用氨裝置氨系統(tǒng)設(shè)計(jì)

仝鵬翔，丁 冰，李連朋，周煜華，葛利偉

（江西晨光新材料股份有限公司，江西 九江 332500）

0 引言

液氨作為化工生產(chǎn)的大宗原料，以液氨作為原料的化工品生產(chǎn)裝置越來(lái)越多。由于液氨是以液化形式存在，具有飽和蒸汽壓高、有毒、易爆、化學(xué)事故發(fā)生率高等特點(diǎn)，所以在用液氨裝置的系統(tǒng)中，液氨的卸車、存儲(chǔ)、和輸送系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較重要。為使液氨安全地在生產(chǎn)系統(tǒng)中被使用，特來(lái)討論液氨的卸車、存儲(chǔ)、輸送系統(tǒng)、安全附件等設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1 液氨的使用范圍

液氨的使用范圍極為廣泛。作為生產(chǎn)和生活的重要原料，主要用作生產(chǎn)硝酸、尿素和其他化學(xué)肥料，還作為醫(yī)藥和農(nóng)藥的原料，在生產(chǎn)系統(tǒng)中作為冷凍劑。在有機(jī)硅行業(yè)，用液氨作為γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷生產(chǎn)的主要原料，以及用液氨配置氨水，在反應(yīng)中起到催化劑的作用。

2 用氨系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

用氨系統(tǒng)的設(shè)計(jì)涉及液氨槽車、液氨卸車臂、卸車動(dòng)力輸送系統(tǒng)（壓縮機(jī)或泵）、液氨的儲(chǔ)存系統(tǒng)、液氨的輸送系統(tǒng)（至使用部位），安全附件等配套的元件。標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、安全的設(shè)計(jì)是系統(tǒng)高效運(yùn)行的重要條件。

2.1 液氨槽車

液氨槽車為移動(dòng)式壓力容器，運(yùn)輸液氨的槽車設(shè)計(jì)應(yīng)符合TSG R0005《移動(dòng)式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》和TSG R4002《移動(dòng)式壓力容器充裝許可規(guī)則》的有關(guān)規(guī)定，液氨槽車的設(shè)計(jì)壓力不小于1.91 MPa，設(shè)計(jì)使用年限15 年，腐蝕余量≥2 mm，允許的充裝系數(shù)≤0.53 L/m3；汽車槽車的設(shè)計(jì)應(yīng)為整車設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)單位對(duì)整車設(shè)計(jì)文件的正確性和完整性負(fù)責(zé)；液氨罐車應(yīng)當(dāng)設(shè)置全啟式彈簧安全閥（氨用），安全閥排氣方向?yàn)楣摅w上方；移動(dòng)式壓力容器的設(shè)計(jì)單位資質(zhì)、設(shè)計(jì)類別、品種和級(jí)別范圍應(yīng)當(dāng)符合《壓力容器壓力管道設(shè)計(jì)許可規(guī)則》TSG R0001。

液氨槽車的銘牌必須完好。應(yīng)有專用的取樣設(shè)備，液氨槽車應(yīng)圖黃色油漆，有“毒性氣體”規(guī)定標(biāo)識(shí)；。槽車入場(chǎng)前先對(duì)槽車內(nèi)的液氨進(jìn)行分析檢測(cè)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，檢測(cè)產(chǎn)品是優(yōu)質(zhì)品、一等品、還是合格品，確定產(chǎn)品等級(jí)是否符合合同要求。取樣分析合格的槽車進(jìn)行過(guò)磅稱重后，后進(jìn)入卸車區(qū)。

2.2 液氨卸車臂

液氨卸車臂設(shè)計(jì)應(yīng)符合HG/T 21608《液體裝卸臂工程技術(shù)要求》，由于液氨的飽和蒸氣壓高，及毒性程度，液氨的卸車鶴管采用封閉式的底部組合式法蘭裝卸臂，裝卸臂應(yīng)設(shè)置拉斷閥，

液氨卸車的鶴管屬于壓力管道，鶴管的材料、制作、安裝、使用應(yīng)符合TSG D0001—2009《壓力管道技術(shù)監(jiān)察規(guī)程-工業(yè)管道》的規(guī)定。卸車鶴管的公稱壓力不得小于裝卸系統(tǒng)工作壓力的2 倍，卸車臂必須每半年進(jìn)行一次耐壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力為卸車管公稱壓力的1.5 倍；液氨卸車臂應(yīng)設(shè)超位報(bào)警，鎖緊桿等安全設(shè)施；卸車臂附近不得有影響卸臂包絡(luò)線范圍的其他工藝管線，在空載條件下應(yīng)保證外臂在包絡(luò)線范圍內(nèi)任意位置上的平衡。卸車臂的排空裝置應(yīng)采用球閥，不得才有螺紋連接；卸車臂上的所有旋轉(zhuǎn)接頭應(yīng)采設(shè)置檢漏孔。

