王順成，汪艷華

（1.貴州東華工程股份有限公司，貴州 貴陽 550002；2.廣西山區(qū)綜合技術(shù)開發(fā)中心，廣西 南寧 530022）

設(shè)備與自控

大型氨站的液氨儲存工藝方案選擇和優(yōu)化

王順成1，汪艷華2

（1.貴州東華工程股份有限公司，貴州 貴陽 550002；2.廣西山區(qū)綜合技術(shù)開發(fā)中心，廣西 南寧 530022）

介紹了某年產(chǎn)50萬t·a-1合成氨裝置配套氨站的擴能改造設(shè)計，根據(jù)氨站的儲存規(guī)模和功能，確定以現(xiàn)有2個5000 m3球罐儲存為主，新建1個20000 m3低溫常壓罐作備用儲存的組合儲存方式。通過計算比較不同存儲流程下的氨制冷冰機能耗，選擇在球罐和常壓立式罐之間設(shè)置閃蒸罐以實現(xiàn)氣氨分級壓縮冷凝的優(yōu)化方案，達到提高冰機制冷效率，有效降低系統(tǒng)用電能耗的效果。

氨庫；氨儲存工藝；分級壓縮冷凝

液氨是一種可燃液體，火災(zāi)危險性危害劃分為乙A類。常壓下沸點為-33.5℃，常溫（25℃）下飽和蒸氣壓為1.0225MPa（A），因此液氨極易氣化。目前，液氨的儲存有常溫中壓、低溫帶壓以及低溫常壓3種方式。這3種方式在工藝流程的復(fù)雜程度、操作及運行費用、工程投資以及對公用工程的要求方面各有優(yōu)缺點，適合于不同的儲存規(guī)模和儲存功能[1]。各種不同儲存方式的特點比較見表1。

表1 不同儲存方式的特點比較Table 1 Characteristics of liquid ammonia storing in different ways

在各種液氨儲存方式中，操作及運行費用相對較高的是低溫常壓儲存，這是因為在氨罐的進料工況下，對于進料狀態(tài)相同的液氨，在低溫常壓罐中產(chǎn)生的閃蒸氣化量最大，所需的氨制冷冰機（根據(jù)其功能也稱為保氨冰機）的進氣量和制冷量都很大，從而造成操作及運行費用較高，而對于大型氨庫由于存儲規(guī)模的因素，一般都采取低溫常壓的儲存方式。因此，從減少冰機能耗的角度進行儲存方式的優(yōu)化組合和儲存流程的優(yōu)化，對減少冰機的設(shè)備投資以及運行成本有重要意義。

1 液氨儲存工藝

液氨的儲存工藝主要包括液氨的儲存方式和儲存工藝流程2個方面。液氨的儲存方式主要由儲存規(guī)模決定。對于中壓和帶壓儲罐，因為儲存壓力高，所以罐壁的計算和設(shè)計厚度大，儲罐制作的鋼材消耗量與儲罐的設(shè)計壓力成正比。反之，儲罐的儲存溫度越低，則設(shè)計壓力越低，儲罐單位鋼材用量可儲存的液氨量顯著增大。因此，采用低溫常壓的儲存方式比較經(jīng)濟。另一方面，當(dāng)單罐容積達到一定量時，帶壓儲罐的計算壁厚過厚，在工程實際中也難以實現(xiàn)儲罐的加工制作。在目前的實際應(yīng)用中，低溫帶壓液氨球罐的容積一般不超過5000 m3，低溫常壓立式儲罐容積則一般在10000 m3以上。此外，液氨儲存方式還應(yīng)根據(jù)氨站的運行工況和不同儲存方式的特點來進行選擇。例如，常溫中壓罐一般作為合成氨裝置中氨合成工段后中間緩沖罐用；低溫帶壓罐因為儲存工藝流程比較簡單，對公用工程的要求較小，因此比較適用于儲存周期短的小型氨庫；低溫常壓罐雖然操作費用較高，對公用工程的要求高，但如前所述，較大的儲存規(guī)模是選擇使用低溫常壓罐的決定性因素，而且在大型的合成氨裝置中公用工程配置一般都能滿足要求，因此大型氨庫中一般都應(yīng)設(shè)置有低溫常壓儲罐。國外一些工程公司綜合考慮氨庫的安全性、占地面積等方面因素認(rèn)為，如果單罐液氨儲量在8000 m3以上，則采用低溫常壓儲罐比較合理[2]。

