LNG企业天然气干燥电加热器技术改造应用实践

(1.四川省天然气投资有限责任公司，四川成都，610063； 2.四川苍溪吉通能源有限责任公司，四川苍溪，628400)

近年来，液化天然气(LNG)生产、储存、气化、运输等工艺技术迅速发展，由于储罐压力相对较低、土地利用率高、储存量大、动用周期短，可灵活调节高峰时燃气用气量等优势[1]，被广泛用于国外的城镇燃气调峰站、汽车加气站等[2]。近期，国家发改委提出加快建立发展储气设施的保供政策硬性要求[3]，凸显了LNG液化生产的重要作用。

四川苍溪吉通能源有限责任公司(以下简称吉通公司)天然气液化厂预处理工艺通过过滤、脱重烃、脱酸气、干燥、除汞等工艺环节将原料天然气净化，净化后的天然气进入低温液化装置换热降温、过冷液化生产LNG[4]。天然气热干燥工艺环节采用3A分子筛吸附干燥，在高温等压条件下将天然气加热至210～250℃再生，后反吹冷却干燥塔，再生天然气温度，直接关系到3A分子筛再生效果，因此天然气加热器是3A分子筛再生技术的关键[5]。目前，LNG液化厂加热方式主要为导热油和电加热器加热两种，导热油受热媒炉内燃料气的燃烧加热限制，一般只能将天然气加热至190℃左右，而电加热器加热比较方便灵活，可将天然气温度加热至220℃，甚至更高，以满足干燥塔内分子筛再生工艺要求。

1 并联式电加热器特点

吉通公司液化厂原电加热器的设计为并联式加热方式，主要结构分为进气口、出气口、五组电加热芯、五根套管、支撑板以及外部筒体共六个部分，如图1、图2所示。每组电加热芯平均功率20kW，设计加热温度300℃，350℃高报，400℃联锁。筒体材料为Q345R,厚度10mm，设计工作温度280℃，套管外径89mm,壁厚度6mm，与两侧支撑板随意焊接，预留焊缝。

该并联式电加热器工作原理为天然气从进气口进入加热器的一端，冷天然气分别通过套管以及套管与筒体间组成的空间两个部分达到出气口一端，五组电加热芯分别放在五根套管内并延伸至套管另一端，天然气在流动过程中加热至预定温度。处在套管内的天然气可以直接与电加热器接触加热快，气体流速快；处在筒体与套管间的气体加热慢、流速慢，甚至可能产生气体流动偏流、阻滞，气体加热不均匀。

原并联式电加热器在实际制造时套管支撑采用圆形支撑板，而支撑板上没有设计气体流动通道，仅采用套管与支撑板间以及支撑板与筒体间的预留焊缝作为气体流动通道，依靠这些不均匀焊缝构成天然气外筒间流动通道进出口,拟带走壳体温度，造成套管与筒体间的空间气体流动不畅，甚至产生偏流。如图2所示，预留焊缝狭小。

图1 并联式电加热器结构示意图(侧视图)

图2 并联式电加热器进气端套管与支撑板的截面图

2 存在问题

原并联式电加热器在设计上存在以下缺陷：

(1)壳体带压运行，制造设计温度280℃，加热芯工作温度300℃，加热芯与壳体设计距离筒体仅15mm，距离太近，造成加热芯长期超温烘烤最顶部筒体。

(2)由于预留焊缝较小，气体在套管与筒体之间流动不畅，筒体热量无法及时带走。

(3)由于该并联式电加热器(H0501)的两个测温元件安装靠近加热器的尾部进出口的位置，不能及时监测筒体内的加热温度，缺乏温度监控手段，不能及时发现设备温度超高的异常情况，如图3。

(4)长时间使用该并联式电加热器，易导致筒体超温，金属材料疲劳蠕变，强度降低，一旦焊缝发生堵塞，气体流动阻滞，甚至超压，若不能及时发现，就会带来安全风险。

由于该设备一直处于隐患状态，又不能立即整改，某LNG工厂曾在生产负荷仅为50%时,在低于设计压力5.6MPa的情况下，以3.8MPa的工作压力使用该并联式电加热器，筒体发生纵向鼓包、开裂，开裂长度达1.37m,生产停滞，造成较大的经济损失。

图3 原并联式电加热器(H0501)控制界面示意图

3 技术改造

针对天然气干燥电加热器出现的设计缺陷，重新设计了电加热器的结构，采用串联加热方式，天然气沿管道内流动，五组电加热芯依次分布在天然气流路的各段管道内串联加热，并在设备加热过程中增加四个温度监测点，时刻监测设备的运行状况。如图4、图5所示，分别为串联式电加热器的结构图和示意图。

图4 串联式电加热器结构示意图(侧视图)

图5 串联式电加热器加热示意图

改造后的中央控制室操作界面图如图6所示，当前采用串联加热设计模式更为合理，同时新增的温度监测点，可实时监控设备运行状况，更为安全。

图6 串联式电加热器(H0501)控制界面示意图

4 应用效果

通过技术改造，重新设计的串联式电加热器五组电加热芯的加热梯度依次递增，天然气在串联式电加热时，依次加热至220～250℃。1#加热芯加热温度是继续导热油加热器(E0501)后的继续加热，1#电加热芯加热后的温度为130～150℃，2#电加热芯加热后温度在160～180℃，3#电加热芯加热后的温度在190～200℃，4#电加热芯加热后温度在210～220℃，5#电加热芯加热后温度即为出口温度在220～250℃。串联式电加热器加热效果，如表1。

表1 串联式电加热与并联式电加热器效果对比

由表1可知，原并联式电加热器再生分子筛时间稍长，基本满足工艺指标。而串联式电加热器加热再生分子筛效果明显比并联式电加热效果好，分子筛再生时间短，干燥后水含量更低。实践表明，干燥塔再生3A分子筛的再生气温度，达到220℃后再生效果已很好，再生分子筛时间可达到约5小时，干燥后水含量可低于0.2ppm。

5 结论

通过对天然气干燥塔再生电加热器的技术改造及应用实践，得出以下结论：

(1)并联式电加热器设计存在缺陷，天然气加热行程短，加热效果差，且筒体与支撑板的焊缝处天然气流动不畅，气体流动产生阻滞、偏流等现象，不能及时带走筒体局部高温，极易导致电加热器筒体蠕变、疲劳、鼓包、开裂，从而造成安全事故。

(2)干燥塔3A分子筛再生工艺在预处理工艺环节十分重要，原电加热器设计采用并联方式加热，技术改造后电加热器采用串联方式，加热行程增长，分级加热，加热效果好，同时加热过程中增设四个温度监测点，实时监测设备的运行状况，可确保设备安全平稳运行。