孔曉軍 李玉鳳 金加興

中石化寧波工程有限公司 315103

空分裝置低溫罐區(qū)設計探討

孔曉軍*李玉鳳 金加興

中石化寧波工程有限公司 315103

通過對空分裝置低溫罐區(qū)設備選型、排液方式、建筑物設置的比較，探討各自的優(yōu)缺點，對今后空分裝置低溫罐區(qū)的設計提供借鑒及參考。

空分裝置 低溫罐區(qū) 設計

目前國外主要空分廠商有法國液化空氣公司、德國林德公司和美國空氣化工產(chǎn)品公司(AP)。國內(nèi)主要有杭州杭氧股份有限公司、開封空分集團有限公司和四川空分設備有限公司等。

不同的空分廠商其低溫罐區(qū)的設計及做法各有不同，低溫罐區(qū)不僅在裝置開車初期、檢修時及氣體峰值用量時為下游裝置提供充足氮、氧氣體的作用，更能起到儲存液體產(chǎn)品進行外賣的作用。在國內(nèi)廠家逐漸學習并自主研發(fā)成套工藝的當下，如何作出設備的選型，如何正確的設計罐區(qū)的建構(gòu)筑物，在此時顯得尤為重要。

1 低溫罐區(qū)設備選型比較

低溫罐區(qū)包含低溫儲罐、低溫泵、汽化器等設備，設備間通過管道連通，管道用保冷材料包裹。其主流程見圖1。

圖1 流程示意

1.1 低溫儲罐

低溫儲罐通常根據(jù)產(chǎn)品的規(guī)模來確定，當作為中間過程儲罐，或者儲蓄量較小(通常指5～200m3)時，一般選用低溫立式或臥式雙層真空絕熱儲罐，內(nèi)膽選用材料為奧氏體不銹鋼，外容器材料根據(jù)用戶地區(qū)不同，按國家規(guī)定選用為Q235-B或345R，內(nèi)、外容器夾層充填絕熱材料珠光砂并抽真空。

儲存大量低溫液體時選用大型珠光砂堆積絕熱平底低溫液體儲罐，目前由國內(nèi)設計制造(現(xiàn)場)的容量為200m3以上的大型珠光砂堆積平底低溫儲罐(液氧、液氮、液氬)的技術(shù)已經(jīng)比較成熟，儲罐的性能亦較好。大型低溫液體儲罐的外形結(jié)構(gòu)一般采用雙筒壁、平底、拱頂、珠光砂堆積絕熱。由相互獨立的內(nèi)罐、外罐和保冷層組成，置于一定高度的水泥基礎(chǔ)平臺上，水泥基礎(chǔ)平臺離開地面有一定的距離，并保持通風，以防止基礎(chǔ)平臺因土壤的水分結(jié)凍而損壞基礎(chǔ)，同時確保低溫液體泵有一定的凈吸入壓頭[1]。

(1)真空絕熱儲罐在設備廠內(nèi)制造，工期短；由于其自身帶壓，對于安裝高度要求不高，安裝方便；與同容積平底低溫儲罐相比，真空絕熱儲罐保冷效果好，但為保證保冷效果需定期抽真空，且一次投入較高。

(2)平底低溫儲罐需現(xiàn)場制造，工期長；自身為常壓，需有較高的基礎(chǔ)以滿足低溫泵的凈吸入壓頭；與同容積真空絕熱儲罐相比，保冷效果較差，但設備造價較低，且當設備容積較大時，整體保冷性能會顯著高于真空絕熱儲罐。

1.2 低溫泵

對于低溫泵(特別是深冷泵)來說，液化介質(zhì)(如液氧-183℃、液氮-196℃、液氬-186℃)的溫度很低，在低溫環(huán)境下，材料將會脆化，強度提高、韌性降低，所以對于低溫泵來說，多采用奧氏體系列不銹鋼。為提高低溫泵密封的可靠性，防止介質(zhì)外泄和外部氣體進入泵體，通常采用雙端面機械密封或充氮氣迷宮密封。

目前低溫泵主要有兩種形式，往復式和離心式，通常流量為0.25～30m3/h時選用低溫往復泵，30～2000m3/h時選用離心低溫泵[3]。

(1)往復式低溫泵泵出口壓力較高，設備已國產(chǎn)化，一次性投入較低，但相比同樣能力的離心泵，往復泵占地大，且介質(zhì)流動不穩(wěn)定，設備及管線振動明顯，長周期運行可能發(fā)生泵體及管道泄漏等問題。

