冰機進口氣氨帶液聯(lián)鎖跳車事故分析及解決措施

郭文龍，宋文戈，張 龍，劉曉明，趙小飛

（山西陽煤豐喜泉稷能源有限公司，山西稷山 043200）

山西陽煤豐喜泉稷能源有限公司 “稷山焦爐氣綜合利用生產(chǎn)尿素聯(lián)產(chǎn)LNG轉(zhuǎn)型升級項目”，設(shè)計產(chǎn)能為300kt／a合成氨、520kt／a尿素、聯(lián)產(chǎn)65kt／aLNG（簡稱 “30·52”項目），是全國單套產(chǎn)能最大的焦爐氣綜合利用項目。項目建設(shè)期間，受焦炭市場萎縮的影響，所在園區(qū)原來擬建設(shè)的部分焦化項目遲遲未能落地，如此一來，“30·52”項目生產(chǎn)所需的焦爐氣無法保障，迫不得已，公司上了2臺投煤量750t／d的水煤漿水冷壁氣化爐 （晉華爐）。

“30·52”項目工藝流程：焦化廠送來的焦爐氣匯聚后，進入電捕焦油器除焦油、飽和器脫氨，之后送入氣柜，然后經(jīng)螺桿壓縮機提壓至0.7MPa送變溫吸附工段完成脫萘脫苯，再由往復式壓縮機提壓至4.0MPa送入脫汞加氫工段，將焦爐氣中的有機硫轉(zhuǎn)化為無機硫、烯烴轉(zhuǎn)化為飽和烴；出加氫工段的焦爐氣與煤氣化系統(tǒng)送來的水煤氣混合后經(jīng)脫毒槽進入變換爐，出口變換氣經(jīng)降溫、分離和脫氨后進入低溫甲醇洗系統(tǒng)脫硫脫碳，系統(tǒng)閃蒸出的H2S送ECOSA濕法制硫酸系統(tǒng)，脫吸的CO2則作為尿素合成的原料；出CO2吸收塔的凈化氣不經(jīng)復熱直接送往液氮洗系統(tǒng)，脫除氣體中的微量CO和CH4，再經(jīng)加熱后送入氨合成塔，氨合成系統(tǒng)冷凝分離得到的產(chǎn)品液氨送球罐，用作下游尿素裝置 （采用荷蘭Stamicarbon公司的CO2汽提工藝）的原料。

項目所選工藝技術(shù)中，水煤漿水冷壁加壓氣化工藝、水移熱等溫變換工藝等2項技術(shù)達到國內(nèi)先進水平；以焦爐氣＋水煤氣為原料，配套低溫甲醇洗脫硫脫碳工藝在業(yè)內(nèi)較罕見；低壓氨合成工藝、ECOSA濕法制硫酸工藝，以及液氮洗和LNG深冷分離2套裝置均采用首次引進技術(shù)，而將液氮洗和LNG深冷分離2個單元結(jié)合起來的工藝在國內(nèi)尚屬首次應用。

“30·52”項目于2013年6月開始籌建，2015年12月一次開車成功。隨著設(shè)備大型化技術(shù)的成熟，“30·52”項目合成氨裝置只配備了1臺3MCL708＋2MCL706冰機的弊端逐漸暴露出來，若其不能正常運轉(zhuǎn)，將直接威脅整個生產(chǎn)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。

1 冰機系統(tǒng)流程簡述

來自低溫甲醇洗等工段氨冷器的氣氨［0.034MPa（A）、－40℃）］進入一段進口分離器進行氣液分離，再經(jīng)過濾器過濾后進入壓縮機一段入口；來自氨合成系統(tǒng)的氣氨 （0.133 MPa、－10℃）和來自過冷器的氣氨 （0.131 MPa、－15℃）進入二段進口分離器氣液分離后，與冰機一段出口氣氨 （0.136MPa、60℃）混合并過濾后，進入冰機二段進行壓縮；逐級壓縮后，冰機四段出口氣氨 （1.66MPa、103℃）經(jīng)末級冷卻器冷卻至45℃后進入蒸發(fā)式水冷器，冷卻為40℃的液氨后送液氨儲槽。液氨儲槽的不凝氣經(jīng)不凝氣分離器冷卻回收后進入火炬總管，分離出的氣氨則送至冰機一段入口回收利用；儲槽內(nèi)的液氨一部分直接送至尿素界區(qū)作為原料，另一部分經(jīng)過冷器再次冷卻后送至氨合成系統(tǒng)和低溫甲醇洗系統(tǒng)作為制冷劑循環(huán)利用。

