冷凝分離和液氮洗滌來(lái)脫除煤氣中的甲烷、一氧化碳組分，制得（CO+CO2）質(zhì)量濃度小于5 mg/L，氫氮比為3∶1 的合格合成氣，滿足合成氨生產(chǎn)需要，并副產(chǎn)純度大于99%的LNG 產(chǎn)品。

該套裝置是國(guó)內(nèi)第一套將凈煤氣中甲烷成分在冷箱內(nèi)直接液化和過(guò)冷至-165 ℃以下，不經(jīng)復(fù)熱直接經(jīng)過(guò)進(jìn)口甲烷泵提壓后送至LNG 儲(chǔ)槽的裝置，其所需的冷量由進(jìn)口膨脹機(jī)和氮?dú)庋h(huán)壓縮機(jī)構(gòu)成的循環(huán)冷卻回路提供。裝置于2016 年9 月20 日一次開(kāi)車(chē)成功，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)液氮洗將甲烷分離出來(lái)，再進(jìn)行液化的投資高、占地面積大和能耗高等方面的不足，充分發(fā)揮了液氮洗技術(shù)和LNG 技術(shù)耦合的巨大優(yōu)勢(shì)。該套裝置的裸冷過(guò)程和傳統(tǒng)的裸冷也有本質(zhì)區(qū)別，現(xiàn)將該裝置在試車(chē)過(guò)程中的裸冷總結(jié)如下，以供同行借鑒和參考。

1 工藝流程

該套液氮洗/LNG 裝置（圖1）由4 個(gè)單元組成：純化單元、冷箱單元、氮?dú)庋h(huán)單元（包括氮?dú)庠鰤号蛎浿评洌┖偷蜏嘏欧派罾涮幚韱卧?。和傳統(tǒng)液氮洗的區(qū)別是為了直接提取LNG，增加了氮?dú)庋h(huán)單元。

圖1 液氮洗/LNG 方塊流程圖

氮?dú)庋h(huán)單元流程為：液氮洗/LNG 裝置冷量的獲得來(lái)自于氮?dú)庋h(huán)壓縮機(jī)和增壓膨脹機(jī)，氮?dú)馐怯刹贾迷诰C合壓縮裝置內(nèi)的氮?dú)庋h(huán)壓縮機(jī)提供，來(lái)自界外（氮?dú)庋h(huán)壓縮機(jī)）的這股3.2 MPa 氮?dú)庵猎鰤簷C(jī)進(jìn)一步壓縮后，經(jīng)增壓機(jī)后冷卻器、進(jìn)入主換熱器冷卻后被分成3 股物流。

流股Ⅰ的流量占總流量的大部分，進(jìn)入膨脹透平機(jī)膨脹至低壓冷卻后，然后在主換熱器換熱釋放冷量，被送回到界外的氮?dú)庋h(huán)壓縮機(jī)的一段入口。

流股Ⅱ通過(guò)冷卻后進(jìn)入N2/CH4閃蒸塔的N2/CH4塔再沸器經(jīng)過(guò)進(jìn)一步冷卻，一部分進(jìn)入與甲烷冷卻器相連的液氮熱虹吸罐，另一部分是用來(lái)平衡流量，通過(guò)節(jié)流閥膨脹至中壓，在主換熱器中升溫，被送到氮?dú)庋h(huán)壓縮機(jī)二段入口。

流股Ⅲ是平衡流，經(jīng)過(guò)主換熱器冷卻，節(jié)流閥膨脹至中壓，和流股Ⅱ的中壓氮?dú)馕锪骰旌稀?lái)自甲烷冷卻器的氣態(tài)氮和從透平機(jī)出口來(lái)的其他物流混合。

2 裸冷的目的

裸冷是指在液氮洗/LNG 冷箱裝置安裝結(jié)束后，經(jīng)過(guò)管道檢查和試壓后，冷箱未裝填珠光砂之前，利用正常工況中膨脹機(jī)制冷和節(jié)流制冷進(jìn)行模擬開(kāi)車(chē)操作。通過(guò)裸冷能檢驗(yàn)冷箱內(nèi)設(shè)備和管線的施工質(zhì)量，檢查焊縫處是否存在漏點(diǎn)；檢查低溫下有關(guān)設(shè)備、管道、閥門(mén)等的變形情況及補(bǔ)償能力；檢查冷箱內(nèi)有關(guān)儀表、調(diào)節(jié)閥的性能；對(duì)氮?dú)馀蛎洐C(jī)和氮?dú)庋h(huán)壓縮機(jī)的性能進(jìn)行測(cè)試；對(duì)裝置全面開(kāi)車(chē)進(jìn)行預(yù)演，確保液氮洗/LNG 裝置開(kāi)車(chē)成功。

