王順成,汪艷華
(1.貴州東華工程股份有限公司,貴州 貴陽(yáng) 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(chǔ)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(yáng) 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(wàn)t·a-1合成氨裝置配套氨站的擴(kuò)能改造設(shè)計(jì),根據(jù)氨站的儲(chǔ)存規(guī)模和功能,確定以現(xiàn)有2個(gè)5000 m3球罐儲(chǔ)存為主,新建1個(gè)20000 m3低溫常壓罐作備用儲(chǔ)存的組合儲(chǔ)存方式。通過計(jì)算比較不同存儲(chǔ)流程下的氨制冷冰機(jī)能耗,選擇在球罐和常壓立式罐之間設(shè)置閃蒸罐以實(shí)現(xiàn)氣氨分級(jí)壓縮冷凝的優(yōu)化方案,達(dá)到提高冰機(jī)制冷效率,有效降低系統(tǒng)用電能耗的效果。
氨庫(kù);氨儲(chǔ)存工藝;分級(jí)壓縮冷凝
液氨是一種可燃液體,火災(zāi)危險(xiǎn)性危害劃分為乙A類。常壓下沸點(diǎn)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(chǔ)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(yùn)行費(fèi)用、工程投資以及對(duì)公用工程的要求方面各有優(yōu)缺點(diǎn),適合于不同的儲(chǔ)存規(guī)模和儲(chǔ)存功能[1]。各種不同儲(chǔ)存方式的特點(diǎn)比較見表1。
表1 不同儲(chǔ)存方式的特點(diǎn)比較Table 1 Characteristics of liquid ammonia storing in different ways
在各種液氨儲(chǔ)存方式中,操作及運(yùn)行費(fèi)用相對(duì)較高的是低溫常壓儲(chǔ)存,這是因?yàn)樵诎惫薜倪M(jìn)料工況下,對(duì)于進(jìn)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(jī)(根據(jù)其功能也稱為保氨冰機(jī))的進(jìn)氣量和制冷量都很大,從而造成操作及運(yùn)行費(fèi)用較高,而對(duì)于大型氨庫(kù)由于存儲(chǔ)規(guī)模的因素,一般都采取低溫常壓的儲(chǔ)存方式。因此,從減少冰機(jī)能耗的角度進(jìn)行儲(chǔ)存方式的優(yōu)化組合和儲(chǔ)存流程的優(yōu)化,對(duì)減少冰機(jī)的設(shè)備投資以及運(yùn)行成本有重要意義。
液氨的儲(chǔ)存工藝主要包括液氨的儲(chǔ)存方式和儲(chǔ)存工藝流程2個(gè)方面。液氨的儲(chǔ)存方式主要由儲(chǔ)存規(guī)模決定。對(duì)于中壓和帶壓儲(chǔ)罐,因?yàn)閮?chǔ)存壓力高,所以罐壁的計(jì)算和設(shè)計(jì)厚度大,儲(chǔ)罐制作的鋼材消耗量與儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力成正比。反之,儲(chǔ)罐的儲(chǔ)存溫度越低,則設(shè)計(jì)壓力越低,儲(chǔ)罐單位鋼材用量可儲(chǔ)存的液氨量顯著增大。因此,采用低溫常壓的儲(chǔ)存方式比較經(jīng)濟(jì)。另一方面,當(dāng)單罐容積達(dá)到一定量時(shí),帶壓儲(chǔ)罐的計(jì)算壁厚過厚,在工程實(shí)際中也難以實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)罐的加工制作。在目前的實(shí)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(chǔ)罐容積則一般在10000 m3以上。此外,液氨儲(chǔ)存方式還應(yīng)根據(jù)氨站的運(yùn)行工況和不同儲(chǔ)存方式的特點(diǎn)來進(jìn)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?yàn)閮?chǔ)存工藝流程比較簡(jiǎn)單,對(duì)公用工程的要求較小,因此比較適用于儲(chǔ)存周期短的小型氨庫(kù);低溫常壓罐雖然操作費(fèi)用較高,對(duì)公用工程的要求高,但如前所述,較大的儲(chǔ)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(kù)中一般都應(yīng)設(shè)置有低溫常壓儲(chǔ)罐。國(guó)外一些工程公司綜合考慮氨庫(kù)的安全性、占地面積等方面因素認(rèn)為,如果單罐液氨儲(chǔ)量在8000 m3以上,則采用低溫常壓儲(chǔ)罐比較合理[2]。