一段進口分離器的進料包括不凝氣分離器、冰機一段防喘振副線和低溫甲醇洗系統(tǒng)氨冷器來的氣氨，以及二段進口分離器分離出的液氨。

2 冰機進口氣氨帶液聯(lián)鎖跳車事故及原因分析

從 “30·52”項目的工藝流程可以看出，系統(tǒng)管線長，互聯(lián)互通單元多，提供冷量的氨冷器數(shù)量眾多，而制冷過程中蒸發(fā)產(chǎn)生的氣氨都要回到冰機進口重新加壓、冷卻為液氨，但 “30·52”項目300kt／a合成氨裝置只配套了1臺離心式冰機，在其一段進口配備了1臺氨分離器，正常生產(chǎn)情況下，如果氣氨中有部分液氨析出，會在一段進口分離器內(nèi)分離出來，用離心式液氨泵 （A／B）打入液氨儲槽，但實際生產(chǎn)中偶爾會發(fā)生一段進口分離器瞬間滿液，未分離的液氨被氣氨帶入冰機進口造成冰機聯(lián)鎖跳車的事故，尤其易發(fā)生在系統(tǒng)開車階段。這一問題自2015年系統(tǒng)原始開車以來一直無法徹底消除，已多次造成非正常停車，所幸處理及時沒有造成大的危害。如果不消除此隱患，一旦發(fā)現(xiàn)不及時或處理不當，輕則冰機機身振動損壞，重則管道法蘭開裂、液氨泄漏，可能釀成嚴重的安全生產(chǎn)事故。

2.1 液氨的來源

系統(tǒng)內(nèi)氨冷器數(shù)量多、氣氨管線長、操作控制繁雜，氨冷器至冰機進口分離器管路中的氣氨會部分冷凝成液氨；氨冷器液位高、蒸發(fā)量大或者設(shè)備發(fā)生故障時，也會產(chǎn)生氣氨帶液現(xiàn)象。這些液氨積存在管路的低點，當管路憋壓超過液封阻力后，液氨會被瞬間壓入冰機一段進口分離器，而由于一段進口分離器容積有限，短時間內(nèi)大量帶入的液氨來不及分離和外排，一部分會隨氣氨直接進入冰機進口，造成冰機聯(lián)鎖跳車。

2.2 液氨無法外送

生產(chǎn)中，雖然一段進口分離器現(xiàn)場和遠傳液位計都顯示有液氨，但離心式液氨泵 （A／B）啟動后卻打不上液，無法將一段進口分離器中的液氨外送。首先想到的是液氨儲槽壓力過高造成液氨泵憋壓，但將液氨儲槽放空閥打開泄壓卻無濟于事。經(jīng)分析，認為主要原因在于兩方面：一是分離器內(nèi)呈負壓，氣氨的密度又小，液氨泵入口壓力達不到設(shè)計的必需汽蝕余量；二是液氨泵啟動后，泵體內(nèi)的液氨汽化，形成了汽蝕。

3 解決措施

經(jīng)上述分析后確定，要解決冰機進口氣氨帶液聯(lián)鎖跳車的問題，主要要從解決氣氨帶液和一段進口分離器內(nèi)液氨外送問題兩方面入手，通過精心操作、認真巡檢并采取一些技改措施予以解決。

3.1 氨冷器氣相帶液問題的解決

這里所說的帶液主要指氨冷器出口氣相帶液。系統(tǒng)運行過程中，氨冷器的液位一般控制在1／2～2／3之間。液位偏低，液氨與管程內(nèi)的介質(zhì)接觸面減少，影響換熱效果；液位過高，殼程內(nèi)液氨蒸發(fā)空間不足，不僅影響換熱效果，也容易造成帶液。因此，正常操作中一般將氨冷器的液位設(shè)定在50%。但若儀表信號失真或液位計故障等問題造成實際液位高于遠傳液位計示數(shù)，也容易發(fā)生帶液問題而不知曉，這就需要通過認真巡檢及時發(fā)現(xiàn)液位偏差；另外，如果低溫甲醇洗等工段甲醇溫度控制過高，降溫過程中液氨蒸發(fā)加快或者說負荷加大，也會導致氨冷器出口氣相帶液；還有的生產(chǎn)企業(yè)曾發(fā)生過氨冷器的補氨閥開啟過快，造成進口氣氨帶液而冰機聯(lián)鎖跳車的事故。另外，冰機省功器負荷調(diào)整不及時、吸氣壓力過低也可能造成冰機液氨蒸發(fā)量過大，甚至暴沸，同樣會造成進口氣氨帶液，從而導致冰機聯(lián)鎖跳車。上述這些都是操作方面的問題，可通過加強日常操作管理予以避免。設(shè)備方面的原因，可能有氨冷器氣氨出口處的除沫器損壞等。