鶴管（中心線）與道路的距離、與儲(chǔ)罐的距離、與卸車壓縮機(jī)（或泵）的距離應(yīng)符合相應(yīng)規(guī)范要求，距離鶴管10 m 外的管道上應(yīng)設(shè)便于操作的緊急切斷閥。鶴管應(yīng)采取靜電消除裝置，卸車場(chǎng)地應(yīng)滿足槽車的進(jìn)出自如。如果有其他可燃液體鶴管，應(yīng)滿足規(guī)范間距設(shè)計(jì)要求。

2.3 卸車動(dòng)力輸送系統(tǒng)

1）液氨由槽車輸送至液氨儲(chǔ)罐常用的輸送設(shè)備是壓縮機(jī)（壓縮機(jī)有螺桿式壓縮機(jī)和活塞壓縮機(jī)）。為防止管道內(nèi)凝液帶入壓縮機(jī)，壓縮機(jī)入口前必須設(shè)置氣液分離器，氣液分離器應(yīng)盡量靠近壓縮機(jī)入口布置，管道坡向氣液分離器，以免冷凝液進(jìn)入壓縮機(jī)氣缸。進(jìn)氣管道上應(yīng)設(shè)有開(kāi)停車使用的惰性氣體接管口。壓縮機(jī)的進(jìn)氣管道與液氨儲(chǔ)罐頂部的氣相管道連接，出口管道與槽車進(jìn)料管連接，槽車的出口管道與儲(chǔ)罐的入口管道進(jìn)行連接（與槽車進(jìn)出口的管道的連接，需要通過(guò)專用的卸車鶴管進(jìn)行連接），待確認(rèn)系統(tǒng)無(wú)誤后，開(kāi)啟液相連同管道，利用槽車與儲(chǔ)罐自身的壓力差，將槽車內(nèi)液氨輸送至儲(chǔ)罐，待壓力平衡后，打開(kāi)氣相連同管道，啟動(dòng)壓縮機(jī)，將儲(chǔ)罐內(nèi)的氨氣利用壓縮機(jī)抽氣（儲(chǔ)罐內(nèi)壓力降低）加壓后輸送至槽車，槽車壓力升高。利用壓力差將槽車內(nèi)的液氨輸送至儲(chǔ)罐，觀察槽車的液位，確認(rèn)沒(méi)有液體后，停壓縮機(jī)，關(guān)閉液相管道、關(guān)閉氣相管道，液氨卸車完成。

2）液氨由槽車輸送至液氨儲(chǔ)罐的動(dòng)力輸送系統(tǒng)還有使用泵的，常用的有屏蔽泵、轉(zhuǎn)子泵、普通離心泵，泵前必須安裝永久過(guò)濾器，永久過(guò)濾器截面積不小于管道截面積的3 倍，離心泵啟動(dòng)前應(yīng)進(jìn)行冷泵措施[2]，同時(shí)在泵入口管端與泵入口切斷閥之間設(shè)置平衡管。通過(guò)泵直接將液氨輸送至儲(chǔ)罐，根據(jù)槽車液位變化確定是否抽送完成，之后再用壓縮機(jī)對(duì)抽取槽車內(nèi)殘余的氨氣，待槽車內(nèi)壓力＜0.2 MPa 時(shí)，停止壓縮機(jī)，關(guān)閉閥門。卸車的動(dòng)力設(shè)備泵與壓縮機(jī)的對(duì)比：使用泵輸送速度快（甲A 類及液氨等液體物料裝卸車總管道的介質(zhì)流速應(yīng)大于4.5 m/s[4]），但是對(duì)于最后的殘余的氣體需要壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮輸送，工序復(fù)雜；使用壓縮機(jī)采取增壓輸送，輸送穩(wěn)定。輸送液氨的泵或壓縮機(jī)應(yīng)露天布置，或者布置在半敞開(kāi)式廠房?jī)?nèi)。

2.4 液氨的存儲(chǔ)系統(tǒng)