某合成氨廠氨庫(kù)現(xiàn)僅有2個(gè)5000 m3的液氨球罐[4℃,0.4 MPa (G)],液氨儲(chǔ)存天數(shù)僅為3.8 d,無法滿足目前50萬(wàn)t·a-1合成氨產(chǎn)能所對(duì)應(yīng)的儲(chǔ)存能力需要,因此擬對(duì)氨庫(kù)進(jìn)行擴(kuò)建,增加液氨儲(chǔ)罐,同時(shí)綜合考慮已有球罐,選擇合適的儲(chǔ)存方式和工藝流程。
2.1 儲(chǔ)存工藝選擇
2.1.1 儲(chǔ)存方式
根據(jù)《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》SH/ T 3007-2007,產(chǎn)品液氨的建議儲(chǔ)存天數(shù)為:公路運(yùn)輸10~15d,鐵路運(yùn)輸10~20 d,管道輸送7~10d?,F(xiàn)有氨庫(kù)僅有2個(gè)5000 m3的低溫帶壓球罐[4℃,0.4 MPa(G)],最大總儲(chǔ)量為5 700 t(以液氨儲(chǔ)罐的最大儲(chǔ)存系數(shù)0.9計(jì)算),按產(chǎn)品液氨的最少存儲(chǔ)天數(shù)要求10 d來設(shè)計(jì),還需增加的氨罐儲(chǔ)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(chǔ)存容積為:9300/0.633=14692 m3。如果儲(chǔ)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(gè)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(jì)中,從需要新增的儲(chǔ)存容積,建設(shè)用地的合理充分利用以及現(xiàn)有氨庫(kù)的實(shí)際情況等角度綜合考慮,選擇增加1個(gè)20000 m3的低溫常壓儲(chǔ)罐(-33℃,常壓,雙壁單防罐),則氨庫(kù)總儲(chǔ)存天數(shù)可達(dá)到12 d,滿足前述規(guī)范的建議天數(shù)要求。
2.1.2 儲(chǔ)存工藝流程
1)主物料流程。液氨從氨合成工段進(jìn)入罐區(qū)的溫度和壓力為12.5℃、0.6 MPa(G),氨庫(kù)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(jìn)氨工況下,液氨進(jìn)入儲(chǔ)罐發(fā)生絕熱閃蒸氣化,對(duì)絕熱過程進(jìn)行熱量衡算可求得氣化率。在上述條件下,液氨進(jìn)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(jìn)氨條件下,采用球罐作為緩沖儲(chǔ)存,可以降低氨制冷冰機(jī)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(yùn)的中間緩沖罐可以降低管道材料等級(jí)和減少管道冷量損失。因此在本設(shè)計(jì)中,液氨自氨合成工段來先進(jìn)入球罐,再經(jīng)球罐依靠自身壓力進(jìn)入低溫常壓儲(chǔ)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(chǔ)存和外運(yùn)的緩沖儲(chǔ)存要求;在液氨銷售不正常的情況下,則考慮用低溫常壓儲(chǔ)罐作為產(chǎn)品液氨的長(zhǎng)期存儲(chǔ)。當(dāng)需要外運(yùn)時(shí),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(chǔ)存,球罐中的液氨再由裝車泵送至火車裝車站臺(tái)。