3.2 冰機進口氣氨帶液問題的解決

要從源頭上解決冰機帶液問題，還可考慮在氣氨管路的最低點加導淋，但由于液氨是帶有強烈刺激性氣味的?；罚苯油馀挪灰资占幚?，于是我們最終選擇引蒸汽管到氣氨管路低點和一段進口分離器以將積存的液氨汽化的方法加以解決。具體做法為：將低溫甲醇洗氨冷器出口上管架一處長5m左右的U形彎的保溫層剖開，在下面緊貼管壁固定1排蒸汽管；對于一段進口分離器，則直接將2根蒸汽排污管的排放口布置在分離器的底部。不過這樣做有如下缺點：一是浪費蒸汽，況且用蒸汽給冷卻設(shè)備加熱本身是一種極大的能量浪費；二是無法及時控制蒸汽量，尤其是當沒有液氨積存時，外加的熱量將造成冰機進口氣氨溫度升高，冰機負荷加重，電耗增加。

3.3 液氨無法外送問題的解決

如果能將一段進口分離器中積存的液氨及時送入液氨儲槽，帶液問題將迎刃而解。設(shè)計中有一開一備2臺大連環(huán)友屏蔽泵有限公司生產(chǎn)的N33A-322HBM逆循環(huán)泵 （液氨泵 A／B），雖然該泵是針對易揮發(fā)低溫有毒液體設(shè)計的專用泵，但在實際使用過程中經(jīng)常打不上液，應該是實際運行條件不具備造成的。

實際工況：溫度 －38℃、壓力 59.49～64.86kPa，液氨儲槽壓力1.26MPa；－38℃下液氨的飽和蒸氣壓為79kPa、密度687.5kg／m3。為保證壓力波動時液氨泵也能穩(wěn)定運行，取60kPa為計算標準，利用柏努利方程式Z1g＋（p1／ρ）＋（u1／2）2＝Z2g＋（p2／ρ）＋（u2／2）2推導可得 ΔZ＝Z2－Z1＝（p1－p2）／（ρg）＝（79－60）×103／（687.5×9.81）＝2.82m （重力加速度為9.81m／s2），即一段進口分離器內(nèi)的液位和液氨泵進口的位差要達到2.82m以上，才能保證離心式液氨泵的正常運轉(zhuǎn)。另外，為防止離心式液氨泵啟動后液氨汽化，可在泵殼上 （離中心越近越好）增加排氣閥。

如果現(xiàn)場工藝管線布置條件允許，可以將一段進口分離器從系統(tǒng)切出，用氣氨或氮氣等惰性氣體補壓，只要能達到79kPa以上，就能保證離心式液氨泵正常運行。此法只是個臨時應急措施，因為其弊端是冰機暫時失去了最后的保障，前工段一旦出現(xiàn)帶液，會直接造成冰機聯(lián)鎖跳車。但在實際操作中，這種方法還是很實用的，我們在系統(tǒng)停車改造之前，一直用這種方法保證一段進口分離器內(nèi)的液氨及時外送液氨儲槽的。

3.4 液氨泵改型建議

雖然離心泵在化工生產(chǎn)中使用比較普遍，但離心泵啟動前泵殼內(nèi)需充滿被輸送的液體，才能保證啟動后不斷形成負壓區(qū)，以將被輸送液體源源不斷地吸入泵內(nèi)并完成液體輸送。就我公司冰機系統(tǒng)的液氨泵而言，情況是比較復雜的。首先，液氨的沸點只有－33.5℃，系統(tǒng)又處于抽負壓狀態(tài)，而周圍環(huán)境溫度又相對較高，使本身就屬于易揮發(fā)物質(zhì)的液氨極易汽化，尤其是在啟泵的過程中，如果冷泵達不到要求，操作將更加困難；其次，如果前工段過來的液氨帶有少許水分，水在該工況下很容易結(jié)冰，冰渣可能堵塞離心式液氨泵進口濾網(wǎng)，使液氨泵無法打液。針對業(yè)內(nèi)眾多企業(yè)出現(xiàn)的這一共性問題，筆者認為此工況下液氨輸送還是不太適合用離心泵，建議選擇容積泵，如果有條件，直接選用潛液泵最好。

4 結(jié)束語

通過分析冰機進口氣氨帶液的原因，分別從液氨來源和分離器液氨外送兩方面著手解決問題，并對同類工況的液氨輸送機械選型提出建議。實際操作中，當發(fā)現(xiàn)冰機進口氣氨少量帶液時，可關(guān)小入口閥，稍開防喘振閥，以提高進口氣氨的溫度，將液氨汽化，同時聯(lián)系氨合成和低溫甲醇洗操作崗位適當降低氨冷器液位，這樣可避免出現(xiàn)嚴重帶液事故而導致冰機聯(lián)鎖跳車。