氨制冷系統(tǒng)中不凝性氣體的產(chǎn)生及其排除的研究探討

房世環(huán)

(中國石化濟(jì)南分公司，山東 濟(jì)南 250101)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，石蠟產(chǎn)品的應(yīng)用越來越廣泛，為了擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模以滿足社會(huì)需求，中石化濟(jì)南分公司分別于2007年和2012年新上兩套加工量各為3.0萬t/a石蠟成型裝置，與之配套的石蠟冷卻系統(tǒng)分別采用武冷和煙冷提供氨制冷系統(tǒng)。在氨系統(tǒng)運(yùn)行中，不可避免的要出現(xiàn)不凝性氣體越積越多，這樣就會(huì)造成氨壓機(jī)能量提高、負(fù)荷增加、出口溫度升高、氨系統(tǒng)高壓部分壓力過高，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起安全閥起跳。在氨制冷系統(tǒng)中，所謂的不凝性氣體是指在氨系統(tǒng)工作時(shí)，在蒸發(fā)冷凝器中特定的溫度、壓力下，氣體不能冷凝成液體而是以氣體狀態(tài)存在于氨系統(tǒng)中，這些氣體主要包括氮?dú)?、氧氣、氫氣、二氧化碳、碳?xì)錃怏w以及其他惰性氣體等。針對氨系統(tǒng)中不凝性氣體的危害，現(xiàn)將就氨制冷系統(tǒng)在使用、管理、維護(hù)過程中不凝性氣體的混入，對氨制冷系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來的危害、如何避免氨制冷系統(tǒng)混入不凝性氣體以及如何安全高效地排除不凝性氣體展開討論研究。

1 不凝性氣體的產(chǎn)生

1.1 在液氨儲(chǔ)罐充注液氨前，氨制冷系統(tǒng)抽真空不充分或者系統(tǒng)密封沒做好，導(dǎo)致在保負(fù)壓期間空氣乘虛而入

在對液氨儲(chǔ)罐充注液氨之前，要對氨系統(tǒng)高、低壓部分用高壓氮?dú)膺M(jìn)行24 h保正壓氣密試壓；在正壓氣密試壓合格后，再對氨系統(tǒng)高、低壓部分進(jìn)行抽真空24 h保負(fù)壓試壓。正負(fù)壓試壓均合格后才能對氨儲(chǔ)罐進(jìn)行液氨充注，并對氨系統(tǒng)高、低壓部分依次補(bǔ)入液氨，但是有時(shí)會(huì)因?yàn)楦鞣N主、客觀因素的影響，致使氨系統(tǒng)的抽真空不充分或者系統(tǒng)密封沒做好，導(dǎo)致氨系統(tǒng)內(nèi)仍殘留少量的氮?dú)饣蚩諝獾取?/p>

1.2 液氨儲(chǔ)罐補(bǔ)充液氨時(shí)帶入氨系統(tǒng)中

在液氨儲(chǔ)罐充注液氨之前，液氨槽車與液氨儲(chǔ)罐的連接管線中充滿了空氣，這種情況會(huì)不可避免地將這部分空氣順便帶入到氨系統(tǒng)內(nèi)

1.3 在氨系統(tǒng)設(shè)備檢修時(shí)混入不凝性氣體

由于氨系統(tǒng)長時(shí)間運(yùn)行，周期較長，在檢修屏蔽泵、更換閥門、安全閥檢測、更換氨壓機(jī)密封、更換油分器濾芯等，都會(huì)不可避免的把空氣帶入到氨系統(tǒng)中。

1.4 氨系統(tǒng)脫油時(shí)，操作不慎會(huì)有空氣串入

如果集油器脫油時(shí)操作不慎，會(huì)有空氣串入集油器，當(dāng)設(shè)備再次脫油時(shí)，空氣會(huì)隨氨氣的回收串入到系統(tǒng)中。

1.5 氨的化學(xué)反應(yīng)會(huì)生成不凝性氣體

在氨制冷系統(tǒng)中，氨在一定溫度和壓力下會(huì)分解為氨氣和氫氣；如果系統(tǒng)中有水，氨遇水會(huì)生產(chǎn)氨水，氨水又會(huì)對金屬設(shè)備造成腐蝕，氨與設(shè)備中的氧化物反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生氮?dú)狻?/p>

1.6 冷凍機(jī)油的氧化、分解也會(huì)產(chǎn)生不凝性氣體

在氨制冷系統(tǒng)中使用的冷凍機(jī)油，由于氨壓機(jī)的排氣溫度較高，有可能會(huì)引起冷凍機(jī)油的氧化、分解，并產(chǎn)生多種碳?xì)錃怏w，這些碳?xì)錃怏w就會(huì)混入氨系統(tǒng)中，當(dāng)然這也與冷凍機(jī)油的化學(xué)穩(wěn)定性和熱氧化穩(wěn)定性有關(guān)系。

