MRC液化工艺冷剂J-T阀失效原因及解决方案分析

中海石油广东液化天然气有限公司 花亦怀

MRC液化工艺冷剂J-T阀失效原因及解决方案分析

中海石油广东液化天然气有限公司 花亦怀

随着MRC液化工艺的应用，配套板翅式液化冷箱积液问题一直困扰着MRC板翅冷箱的用户，文章根据中海油珠海LNG装置的实际运行情况来分析冷箱积液及J-T阀失效的原因并提出相应的解决方法。

天然气 液化 LNG 工艺 失效

0 引言

MRC即混合冷剂闭式单循环制冷工艺，由于自身流程工艺简单，设备少，占地小，投资少，维护方便，开启便捷，适合调峰等诸多优势，使得MRC液化工艺在小型油气田领域得到广泛的应用，但混合冷剂配比和液化模拟技术含量高，常涉及专利技术。

国内目前在用的MRC液化工艺多来自于国外液化专利商，其中BLACK VEATCH的PRICO液化工艺最具代表性，应用该工艺的有：

(1)中海油珠海天然气液化装置：日处理天然气60×104m3；

(2)鄂尔多斯市星星能源天然气液化装置：日处理天然气 92×104m3；

(3)兰州燃气集团天然气液化装置：日处理天然气 30×104m3。

该液化工艺采用高效混合冷剂(甲烷、乙烯、丙烷、异戊烷和氮气)闭式循环单级膨胀制冷，主体冷箱采用板翅式换热器。

在已经运行的中海油珠海天然气液化装置和鄂尔多斯市星星能源天然气液化装置中，多次出现装置停车后冷箱底部积液现象，致使冷剂J-T阀后背压升高，无法获得较好的制冷效果。此种现象是MRC工艺板翅式冷箱内部结构及采取下进料制冷方式带来的典型问题，它的存在给装置停车后的再启动程序造成了很大困难。以下以珠海天然气液化装置为例，详细分析冷箱积液及J-T阀失效的原因并提出解决方案。

1 珠海液化工艺简介

正常工况下41 ℃、4.0 MPa的混合冷剂(甲烷，乙烯，丙烷，异戊烷和氮气)经冷剂压缩机两级压缩后分气液两路从冷箱顶部进入板翅式换热器(如图1)，自上而下流经换热器并与反流的冷工质进行传热交换。至冷箱底部时混合冷剂温度降到-150 ℃，自身全部冷凝。低温液相混合冷剂经过冷剂J-T阀膨胀节流后，氮气和部分甲烷发生相变，温度降至-158 ℃。低温低压混合冷剂自冷箱底部自下而上流动与两侧的高温混合冷剂和天然气进行热交换，重组分冷剂随着自身温度的升产生相变吸收大量的热量。换热后的低压混合冷剂温度升至常温由冷箱顶部引出进入压缩机入口缓冲罐。

图1 珠海MRC天然气液化流程示意

2 冷剂J-T阀失效特征及危害

2.1 冷剂J-T阀失效的表现

除由于堵塞原因造成J-T阀失效外，J-T阀的失效往往发生在装置开车初始冷箱降温时。当冷剂压缩机启动以后，压缩机以防喘振回流为回路闭式循环运行。取消压缩机出口与冷剂之间隔离，将高压气相混合冷剂引入冷箱，打开冷剂J-T阀对冷箱降温。正常工况下，装置负荷会随着冷剂J-T阀的开度的增大而逐渐提升。当增大冷剂J-T阀流经冷箱换热器的冷剂流量不能随之增加时，且继续开大冷剂J-T阀，冷箱换热器混合冷剂低压侧压差开始逐渐上升，此时冷箱底部温度不降反升，导致上部和下部的温度逐渐趋于一致。继续增加冷剂J-T阀开度已无明显降温效果。此外，压缩机防喘振阀门并不随着 J-T阀的增大而关小，该种现象即视为 J-T阀失效。

2.2 冷剂J-T阀失效现象的特征及危害

冷剂J-T阀失效现象的特征：

(1)混合冷剂低压流道压差过大，一般正常值在15 kPa以下；

(2)冷箱换热器芯体各点温度趋于一致，无明显梯度；

(3)流经冷箱的混合冷剂流量并不随着冷剂 J-T阀开度的增大而增加；

(4)压缩机运行状态保持不变情况下，防喘振控制阀的开度并不会随着冷剂J-T阀的开大而减小；

(5)在添加重冷剂时，压缩机级间分离器的液位逐渐下降，即进入冷箱的重组分冷剂并未进入冷剂循环回路。

冷剂J-T阀失效现象的危害：

(1)冷箱积液时，冷剂J-T阀的流通能力减小，大量冷剂流经冷剂压缩机喘振管线打回流，无法进入冷箱，无法实现冷箱正常降温；

(2)无法建立合理的温降梯度；

(3)冷箱不能正常运行，不能产出LNG产品；

(4)液化装置不能提负荷生产。

2.3 原因分析

(1)冷箱底部大量积液

为保护装置和人员的安全，装置设置有紧急停车系统(ESD)，当装置非计划停车时，装置发生紧急关断，天然气和混合冷剂热流体被紧急切断，节流后的气液两项混合冷剂由于压力源的切断无法继续向上流动，且由于热源的中断致使重组分冷剂无法获得自身产生相变所需要的足够热量，因此混合冷剂的液相重组分在重力作用下回落到冷箱换热器底部，并形成一定液位，造成冷箱底部大量积液现象，致使下次冷箱降温操作时由于J-T阀后背压过大影响节流降温效果。