2)流程優(yōu)化。在采用上述流程時(shí),在低溫常壓罐進(jìn)氨工況下,單臺(tái)冰機(jī)的計(jì)算制冷量為1289 kW,制冷系數(shù)在2.0左右,僅制冷壓縮機(jī)所需軸功就將達(dá)到645 kW。壓縮機(jī)的功耗與壓縮比直接相關(guān)。壓縮機(jī)出口的冷凝溫度是循環(huán)冷卻水可能達(dá)到的最高溫度38 ℃,所對(duì)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(jí)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(jìn)入配套的氨制冷冰機(jī),可提高這一級(jí)氣氨進(jìn)壓縮機(jī)的壓力,從而降低壓縮比。閃蒸后的-13 ℃液相氨再進(jìn)入低溫常壓儲(chǔ)罐,閃蒸出的-33 ℃常壓的氣氨再進(jìn)入配套的氨制冷冰機(jī)。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?yàn)橐喊睆陌焙铣晒ざ蝸碇恋蜏爻汗薜氖寄顟B(tài)是相同的,所以2種流程下要求氨制冷冰機(jī)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(jī)總功耗的原因在于將一級(jí)閃蒸氣化(來自界區(qū)的液氨直接進(jìn)入低溫常壓罐)改變?yōu)閮杉?jí)閃蒸氣化,在此過程中第一級(jí)閃蒸過程中氨制冷壓縮機(jī)的壓縮比顯著降低,從而提高冰機(jī)的制冷系數(shù),有效降低冰機(jī)主電機(jī)功率。流程優(yōu)化前后氨制冷冰機(jī)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(jí)液氨閃蒸罐配套的氨制冷壓縮機(jī)由雙機(jī)雙級(jí)減為單機(jī)單級(jí),設(shè)備費(fèi)用減小,相比較需要增加一個(gè)閃蒸罐的費(fèi)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(jī)主電機(jī)的計(jì)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(zhǎng)期運(yùn)行費(fèi)用。
表2 優(yōu)化前后冰機(jī)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(tái)氨制冷冰機(jī)(單機(jī)單級(jí)型,常開):流量(氣氨)3619 kg·h-1,制冷量1201kW,壓縮機(jī)電機(jī)功率400kW,排出壓力1.47 MPa(A),附防爆電機(jī)(DIIBT4)。附屬設(shè)備:氨冷凝器、貯氨器、氨液分離器。
2)1臺(tái)氨制冷冰機(jī)(雙機(jī)雙級(jí)型,常開):流量(氣氨)4835 kg·h-1,制冷量1699kW,壓縮機(jī)電機(jī)功率80kW+630kW,排出壓力1.47 MPa(A) (高壓級(jí)),附防爆電機(jī)(DIIBT4)。附屬設(shè)備:氨冷凝器、貯氨器、氨液分離器。
3)1臺(tái)液氨預(yù)熱器:冷介質(zhì):液氨,進(jìn)口溫度:-33 ℃,出口溫度:4 ℃,熱介質(zhì):循環(huán)水,進(jìn)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(tái)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(tái)低溫液氨泵(1開1備):流量220 m3·h-1,揚(yáng)程:H=70 m,NPSHr=1.0 m,介質(zhì):液氨,介質(zhì)溫度:-33 ℃,附防爆電機(jī)(DIIBT4),P=55kW。
6)2臺(tái)液氨裝車泵(1開1備):流量120 m3·h-1,揚(yáng)程:H=60 m,NPSHr=1.0 m,介質(zhì):液氨,介質(zhì)溫度:4℃,附防爆電機(jī)(DIIBT4),P=37kW。
氨庫(kù)能耗最大的用電設(shè)備是氨制冷冰機(jī),氨儲(chǔ)存工藝對(duì)冰機(jī)的能耗有很大影響。在液氨儲(chǔ)存過程中,進(jìn)氨工況下液氨氣化率最大,此時(shí)冰機(jī)的制冷負(fù)荷也最大。因此,根據(jù)氨庫(kù)的儲(chǔ)存規(guī)模和儲(chǔ)存功能的要求選擇合適的儲(chǔ)存方式或者儲(chǔ)存方式的組合,
優(yōu)化儲(chǔ)存工藝流程,對(duì)有效降低大型氨庫(kù)的用電負(fù)荷,減少液氨的儲(chǔ)存成本,尤其對(duì)以液氨儲(chǔ)運(yùn)銷售為主業(yè)的企業(yè)提高經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。
[1] 馬朝玲.液氨儲(chǔ)存設(shè)計(jì)分析[J]. 硫磷設(shè)計(jì)與粉體工程,2004(1):20-22.
[2] 闞紅元.大型立式圓筒形低溫儲(chǔ)罐簡(jiǎn)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(jì)
2014-04-11