2 工程實例分析

某合成氨廠氨庫現(xiàn)僅有2個5000 m3的液氨球罐[4℃，0.4 MPa (G)]，液氨儲存天數(shù)僅為3.8 d，無法滿足目前50萬t·a-1合成氨產(chǎn)能所對應(yīng)的儲存能力需要，因此擬對氨庫進行擴建，增加液氨儲罐，同時綜合考慮已有球罐，選擇合適的儲存方式和工藝流程。

2.1 儲存工藝選擇

2.1.1 儲存方式

根據(jù)《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》SH/ T 3007-2007，產(chǎn)品液氨的建議儲存天數(shù)為：公路運輸10～15d，鐵路運輸10～20 d，管道輸送7～10d?，F(xiàn)有氨庫僅有2個5000 m3的低溫帶壓球罐[4℃，0.4 MPa(G）]，最大總儲量為5 700 t（以液氨儲罐的最大儲存系數(shù)0.9計算），按產(chǎn)品液氨的最少存儲天數(shù)要求10 d來設(shè)計，還需增加的氨罐儲量為：50×104/8000×24×10-5700=9300 t，如果考慮增加球罐，則需要增加的儲存容積為：9300/0.633=14692 m3。如果儲罐容積按0.9的有效容積考慮，則需增加的罐容為：14692/0.9=16324 m3。

因此，若考慮球罐，則需要新增4個單罐公稱容積為4000 m3和5000 m3的球罐，占地面積很大。在本方案設(shè)計中，從需要新增的儲存容積，建設(shè)用地的合理充分利用以及現(xiàn)有氨庫的實際情況等角度綜合考慮，選擇增加1個20000 m3的低溫常壓儲罐（-33℃，常壓，雙壁單防罐），則氨庫總儲存天數(shù)可達到12 d，滿足前述規(guī)范的建議天數(shù)要求。

2.1.2 儲存工藝流程

1)主物料流程。液氨從氨合成工段進入罐區(qū)的溫度和壓力為12.5℃、0.6 MPa（G），氨庫已有低溫帶壓球罐的操作條件為4℃、0.4 MPa（G），新建低溫常壓罐的操作條件為-33℃、0.005 kPa（G）。在進氨工況下，液氨進入儲罐發(fā)生絕熱閃蒸氣化，對絕熱過程進行熱量衡算可求得氣化率。在上述條件下，液氨進入球罐和低溫常壓罐的氣化率分別為3.2%和15.2%，因此，在同等的進氨條件下，采用球罐作為緩沖儲存，可以降低氨制冷冰機的制冷負(fù)荷。另外，考慮液氨輸送溫度的因素，利用球罐作為將液氨送往下游工段或者外運的中間緩沖罐可以降低管道材料等級和減少管道冷量損失。因此在本設(shè)計中，液氨自氨合成工段來先進入球罐，再經(jīng)球罐依靠自身壓力進入低溫常壓儲罐。在液氨銷售正常的情況下，僅使用現(xiàn)有球罐即可滿足產(chǎn)品液氨的短期儲存和外運的緩沖儲存要求；在液氨銷售不正常的情況下，則考慮用低溫常壓儲罐作為產(chǎn)品液氨的長期存儲。當(dāng)需要外運時，低溫常壓罐中的液氨由低溫液氨泵輸送，并經(jīng)液氨預(yù)熱器從-33℃預(yù)熱到約4℃后送至球罐儲存，球罐中的液氨再由裝車泵送至火車裝車站臺。

2)流程優(yōu)化。在采用上述流程時，在低溫常壓罐進氨工況下，單臺冰機的計算制冷量為1289 kW，制冷系數(shù)在2.0左右，僅制冷壓縮機所需軸功就將達到645 kW。壓縮機的功耗與壓縮比直接相關(guān)。壓縮機出口的冷凝溫度是循環(huán)冷卻水可能達到的最高溫度38 ℃，所對應(yīng)的冷凝壓力為1.47 MPa，此冷凝溫度是由氣候條件決定的，無法調(diào)節(jié)。因此，考慮做氣氨的兩級壓縮冷凝，在球罐和低溫立式罐之間增設(shè)一閃蒸罐，閃蒸溫度-13 ℃，壓力為0.26 MPa（A），此狀態(tài)下的閃蒸氣氨進入配套的氨制冷冰機，可提高這一級氣氨進壓縮機的壓力，從而降低壓縮比。閃蒸后的-13 ℃液相氨再進入低溫常壓儲罐，閃蒸出的-33 ℃常壓的氣氨再進入配套的氨制冷冰機。流程優(yōu)化后的主物料流程圖如圖1所示。