(2)低溫離心泵可處理較大流量液體，出口流體連續(xù)穩(wěn)定，但不適合大壓頭小流量的工況，且高壓離心泵幾乎被國外壟斷，一次投入較高。

1.3 汽化器

空分裝置的汽化器通常分為空溫式汽化器和水浴式汽化器。

(1)空溫式汽化器利用環(huán)境中空氣對流的氣體熱與低溫液體進行熱交換使低溫液體汽化，無需額外動力和能源消耗，且無需其它零部件，它具有對周邊條件依賴小，啟用準備時間短的特點，可保證出口氣體溫度不低于環(huán)境15℃。換熱翅片管為鋁合金材質(zhì)，內(nèi)套管為304不銹鋼管，使其性能穩(wěn)定，維護簡單，無其他能源消耗，是一種高效、經(jīng)濟的換熱設備[2]，但占地大、使用時間受限，一次投入高。

(2)水浴式汽化器是利用熱水與低溫液態(tài)氣體進行熱交換使低溫液體汽化。低溫液體經(jīng)過水浴式汽化器加溫從液態(tài)轉(zhuǎn)換為氣態(tài)，能使供氣量充足，壓力穩(wěn)定。對于大型企事業(yè)單位，在熱水、蒸氣或電力充足的條件下，采用水浴式汽化器更能充分保證換熱效率，水浴式汽化器還有結(jié)構(gòu)緊湊占地小，價格低等優(yōu)點。

以上設備的選型主要根據(jù)罐區(qū)的規(guī)模、下游用氣用戶的要求、占地、經(jīng)濟性等各方面因素綜合考慮而作出選擇。

液氧儲罐由于其介質(zhì)的特殊性，布置時需嚴格按照《建筑設計防火規(guī)范》GB 50016-2014中4.3.3～4.3.6的規(guī)定執(zhí)行。根據(jù)GB 50030-2013 中3.0.17液氧儲罐和汽化器的周圍宜設圍墻或柵欄，并應設明顯的禁火標志。其余低溫液體儲罐的布置無特殊要求，如標準有要求的按標準執(zhí)行，但在低溫液體儲槽周圍環(huán)境中，低溫液體泄漏氣化后易形成富氣區(qū)域。若氮、氬濃度較大時，極易引起窒息傷害。因此，低溫液體儲罐周圍也應同液氧儲罐一樣設圍墻或柵欄。

2 罐區(qū)排液及建筑物型式比較

2.1 排液方式及收集

目前主流的低溫罐區(qū)排凈管道及安全閥放空管道布置有兩種方式：直接就地排放的方式和總管收集排液方式。

2.1.1 直接就地排放的方式

低溫罐本體排液閥門、管道上設置的排氣及排液閥門及安全閥的放空均直接朝向罐區(qū)地面，由于該方式閥后出口管道較短，有利于操作人員直接觀察管道預冷情況和判斷已運行的管道內(nèi)是否存在氣體。且該方式可有效減少排液管道長度，減少材料及施工成本，簡化了罐區(qū)管道的布置，方便人員通行和檢修。但罐區(qū)排液點較多且分散，可能會有低溫液體飛濺而凍傷人的情況發(fā)生。

當采用直接就地排液時，排液點較分散，此時罐區(qū)內(nèi)地坪不得采用混凝土地面，低溫液體排至混凝土地面時會發(fā)生融凍破壞導致混凝土由表及里的剝蝕。這種情況下可在壓實罐區(qū)內(nèi)沙土后鋪設碎石，一方面可有效滲漏自然降水、防止揚塵、降低造價，另一方面低溫液體排至碎石上增大汽化面積有利于揮發(fā)。但此類地面平整度、舒適度都無法與混凝土地面相比，為方便人員通行可在碎石上鋪設一條需經(jīng)常巡檢的鋼格柵通道。

2.1.2 總管收集排液方式

該方式要求所有設備及管道上的排液管、放空管匯入一共用的排液總管，并將該總管引至指點的排放地點集中處理，此方式可有效避免操作人員因排液或者安全閥起跳等情況下低溫液體飛濺而凍傷的事故。但排液管道較長，低溫液體通過此排液管后汽化量大，冷泵及運行時較難發(fā)現(xiàn)主管內(nèi)是否存在氣體。

2.1.3 收集殘液

當采用集液總管收集排液時，由于不同成套廠家的理念不一致，有采用殘液坑收集，也有采用殘液排放器收集。

(1)利用殘液坑收集殘液時，殘液坑做法見圖2。坑壁采用混凝土砌筑內(nèi)包不銹鋼薄板，坑內(nèi)由下及上分別鋪墊細沙、玻璃纖維、碎石或鵝卵石，低溫殘液總管布置于坑中心上方緊貼碎石(鵝卵石)頂面。此排液坑不僅能保護罐區(qū)混凝土不受凍壞，且能有效增大換熱面積利于液體汽化并能起到阻止冷量下滲的作用。

圖2 殘液坑

(2)利用殘液排放器收集殘液時，殘液排放器做法見圖3。排放器整體采用不銹鋼制造，筒體內(nèi)外鋪填鵝卵石，筒內(nèi)底部及筒外底部均鋪設低壓氮氣進行加溫置換。筒蓋頂接放空管，氧氣放空高度應高于地面4.5m以上，氮氣放空口高度應高于地面4m以上，為防止雨水進入筒內(nèi)導致桶內(nèi)結(jié)冰，需在放空管頂部設置倒“U”型彎。

