液化天然气设施预冷工艺选择与优化策略研究

摘要：随着世界范围内对清洁能源的需求日益增加，液化天然气（LNG）作为一种高效清洁的新能源已逐渐占据能源结构的比重。液化天然气生产设施的建设与运行成为保障能源供给的重要一环。对液化天然气设备进行预冷处理，是保证其安全高效运行的关键环节。预冷过程的选择直接关系到装置的启动效果，而且与设备的寿命及运行费用密切相关。因此，深入研究液化天然气设施的预冷过程，探索其优化策略是十分必要的。

关键词：液化天然气；设施预冷工艺；选择与优化

液化天然气设施的预冷过程就是为了满足液化天然气储存运输的需要，对其进行低温预冷处理。预冷过程需要综合考虑各种因素，如预冷介质的选取、冷却速度的控制和设备的热应力分布等。不同预冷方法在安全、经济及效率等各方面都有所不同。如采用液氮预冷，其优点是冷却速率快，但成本较高，直接预冷液化天然气虽然经济，但冷却速度慢。因此，如何针对特定应用场合及设备特点，选择适宜的预冷工艺，并加以优化，是目前研究的热点。

一、液化天然气设施预冷工艺选择原则

（一）安全性原则

液化天然气（LNG）设备的预冷过程要满足安全要求，液化天然气的低温特性和可燃特性决定其预冷过程中存在的安全隐患是不可忽视的。在预冷过程中，设备及管线需由常温逐级降温至低温，这一过程会引起材料内部热应力的变化。因此，预冷过程必须保证冷却过程中设备及管线的热应力始终保持在安全范围之内，以防止应力集中引起的断裂和漏失[1]。同时，为避免预冷过程中发生危险化学反应，应优先选用化学性质稳定且不与LNG发生反应的介质。此外，预冷过程温度控制也非常重要，要保证预冷速度适中，避免过冷引起设备热冲击，保证预冷过程安全。

（二）经济性原则

预冷技术的选择直接关系到设施建设及运行费用的高低。其中，预冷媒费用是经济性分析的一个重要方面。不同的制冷介质价格相差很大，如液氮，尽管制冷效果好，但价格昂贵，液化天然气直接预冷虽然经济，但冷却时间较长。另外，预冷设备投资费用是不可忽视的，冷却系统复杂，需增加设备和管线，增加施工费用。另外，冷却过程的能量消耗也是经济性分析的一个重要方面，高效的预冷过程能够缩短预冷时间，降低能耗，降低运行成本。

（三）效率性原则

预冷效率是评价液化天然气设施预冷技术水平的一个重要指标，高效预冷过程可使设备及管线在短时间内达到要求的低温状态，从而提高设备启动速度及运行效率。冷却介质的导热特性是决定预冷工艺的关键。良好的导热性能能加快散热，提高散热速度[2]。此外，预冷系统的布置与设计对预冷效果也有一定的影响。通过合理的管路布置及设备布置，保证冷却介质与待冷却设备充分接触，降低传热阻力。另外，预冷温度的精确与否也是影响制冷效率的重要因素。精确的温控可避免过冷，保证预冷过程的高效率。

二、液化天然气设施预冷工艺选择与优化策略

（一）预冷工艺的选型依据

液化天然气设施预冷工艺的选择需要综合考虑多种因素，大型液化天然气站和小型液化天然气站在预冷过程中有很大的不同。大型设施要注重处理效率和稳定性，才能满足大量天然气的处理要求，较小的设备更注重成本效率和灵活性。预冷介质的选用也是十分重要的，常用的预冷介质有液氮、液态丙烷等。此外，设施所处的地理位置及周围环境也会对预冷过程产生影响[3]。寒区采用自然冷源辅助预冷较好，水资源丰富的地区宜采用水冷式。同时，可采用层次分析法等多指标综合评价方法，定量分析不同预冷过程，确定最佳工艺方案。

例如，某大型 LNG接收站担负着向多个区域输送天然气的重要任务。在项目前期，项目组对预冷工艺的选择进行全面的调查和分析。考虑到处理规模庞大，项目组重点研究具有高处理效率、稳定操作的工艺方案。同时，项目组考虑到该区域临近海洋，具有丰富的海水资源，为该技术的推广提供有利条件。为此，项目组收集多种预冷技术数据，包括液氮预冷、液态丙烷预冷和多种复合预冷方案。接着，项目组利用AHP建立评估模型。在建模过程中，邀请业内知名专家，对其处理能力、运营费用、安全可靠、环保等方面的重要程度进行量化打分，并对各指标的权重进行确定。在计算操作费用时，项目组除对各种预冷介质的采购、运输、存储等费用进行详细的计算，同时也对设备的维护及能源消耗进行计算。在处理能力方面，建立复杂仿真模型，对不同工艺条件下的预冷时间及处理量进行模拟。经过多次认真分析论证，项目组最终确定采用海水液氮复合预冷技术，以海水为一次冷却介质，利用高效海水冷却装置，对液化天然气主体进行预预冷，显著降低系统初温。该工艺充分利用当地丰富的海水资源，大大降低预冷成本，具有广阔的应用前景。然后，利用液氮对系统进行深度预冷，利用液氮的极低温度，迅速降低系统的温度。在充分利用海水冷却低成本优势与液氮快速冷却优势的基础上，既能保证预冷效率，又能满足大型接收站对处理能力及稳定性的苛刻要求。

