大型氨站的液氨儲(chǔ)存工藝方案選擇和優(yōu)化

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(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 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(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；氨儲(chǔ)存工藝；分級壓縮冷凝

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，而對于大型氨庫由于存儲(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，對減少冰機(jī)的設(shè)備投資以及運(yùn)行成本有重要意義。

1 液氨儲(chǔ)存工藝

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)存工藝流程比較簡單，對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；低溫常壓罐雖然操作費(fèi)用較高，對公用工程的要求高，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，因此大型氨庫中一般都應(yīng)設(shè)置有低溫常壓儲(chǔ)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(chǔ)量在8000 m3以上，則采用低溫常壓儲(chǔ)罐比較合理[2]。

2 工程實(shí)例分析

某合成氨廠氨庫現(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t·a-1合成氨產(chǎn)能所對應(yīng)的儲(chǔ)存能力需要，因此擬對氨庫進(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(jìn)入配套的氨制冷冰機(jī)，可提高這一級氣氨進(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)閮杉夐W蒸氣化，在此過程中第一級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)化后的第一級液氨閃蒸罐配套的氨制冷壓縮機(jī)由雙機(jī)雙級減為單機(jī)單級，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)，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。

3 結(jié)語

氨庫能耗最大的用電設(shè)備是氨制冷冰機(jī)，氨儲(chǔ)存工藝對冰機(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，對有效降低大型氨庫的用電負(fù)荷，減少液氨的儲(chǔ)存成本，尤其對以液氨儲(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