2 不凝性氣體的分布

在氨系統(tǒng)中，當(dāng)?shù)蛪合到y(tǒng)中有不凝性氣體時(shí)，這些氣體就會(huì)隨氨氣一起被氨壓機(jī)吸入壓縮送入高壓系統(tǒng)。所以，通常不凝性氣體主要聚集在高壓系統(tǒng)的蒸發(fā)冷凝器、熱虹吸罐和高壓氨罐中，在蒸發(fā)冷凝器中不凝性氣體會(huì)附著在蒸發(fā)冷凝盤管的內(nèi)壁上。如圖1所示；而熱虹吸罐、高壓氨罐中的不凝性氣體，主要集中在遠(yuǎn)離進(jìn)氣口處氣流速度很低的上部空間內(nèi)，如圖2所示。

圖1 蒸發(fā)冷凝器中不凝性氣體的分布

圖2 熱虹吸罐、高壓氨罐中不凝性氣體的分布

3 不凝性氣體的危害

3.1 氨系統(tǒng)制冷量下降

不凝性氣體聚集在蒸發(fā)冷凝器中，占據(jù)一定的空間，使得換熱面積減少，同時(shí)不凝性氣體在氨和蒸發(fā)冷凝器內(nèi)壁之間形成熱阻，且這種熱阻很高，使得傳熱效率降低、氨系統(tǒng)中的熱量不能及時(shí)散發(fā)出去，從而造成氨系統(tǒng)制冷量下降。

3.2 裝置能耗提高

由于氨系統(tǒng)中不凝性氣體的存在，蒸發(fā)冷凝器內(nèi)氣氨的溫度、壓力都會(huì)升高，這樣不僅會(huì)增加除鹽水的消耗量，同時(shí)氨壓機(jī)的能量值自然就會(huì)升高，負(fù)荷加大，電耗也增加。

3.3 易造成氨壓機(jī)損壞

由于氨系統(tǒng)中不凝性氣體的存在，造成氨制冷低壓系統(tǒng)壓力增大，氨壓機(jī)負(fù)荷增加，能量聚升，這樣長時(shí)間運(yùn)行，使氨壓機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸承磨損加劇，會(huì)造成氨壓機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行而損壞。

3.4 引起高壓系統(tǒng)安全閥起跳

在夏季由于氨壓機(jī)能量提高，蒸發(fā)冷凝器管壁熱阻值提高，氣溫、水溫升高，如果氨系統(tǒng)中不凝性氣體不能及時(shí)排除，會(huì)引起氨系統(tǒng)壓力升高，造成安全閥起跳。

3.5 造成冷室溫度升高，影響板蠟的冷卻效果，致使板蠟粘盤

由于氨系統(tǒng)不凝性氣體的存在，造成蒸發(fā)冷凝器管壁熱阻值提高，這樣蒸發(fā)冷凝器的散熱效果就差，高壓液氨的溫度就會(huì)提高，液氨蒸發(fā)吸熱的效果隨之降低，致使冷室溫度升高，影響板蠟的冷卻，會(huì)使板蠟粘盤，自動(dòng)脫落困難，甚至出現(xiàn)粘包現(xiàn)象，造成質(zhì)量事故。

4 不凝性氣體的排除

4.1 氨制冷系統(tǒng)中有不凝性氣體的現(xiàn)象

⑴氨壓機(jī)排氣壓力異常升高；

⑵氨壓機(jī)排氣溫度異常升高；

⑶低壓氨罐壓力高，氨壓機(jī)入口壓力高，氨壓機(jī)能量值自動(dòng)升高，負(fù)荷加大；

⑷蒸發(fā)冷凝器出口壓力異常高；

⑸冷室溫度升高，蠟板變軟，粘板。

4.2 手動(dòng)排除法

在實(shí)際生產(chǎn)操作中主要通過手動(dòng)排除不凝性氣體，這種方法是根據(jù)氨系統(tǒng)高壓氨罐壓力的高低、氨壓機(jī)排氣壓力的高低、氨壓機(jī)正常工況下能量負(fù)荷的高低變化及冷室溫度的高低、蠟板的冷卻情況來判斷氨系統(tǒng)中是否含有較多的不凝性氣體。這種方法操作相對簡單易行 ，不凝性氣體排出更徹底，用時(shí)也短。通常在蒸發(fā)冷凝器器頂部氣氨入口處、高壓氨罐上部不凝氣容易積聚的部位都設(shè)有放空閥，可以打開放空閥將含有不凝性氣體的氨氣排向大氣，但是這種方法也存在氨的損耗較大、對環(huán)境污染較嚴(yán)重的缺點(diǎn)。在排放過程中會(huì)隨著不凝性氣體排出而攜帶大量的氨，既造成浪費(fèi)又造成污染，還可能對操作人員造成傷害。