圖3 殘液排放器

以上兩種做法，筆者較傾向后者，當啟停泵時排液量多的情況下，大量液體氣化，若采用殘液坑，氮氣或者氧氣會富集于坑內(nèi)，容易造成人員窒息及火災發(fā)生的可能性。而殘液排放器排放高度為高出地面4m，在敞開環(huán)境下氧氣或氮氣會被空氣稀釋并吹散，并且在排放器工作時有儀表空氣置換，這樣增加人員及設備的安全。

2.2 圍堰的設置

空分裝置的低溫罐區(qū)含液氧和液氮等液化氣體，低溫液體在101.3 kPa壓力下的沸點：液氮為-196℃，液氧為-183℃，當罐區(qū)罐體破裂，液體會吸收周圍環(huán)境熱量，迅速氣化，基于介質(zhì)極易氣化、窒息及助燃的特性，再次對罐區(qū)四周是否需要設置圍堰或者防火堤進行探討。

目前針對液氧、液氮罐區(qū)是否需要設置防火堤或者圍堰規(guī)范中未做要求，但在業(yè)內(nèi)大部分空分裝置的罐區(qū)均設置了圍堰，也有部分空分裝置設置防火堤。設置圍堰和防火堤存在的利弊：

(1)罐區(qū)內(nèi)的儲罐均為單防罐，存在內(nèi)罐破裂、罐內(nèi)液體外泄的可能。但該類液體極易氣化，若設置防火堤起不到阻擋液體外泄的作用。

(2)設置防火堤，當液氮罐破裂時堤內(nèi)會富集氮氣，極易引起窒息傷害；當液氧罐破裂時堤內(nèi)會富集氧氣，可引起富氧傷害，若周圍有可燃物遇明火時極易引起燃燒。

(3)不設置圍堰或者防火堤，低溫液體大量泄漏時部分液體未及時氣化可流出罐區(qū)，影響其它區(qū)域。

根據(jù)以上幾點空分罐區(qū)不應設置防火堤而應采用圍堰。

圍堰的設置應符合的要求[4]：① 圍堰高出堰區(qū)地面的高度不應小于150mm；② 圍堰內(nèi)應有排水設施；③ 圍堰內(nèi)地面應坡向排水設施，坡度不宜小于0.003。

為方便自然落雨順利排出罐區(qū)，圍堰內(nèi)應設置排水溝及集水坑等排水設施。集水坑應起到收集雨水和阻止液氮、液氧流入雨水收集系統(tǒng)的功能。集水坑型式見圖4，此類集水坑當有液氮或液氧流入時，原本坑內(nèi)水會迅速結(jié)冰，液氮和液氧無法流入排水管，只能在冰上積聚再氣化蒸發(fā)。為防止集水坑內(nèi)表面混凝土凍裂，集水坑內(nèi)壁需襯不銹鋼鋼板。

圖4 集水坑

3 實例分析

以某中試裝置液氧罐區(qū)為例，由于中試裝置氧氣用量小，液氧儲罐容積僅為30m3，故選用真空絕熱貯槽為儲罐，低溫往復泵和空溫式汽化器為增壓汽化裝置。圍堰內(nèi)鋪設碎石，并設地溝、集水坑、殘液坑。其裝置液氧罐區(qū)的具體布置見圖5。

4 結(jié)語

空分低溫罐區(qū)的設計首先在于設備的選型，待所有設備選型結(jié)束，再考慮排液方式、地坪及圍

圖5 某裝置液氧罐區(qū)布置

堰設置等。目前國內(nèi)供貨商對空分低溫罐區(qū)的設計并未有過多的要求，反觀國外供貨商對該部分設計有大量要求，此文對低溫罐區(qū)的設計進行了初步的闡述，供相關(guān)人員參考。

1 葉臻國.大型低溫液體貯罐的主要結(jié)構(gòu)設計[J].深冷技術(shù)，1999，(6)：16-19.

2 賈 晨，王陽陽，耿小鵬.撬裝式液氮汽化裝置設計[J].新產(chǎn)品開發(fā)，2015，42(10)：47-49.

3 В.В.Буреиин，張國銘.現(xiàn)代低溫泵的結(jié)構(gòu)[J].低溫與特氣，1984，(01)：35-37.

4 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局特種設備安全監(jiān)察局.全國壓力管道設計審批人員培訓教材(2版)[M].北京：中國石化出版社，2013.

2016-12-12)

*孔曉軍：工程師。2008年畢業(yè)于中國石油大學(華東)過程裝備與控制工程?，F(xiàn)主要從事石油化工裝置管道設計。 聯(lián)系電話：13646639667，E-mail: kongxj.snec@sinopec.com。