（二）预冷前的准备工作

在进行预冷之前，要做好充分的准备工作，以保证整个过程的顺利进行，要严格检测预冷系统，检查管路、阀门、仪表等设备是否安装到位，确保密封性能良好[4]。对预冷介质贮存、输送系统进行压力测试，查找可能存在的泄漏点。此外，应制定详细的预冷操作方案，明确预冷速度、温度梯度等各参数的调控范围，同时，可通过专业培训，掌握作业流程及应急处置方法，提高作业人员的工作效率。

例如，中型 LNG储运中心在进行预冷之前，进行一系列周密细致的准备工作。仓储中心成立专业的设备巡检小组，对预冷系统中的管路、阀门、仪表等设备进行全面检查。检测过程中，采用超声波探伤等先进无损检测技术，保证焊缝质量合格，无裂纹、气孔等缺陷。对阀门，技术员逐一进行启闭试验，检验阀门的柔韧性、密封性，并采用高精度压力表，对各种压力下阀门的密封性进行测试。在检定过程中，校准各种仪表，如温度、压力、流量等，以保证计量精度达到要求。针对液化丙烷预冷介质的贮存与运输系统，储存中心对其压力进行严格的试验。试验采用逐级升压的方法，即由低压启动，每次升压一定时间后保持一定时间，对各部分进行认真检测。技术员用肥皂水涂在管线连接处、阀门接口处等部位，观察有无气泡出现，以判断是否有渗漏。一旦发现渗漏，应立即做好标记，修补完毕后再做水压试验，直到没有渗漏为止。同时，仓储中心组织技术骨干，制订一套详细的预冷作业方案，同时综合考虑设备的技术参数、已有的操作经验和可能发生的各种工况，确定冷却速度、温度梯度等关键参数的调控范围。为保证操作人员熟练掌握预冷过程及应急措施，仓储中心邀请设备制造专家及业内资深工程师到现场进行为期一周的专业培训。培训内容包括理论讲解、实际操作示范和应急演练三个部分。模拟液化丙烷气泄漏事故，通过设置烟雾发生器、气味模拟器等设备，模拟出真实的泄漏情景。操作人员按照事先制定的应急预案穿戴好防护设备，启动应急关闭装置，关闭有关阀门，用惰性气体稀释、置换泄露区域，安全回收泄漏液丙烷。

（三）预冷工艺的实施步骤

如液氮预冷启动时，先向管道及设备缓慢注入少量液氮，并实时监控系统温压变化，保证系统稳定运行。随温度降低，液氮流量逐级增大，按预先设定的预冷率均匀降温[5]。在预冷过程中，必须严格控制预冷速度，以防止因温度骤降而引起设备过大的热应力而造成设备损伤。当系统温度达到预先设定的预冷指标后，保持一定的时间，使各部位的温度完全均匀后，才能继续进行下一道工序。同时，实时记录预冷过程数据，为后续工艺优化提供依据。

例如，LNG站可采用液氮预冷工艺，严格按照规定的程序进行预冷，在预冷启动阶段，工厂用特殊的低温输送管道，缓慢地向预冷系统中注入少量的液氮。通过安装于管线及设备中的温度、压力传感器，操作者可以实时监测系统内温度、压力的变化情况。在导入液氮时，技术员们一直密切监视着系统的反应，以保证系统平稳过渡。当系统温度逐渐下降时，按预定速度逐级递增液氮流量，工厂采用先进的自动控制系统，实现预冷参数的准确控制。当系统参数发生不正常的变化时，自动控制系统会及时报警，并采取相应的调整措施。为避免因温度骤降而引起设备热应力破坏，技术员依据传感器反馈的数据，调整液氮输油管调节阀开度，实现对液氮喷射速率的准确调节。当系统温度接近预设预冷指标后，再降低注氮率，使系统温度趋于目标值。达到预冷要求后，保持一定时间，以使设备各部位的温度完全均匀。试验期间，技术员详细地记录预冷过程各点的温度、压力和液氮流量等参数。并将其存入专用数据库，为后续工艺分析及优化提供数据支撑。预冷结束后，由技术员对设备进行一次全面的检查，主要是外观有无变形、有无破损，接头有没有松动，有没有性能指标满足要求。设备没有任何问题，工厂就可以开始下一步的生产。