圖1 流程優(yōu)化后主物料流程圖Fig.1 Main process diagram for the optimum process

在流程優(yōu)化前后，因為液氨從氨合成工段來至低溫常壓罐的始末狀態(tài)是相同的，所以2種流程下要求氨制冷冰機的總制冷量基本相等，而優(yōu)化后的流程能夠降低氨制冷冰機總功耗的原因在于將一級閃蒸氣化（來自界區(qū)的液氨直接進入低溫常壓罐）改變?yōu)閮杉夐W蒸氣化，在此過程中第一級閃蒸過程中氨制冷壓縮機的壓縮比顯著降低，從而提高冰機的制冷系數(shù)，有效降低冰機主電機功率。流程優(yōu)化前后氨制冷冰機的設(shè)備主要參數(shù)比較見表2。從表2中可以看出，優(yōu)化后的第一級液氨閃蒸罐配套的氨制冷壓縮機由雙機雙級減為單機單級，設(shè)備費用減小，相比較需要增加一個閃蒸罐的費用和相應(yīng)增加的調(diào)節(jié)閥及儀表、管道等，優(yōu)化前后的設(shè)備一次投資基本相等。但在另一方面，從表2中可知優(yōu)化后的氨制冷冰機主電機的計算輸入總功率則比優(yōu)化前降低16.1%，從而有效降低了設(shè)備的長期運行費用。

表2 優(yōu)化前后冰機參數(shù)Table 2 Parameters of refrigeration compressors in diverse processes

2.2 主要設(shè)備參數(shù)

1）1臺氨制冷冰機(單機單級型，常開)：流量(氣氨)3619 kg·h-1，制冷量1201kW，壓縮機電機功率400kW，排出壓力1.47 MPa(A)，附防爆電機（DIIBT4）。附屬設(shè)備：氨冷凝器、貯氨器、氨液分離器。

2）1臺氨制冷冰機(雙機雙級型，常開)：流量(氣氨)4835 kg·h-1，制冷量1699kW，壓縮機電機功率80kW＋630kW，排出壓力1.47 MPa(A) (高壓級)，附防爆電機（DIIBT4）。附屬設(shè)備：氨冷凝器、貯氨器、氨液分離器。

3）1臺液氨預(yù)熱器：冷介質(zhì)：液氨，進口溫度：-33 ℃，出口溫度：4 ℃，熱介質(zhì)：循環(huán)水，進口溫度：28 ℃，出口溫度：23 ℃，換熱面積：185 m2，液氨流量：150t·h-1，循環(huán)水用量：1200t·h-1。

4）1臺液氨閃蒸罐：Φ2400mm×6000mm(臥式)，Vn=30 m3，操作溫度-13 ℃，操作壓力0.26 MPa（A）。

5）2臺低溫液氨泵(1開1備)：流量220 m3·h-1，揚程：H=70 m，NPSHr=1.0 m，介質(zhì)：液氨，介質(zhì)溫度：-33 ℃，附防爆電機（DIIBT4），P=55kW。

6）2臺液氨裝車泵(1開1備)：流量120 m3·h-1，揚程：H=60 m，NPSHr=1.0 m，介質(zhì)：液氨，介質(zhì)溫度：4℃，附防爆電機（DIIBT4），P=37kW。

3 結(jié)語

氨庫能耗最大的用電設(shè)備是氨制冷冰機，氨儲存工藝對冰機的能耗有很大影響。在液氨儲存過程中，進氨工況下液氨氣化率最大，此時冰機的制冷負(fù)荷也最大。因此，根據(jù)氨庫的儲存規(guī)模和儲存功能的要求選擇合適的儲存方式或者儲存方式的組合，

優(yōu)化儲存工藝流程，對有效降低大型氨庫的用電負(fù)荷，減少液氨的儲存成本，尤其對以液氨儲運銷售為主業(yè)的企業(yè)提高經(jīng)濟效益具有重要意義。

[1] 馬朝玲.液氨儲存設(shè)計分析[J]. 硫磷設(shè)計與粉體工程，2004(1)：20-22.

[2] 闞紅元.大型立式圓筒形低溫儲罐簡介[J].石油化工安全環(huán)保技術(shù)，2007，28(5)：24-27.

Selection and Optimization of Liquid Ammonia Storing Procedure for Large Scale Ammonia Station

WANG Shun-cheng1, WANG Yan-hua2
(1.Guizhou East China Engineering Co. Ltd., Guiyang 550002, China; 2.Guangxi Mountainous Comprehensive Technological Development Center，Nanning 530022，China)

TQ 086.5+2

B

1671-9905(2014)06-0078-03

王順成(1985-)，男，碩士研究生，助理工程師，主要從事化工工藝和管道設(shè)計

2014-04-11