3 裸冷前的工作準(zhǔn)備

冷箱安裝結(jié)束，裝置吹掃結(jié)束，做好吹掃記錄，冷箱內(nèi)外管線清理干凈。冷箱的箱體試漏完成，冷箱的氣密試驗(yàn)完成，所有的人孔和通道全部封閉，所有的試車(chē)活動(dòng)完成（PID 檢測(cè)，吹掃，聯(lián)鎖邏輯調(diào)試等等）。按照外方提供的解凍程序，分5 個(gè)回路對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行解凍，使用露點(diǎn)<-70 ℃的常溫低壓氮?dú)?，?duì)各個(gè)解凍出口進(jìn)行分析監(jiān)測(cè)，要求吹除氣體露點(diǎn)<-70 ℃。

裝置配套的閥門(mén)和儀表安裝、調(diào)校后投入使用，安全閥通過(guò)校驗(yàn)，塔內(nèi)管道、閥門(mén)等固定牢固，可靠；確認(rèn)液氮洗所有吹除閥處于關(guān)閉狀態(tài)；氣體排放區(qū)設(shè)置專(zhuān)人負(fù)責(zé)安全警戒工作[1]。

該套液氮洗/LNG 裝置是由3 個(gè)大冷箱（1 個(gè)換熱器冷箱和2 個(gè)精餾塔冷箱）、1 個(gè)透平小冷箱和2 個(gè)液體泵小冷箱組成。其中換熱器冷箱位于中間，管道錯(cuò)綜復(fù)雜，冷箱內(nèi)沒(méi)有爬梯，其余2 個(gè)精餾塔冷箱都設(shè)有爬梯，按照外方的標(biāo)準(zhǔn)，冷箱裸冷前必須拆除箱體內(nèi)的所有腳手架，防止裸冷時(shí)管道直接接觸腳手架，冷量輻射，碳鋼腳手架冷脆坍塌砸壞換熱器、管線或是人上去掉下來(lái)出現(xiàn)傷亡事故。但是如果拆除腳手架，裸冷后的檢查需要重新搭設(shè)腳手架，增加了大量工作量和人工成本。換熱器冷箱為現(xiàn)場(chǎng)組對(duì)設(shè)備，同外方一起進(jìn)入冷箱檢查時(shí)，將換熱器EXP 冷箱鄰近或是緊挨著的架子移位，對(duì)于不能移位的架桿，用3 塊四氟板墊在接觸的部位，防止冷量傳到碳鋼架桿上；CBP1（1 塔冷箱）和CBP2（2 塔冷箱）冷箱管線較少，整體到現(xiàn)場(chǎng)，又有爬梯，故拆除CBP1 和CBP2 的腳手架。

4 裸冷過(guò)程

按傳統(tǒng)的液氮洗裸冷方法，一般情況下均采用中壓氮?dú)夤?jié)流制冷和補(bǔ)充液氮冷卻，將各個(gè)通道冷卻到不產(chǎn)生液體為止。本套裝置和傳統(tǒng)液氮洗的區(qū)別在于有單獨(dú)的氮?dú)庋h(huán)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)提供整個(gè)裝置的巨大冷量，氮?dú)庋h(huán)量為117 500 m3/h，該氮?dú)庋h(huán)回路在主換熱器中占3 個(gè)通道，和系統(tǒng)工藝回路不相通，如果采用氮?dú)夤?jié)流制冷，這3 個(gè)通道將沒(méi)有氣體通過(guò)，導(dǎo)致不能將每個(gè)通道都冷卻到，按照法液空標(biāo)準(zhǔn)，冷卻時(shí)平面溫差不能大于60 ℃，故不能用傳統(tǒng)的方法來(lái)冷卻。

參照空分的裸冷方法和液氮洗的傳統(tǒng)裸冷方法，本次裸冷開(kāi)創(chuàng)了將兩種方法結(jié)合，避免開(kāi)膨脹機(jī)導(dǎo)致降溫速度過(guò)快而損壞設(shè)備。

第一步采用傳統(tǒng)的液氮洗冷卻方法，將中壓氮?dú)馓釅褐?.0MPa，利用焦耳-湯姆遜（J-T）節(jié)流效應(yīng)為系統(tǒng)降溫提供冷量，氮?dú)庋h(huán)回路不進(jìn)行冷卻，將放空閥設(shè)定在0.35MPa 和0.11 MPa，通過(guò)控制各個(gè)節(jié)流閥的大小和排放出口閥門(mén)的開(kāi)度，保證塔的均勻降溫和各個(gè)通道的均勻降溫。打通流程，調(diào)試各個(gè)閥門(mén)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，液氮洗冷箱降溫速度緩慢，通過(guò)8 h 降溫，溫度降至-15 ℃后，溫度不再明顯下降，此階段既調(diào)試了閥門(mén)，又保證了降溫速度和各通道的平面溫差。