（四）预冷过程中的监测与调控

对预冷过程进行实时监控与调控具有重要意义，系统内装有温度、压力和流量传感器，可实现对预冷过程的全方位监控。如温度波动过大、压力过大或过低等参数出现异常时，应及时分析原因，采取相应的调节措施。调节方式可以通过调整冷却介质的流量和压力或改变设备操作条件实现[6]。如在降温速度过快的情况下，适当降低预冷介质的流速，当压力太大时，通过调整阀的开启度，达到减压的目的。同时，可利用先进的自动控制技术，实现预冷工艺参数的自动调节，保证预冷过程的稳定和高效。

例如，LNG站可采用先进的自动监控控制系统，在预冷系统关键部位安装大量的温压流量传感器，构成一张全方位、多层次的监控网络。这些传感器将采集到的数据实时传送到中央控制系统，中央控制系统经过分析、处理后，绘制出各参数的变化曲线。当参数与预定值偏差时，主控系统立即启动调节程序。如在一次预冷操作过程中，系统监测到局部区域温度急剧下降，超过预定值。中央控制系统对此反应很快，可调整液氮输油管上的阀门开度，降低液氮的流量。同时，启动安装于装置内的电加热器，适当加热降温过快的部位，以减缓降温速度。在调节过程中，中央控制系统不断监测各参数变化，并根据实际情况对调节措施进行调整，以保证降温速率降至正常范围内。当压力过大时，中央控制系统会自动开启泄压阀闸门，排出过多的压力，保证系统压力一直保持在安全范围之内。另外，基地技术人员还可通过远程监控终端实时查看预冷过程中各参数的变化情况，并根据实际情况采取人工干预措施。如当系统发生复杂故障时，通过远端技术人员发出指令，调整设备工作方式，及时排除故障，确保预冷过程平稳运行。在此基础上，利用该自动监控调控系统，可极大地提高预冷过程的效率与稳定性，降低人为因素带来的风险。

（五）预冷工艺的优化策略

应优化预冷参数，结合模拟分析与实验研究，确定最优预冷速度、温度梯度等参数，在保证设备安全性的前提下，缩短预冷时间，降低预冷成本。要改进预冷装置，使用高效换热器和节能压缩机等设备，提升预冷系统综合性能。同时，应探索复合预冷技术，充分发挥各工艺的优势，进一步提高预冷效果。定期维护、更新预冷系统，及时更换老化的设备，以保证系统始终处于最佳运行状态。

例如，应成立参数优化小组，借助计算机仿真软件对预冷系统进行建模。项目组在不同的预冷速度和温度梯度条件下，得到大量的实验数据。为验证仿真结果的正确性，项目组应在实验基地进行多次测试。在实验过程中，项目组严格控制实验条件，准确地测量并记录实验参数。经过反复的模拟与实验，研究小组可选出最佳的预冷参数组合，按优化参数实施预冷操作，既可缩短预冷时间，又可降低预冷费用。在设备改造上，可采用先进的换热材料及结构设计，采用高效板式换热器，大幅度提高换热效率。新型板式换热器具有较大的传热面积和较高的换热系数，并能在较短的时间内完成换热。同时，应对压缩机进行升级改造，使用节能型螺旋压缩机.压缩机效率高，能耗低，运行稳定，既可降低预冷系统能耗，又可提高系统的整体稳定性。

结束语

综上所述，如何选择和优化 LNG设施的预冷工艺，是保证 LNG设施安全高效运行的关键。合理选择预冷介质、优化预冷流程可有效提高预冷效率、降低能耗、降低环境污染。未来，随着科技进步与清洁能源需求持续增加，液化天然气装置预冷过程将向智能化、高效率、环保型方向发展。

参考文献

[1]  孙娟,史世杰,万广浩,李沅欣,孙兰义.天然气液化级联混合制冷剂多级节流研究[J].低温与超导,2024,52(12):70-79.

[2]李萌.液化天然气设施预冷工艺选择与优化策略研究[J].中国石油和化工,2024,(12):63-65.

[3]牛建维.液化天然气应急储备设施投产运行过程分析——以曲靖市应急气源储备中心为例[J].城市燃气,2024,(12):21-27.

[4]  王琳,朱辰,杨中峰,张永祥,惠文颖.掺氢天然气丙烷预冷混合制冷剂液化分离影响因素[J].油气与新能源,2024,36(03):21-29.

[5]王世民.LNG加气站工艺技术与安全研究[J].石化技术,2024,31(04):306-308.

[6]  张晓莉,逯国英,雷莎,何少康,王月,李宪昭.带丙烷预冷混合制冷剂天然气液化工艺优化[J].化工机械,2024,51(02):295-299.