(2)冷剂压缩机防喘振阀和J-T阀流量不匹配

离心式压缩机为保护压缩机避免喘振造成的机体损伤，往往设置防喘振回流管线，珠海液化装置同样配有两级防喘振管线，如图2。因此冷剂压缩机存在两个循环回路：一路是做有用功的冷剂膨胀节流回路；一路是做无用功的防喘振回流回路。正常情况下，当冷剂J-T阀开度增大时，防喘振管线在喘振流量控制下会逐渐关小。若冷剂节流降温回路的阻力过大，冷剂流量会发生偏流现象，即过多的冷剂由压缩机防喘振回流反流至压缩机入口，影响冷剂J-T阀的降温效果。

图2 J-T阀不匹配示意

(3)冷剂J-T阀的机械堵塞

造成冷剂节流回路阻力过大的原因除了以上分析的由于冷箱积液造成的阀后背压过大和阀门本身故障之外，冷剂J-T阀的冰堵也是一个直接原因。本工艺混合冷剂由甲烷，乙烯，丙烷，异戊烷和氮气组成，除氮气为公用工程PSV制氮系统供应外，液态乙烯、丙烷和异戊烷均由界外提供，甲烷来自于自身原料天然气，而原料天然气来自于上游终端分馏单元。若上游来气含有超标低凝点杂质气体如重烃类、CO2、H2S等，在冷箱降温时就会凝固，随着量的逐渐累积，冷剂J-T阀的阻力降会逐渐增加。

此外，冷剂J-T阀的固体杂质堵塞同样也会造成冷剂回路阻力降的增大，这些固体杂质往往是装置初期设备及管线吹扫时残留的。

3 解决方案

以上介绍了引起冷箱积液和J-T阀不能正常工作可能的诱导原因，下面针对每种原因阐述一下避免或解决方法。

(1)对于装置停车后冷箱底部的积液现象是板翅式冷箱该类进液方式普遍存在的一个问题，对于此类问题可按以下方式进行处理：装置开车前，使少量天然气流经冷箱，冷箱底部残存的重组分液体与天然气进行换热，自身闪蒸变为气相，该种方法往往需要损耗一定数量天然气，并需要花费较长时间，因为雷同于冷箱降温操作，冷箱的复温速度是需要进行严格控制，一般情况下板翅式冷箱内部每一测温点的温变不大于 30 ℃/h，同一截面上的温差不大于 28 ℃/h。在装置长时间停车后，冷箱底部低温重组分液体会从环境获得闪蒸所需的热量，该过程一般需要较长的时间，取决于冷箱外保温性能。

(2)若装置紧急停车后需在在短时间启动运行，同时又不希望过多的天然气排空，可执行如下操作：冷剂压缩机启动后，在开启冷剂J-T阀之前尽可能的提升压缩机转速，使压缩机进出口获得最大的压比。随着压缩机进出口压比的增大，冷剂 J-T阀前的压头逐渐增大，而其背压则逐渐降低。同时随着压缩机吸入口压力的降低，低温重组分液态冷剂也会开始闪蒸。开启冷剂J-T阀，首先让轻组分冷剂(主要为氮气，甲烷和部分乙烯)流经节流阀将聚集在冷箱底部的重组分冷剂携带出冷箱换热器，随着重组分液体的闪蒸和携带，重组分冷剂逐渐进入冷剂循环系统，经压缩冷却后重新聚集于段间分离器中，待压缩机一级段间分离器内液位不再上升时，冷箱积液已经解除。然后启动冷剂提升泵将液相冷剂引入冷箱开始正常的降温操作。此外，也可以根据设置在冷箱液压流道的压差计来判断冷箱底部积液是否消除。

(3)将冷剂压缩机喘振控制设置为现场手动控制，适当的缓慢减小两个喘振阀门来限制流经防喘振回路的冷剂流量。在此指出：压缩机的防喘振手动控制必须由经验丰富的操作人员严格根据防喘振控制曲线操作，该操作有致使压缩机发生喘振而损伤机体的危险可能性，在此只作为一种解决方法提出而不推荐使用。

(4)若是机械堵塞或低凝点杂质气体原因造成J-T阀失效，引起冷箱积液，可以通过现场解体，清理固体杂质方式解决。

(5)通过底部导淋管线对冷箱底部重组分液体进行适当排放或转移，尽量排放掉密度较大的重烃组分。此种方法虽然是解决冷箱底部积液的最直接方法，但往往会造成冷剂的损失。

虽然冷箱积液造成冷剂J-T失效的现象在MRC液化工艺中较为常见，但如果采用适当有效的操作方式，会减少冷剂或天然气组分的排放损失，从而减少排放造成的经济损失。

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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