第二步采用空分的裸冷辦法，利用膨脹機(jī)的等熵膨脹過(guò)程進(jìn)行制冷。由于本套液氮洗設(shè)計(jì)產(chǎn)出LNG量為18 647 m3/h，溫度為-165 ℃，正常情況下需要的大量冷量由膨脹機(jī)提供，只有少部分有液體節(jié)流閥提供，所以考慮的是系統(tǒng)的降溫速度不要超過(guò)法液空規(guī)定的降溫20℃/h，最大不能超過(guò)30℃/h。充分征求法液空外方服務(wù)人員和膨脹機(jī)的廠家意見(jiàn)，確定裸冷時(shí)膨脹機(jī)允許在最低負(fù)荷下運(yùn)行的參數(shù)。膨脹機(jī)為CRYOSTAR 公司設(shè)備，正常工作轉(zhuǎn)速19 500 r/min，最低轉(zhuǎn)速為10 000 r/min 以上。第一次進(jìn)行氮?dú)庋h(huán)壓縮機(jī)和膨脹機(jī)的聯(lián)動(dòng)試車(chē)，氮?dú)庋h(huán)壓縮機(jī)使用低壓氮?dú)庾鳛闅庠?，同中壓氮?dú)獾某醪嚼鋮s氣源不同，互不干擾。氮?dú)庋h(huán)壓縮機(jī)的出口壓力控制在1.8MPa，膨脹機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在10 000～11 000 r/min 進(jìn)行系統(tǒng)的進(jìn)一步降溫，合理控制降溫速度，通過(guò)5.5 h 最終將溫度降至-120 ℃停止降溫。通過(guò)控制膨脹機(jī)的負(fù)荷和冷合成氣放空閥的開(kāi)度，控制系統(tǒng)的降溫速度，保證換熱器的端面溫差在合理的范圍內(nèi)。

5 系統(tǒng)查漏

裸冷后的檢查是根據(jù)管道、容器結(jié)霜情況來(lái)判斷漏點(diǎn)。一般泄漏點(diǎn)處不結(jié)霜或結(jié)霜不均勻，要重點(diǎn)檢查管道焊口、法蘭、閥門(mén)、彎頭、液體管線（包括取壓管和取樣管）、管道固定點(diǎn)、儀表溫度/壓力接點(diǎn)及分析接點(diǎn)等[1]。進(jìn)入冷箱必須高度重視安全工作，穿戴好防寒衣帽、手套，帶上口罩，佩戴氧含量?jī)x器，帶好對(duì)講機(jī)方可進(jìn)入，冷箱外必須有監(jiān)護(hù)人員。經(jīng)過(guò)檢查，發(fā)現(xiàn)冷配氮FV223C 孔板流量計(jì)導(dǎo)壓管漏，查漏復(fù)熱后，施工人員進(jìn)入冷箱進(jìn)行修補(bǔ)。

6 結(jié)論

液氮洗/LNG 裝置冷箱裸冷采用了獨(dú)創(chuàng)的冷卻方式，大大縮短冷卻時(shí)間，檢驗(yàn)了設(shè)備的各種性能，消除了系統(tǒng)內(nèi)部液體導(dǎo)壓管線漏點(diǎn)，膨脹機(jī)進(jìn)出口過(guò)濾器通過(guò)此次裸冷，完成了冷緊工作，減輕了投料開(kāi)車(chē)工作。通過(guò)接下來(lái)的導(dǎo)入原料氣一次開(kāi)車(chē)成功，驗(yàn)證了冷箱內(nèi)部管道的良好工況和機(jī)組的良好性能，達(dá)到了裸冷的預(yù)期效果和員工對(duì)于裝置的熟悉。

在裝置正式開(kāi)車(chē)后，裝置達(dá)到了設(shè)計(jì)的生產(chǎn)能力。通過(guò)近6 年來(lái)裝置的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，未發(fā)現(xiàn)冷箱內(nèi)部出現(xiàn)泄漏和跑冷現(xiàn)象，避免出現(xiàn)漏點(diǎn)而導(dǎo)致的冷箱扒砂處理，給同類(lèi)裝置的建設(shè)和投產(chǎn)試車(chē)提供了很好的借鑒作用。