對于氨制冷系統(tǒng)中，廣泛使用的KFA系列套管式手動(dòng)空氣分離器，說明如下：

(1)空氣分離器工作原理：氨制冷系統(tǒng)中空氣等不凝性氣體實(shí)際上是與氨氣混合存在的?？諝夥蛛x器的工作原理是利用降溫的方法，使混在不凝性氣體中的氨氣凝結(jié)成液氨，然后將不凝性氣體排出，減少氨氣隨著不凝性氣體的排除，既降低氨的損耗，又減少氨氣對周圍大氣的污染。

空氣分離器的形式很多，其工作原理基本上相同。

(2)KFA系列空氣分離器結(jié)構(gòu)特征：由四根直徑不同的同心無縫鋼管套焊而成。從外向里順序排列的第一夾層與第三夾層相通，第二夾層與第四夾層相通。四層套管式空氣分離器安裝時(shí)應(yīng)使進(jìn)氨液的一端稍高些，約30～50 mm，以便分離下來的氨液能流進(jìn)下部旁通管。

(3)KFA系列空氣分離器外形圖見圖3。

圖3 KFA系列空氣分離器外形圖

(4)KFA系列空氣分離器特點(diǎn)及用途：當(dāng)制冷系統(tǒng)中存在的不凝性氣體較多時(shí)，將造成不正常的冷凝壓力，降低了冷凝器的傳熱，使壓縮機(jī)的排汽壓力和排氣溫度升高，既降低制冷量，又增加壓縮機(jī)的功耗。尤其對于氨制冷系統(tǒng)，氨和空氣混合后，高溫下還有爆炸的危險(xiǎn)。因此，必須經(jīng)常性地排出制冷系統(tǒng)中的不凝性氣體。而系統(tǒng)中的這些氣體總是和制冷劑混合在一起，如果直接排放，會(huì)造成制冷劑損失，既不安全又不經(jīng)濟(jì)還不環(huán)保。一般情況下，均需設(shè)置空氣分離器。

4.3 自動(dòng)排除法

在氨制冷系統(tǒng)中，氨氣和不凝性氣體隨著溫度的降低，氨氣大部分冷凝成液氨，其分壓也降低，不凝性氣體的分壓則升高，而總壓力保持不變。如表1所示。當(dāng)溫度降到一定值時(shí)就可以將不凝性氣體排除，從而降低氨氣的攜帶排除。

表1 混合氣體溫度降低對空氣含量的影響

自動(dòng)排除法就是根據(jù)溫度等參數(shù)來相對精確、安全地控制不凝性氣體的排放，同時(shí)盡可能地回收不凝性氣體中的氨，防止不凝性氣體排放中夾帶的氨氣對周圍環(huán)境造成污染。

圖4 空氣分離器工作原理圖

其工作原理是高壓液氨通過節(jié)流進(jìn)入空氣分離器管程內(nèi)，空氣分離器殼程內(nèi)氨氣不斷被管程內(nèi)的液氨蒸發(fā)吸熱、冷凝并通過底部的浮球節(jié)流裝置進(jìn)入管程內(nèi)重復(fù)蒸發(fā)吸熱，其他不凝性氣體則被留在殼程內(nèi)并不斷積聚，當(dāng)溫度降低到設(shè)定值時(shí)，通過殼程頂部的溫度連鎖控制，打開放空電磁閥，將不凝性氣體排入氨吸收水罐內(nèi)與水混合，使不凝性氣體中夾帶的氨再次溶解入水中后，排出不凝性氣體。為了防止空氣分離器殼程內(nèi)壓力過低而將氨吸收水罐的水倒灌，工藝上采用了連鎖保護(hù)裝置，當(dāng)殼程內(nèi)壓力降至20 kPa時(shí)，放空電磁閥自動(dòng)關(guān)閉，排除不凝性氣體的操作完成?？諝夥蛛x器工作原理詳見圖4。

5 結(jié)論

在石蠟自動(dòng)成型的氨制冷系統(tǒng)中，隨著系統(tǒng)的運(yùn)行、維護(hù)，不凝性氣體的產(chǎn)生是生產(chǎn)中很常見的問題，如何能夠更安全高效地排除、保證系統(tǒng)安全長周期運(yùn)行，需要在裝置的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)建設(shè)安裝、特別是操作工的培訓(xùn)及精細(xì)操作等各方面統(tǒng)籌管理，實(shí)際操作中還要視實(shí)際情況，采取正確方法，從而確保制冷系統(tǒng)高效節(jié)能地運(yùn)行。