液氨存儲(chǔ)型式有臥式儲(chǔ)罐、球罐等，根據(jù)實(shí)際的需求量和罐區(qū)的位置，選擇適當(dāng)?shù)囊喊眱?chǔ)罐型式，不論選擇何種型式的儲(chǔ)罐，均應(yīng)做好設(shè)備的靜電接地工作。

液氨儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)、制造、使用應(yīng)符合《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》TSG21—2016 的規(guī)定，液氨儲(chǔ)罐的主體材質(zhì)宜選Q345R，充裝系數(shù)不應(yīng)大于0.9，設(shè)備制作完成應(yīng)進(jìn)行耐壓試驗(yàn)和氣密性試驗(yàn)。儲(chǔ)罐的A、B 類對(duì)接接頭（壓力容器A、B 類接頭按照GB150劃分進(jìn)行規(guī)定）及接管與殼體的接頭均應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)形式，液氨儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)應(yīng)配備事故罐，以便應(yīng)急時(shí)及時(shí)倒罐。液氨儲(chǔ)罐區(qū)內(nèi)的基礎(chǔ)、隔堤、圍堰及管架均應(yīng)采用不燃燒材料，防火堤的耐火極限不得小于3 h。

液氨儲(chǔ)罐需設(shè)一套遠(yuǎn)傳儀表和就地指示儀表，并應(yīng)另設(shè)一套專用于高高液位和低低液位報(bào)警并聯(lián)鎖切斷儲(chǔ)罐進(jìn)料（出料）閥門的液位測(cè)量?jī)x表或液位開(kāi)關(guān)，同時(shí)設(shè)計(jì)溫度、壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（就地測(cè)量和遠(yuǎn)傳測(cè)量?jī)煞N不同型式的壓力顯示，并使用不同的取源點(diǎn)）；液氨儲(chǔ)罐底部應(yīng)設(shè)計(jì)氨水收集包。液氨儲(chǔ)罐宜設(shè)計(jì)兩套可在線拆除、監(jiān)檢的安全閥；儲(chǔ)罐的進(jìn)出口宜設(shè)置的儲(chǔ)罐底部，若必須從上部接口進(jìn)入儲(chǔ)罐，插底管應(yīng)宜延伸至儲(chǔ)罐底部200 mm 處。儲(chǔ)罐頂部應(yīng)設(shè)計(jì)自動(dòng)降溫噴水設(shè)施，噴水降溫與儲(chǔ)罐內(nèi)溫度聯(lián)鎖[5]；設(shè)計(jì)噴水霧吸氨的噴淋設(shè)施，此設(shè)施與氨氣檢測(cè)的探測(cè)儀聯(lián)鎖。液氨儲(chǔ)罐的進(jìn)出口管道在設(shè)計(jì)手閥的同時(shí)，應(yīng)設(shè)計(jì)切斷閥，出口管道增設(shè)SIS 閥與儲(chǔ)罐液位聯(lián)鎖。

液氨儲(chǔ)罐集中布置時(shí)，液氨儲(chǔ)罐組內(nèi)的防火間距按照液化烴儲(chǔ)罐間距要求，壓力式液氨儲(chǔ)罐的防火堤和隔堤的設(shè)置同液化烴儲(chǔ)罐的要求，防火堤內(nèi)踢腳線距離儲(chǔ)罐不應(yīng)小于3 m。

2.5 液氨的輸送系統(tǒng)及車間緩存設(shè)備

2.5.1 液氨的輸送系統(tǒng)

液氨由罐區(qū)輸送至車間儲(chǔ)罐或者反應(yīng)器使用的動(dòng)力設(shè)備有高壓氨泵（柱塞泵）、隔膜泵、多級(jí)離心泵、屏蔽泵、磁力泵、轉(zhuǎn)子泵等，根據(jù)使用的工況選擇合適的動(dòng)力輸送系統(tǒng)[1]。要求這些泵具有耐壓高、揚(yáng)程高、無(wú)泄漏、耐腐蝕、電機(jī)要求防爆、與物料接觸部位不允許使用銅或銅合金、執(zhí)行API610/API685 標(biāo)準(zhǔn)等特點(diǎn)。

液氨輸送系統(tǒng)直接輸送至高壓反應(yīng)系統(tǒng)，可以選用高壓氨泵（柱塞泵）、隔膜泵、多級(jí)離心泵、轉(zhuǎn)子泵、液下泵等，高壓氨泵（柱塞泵）、隔膜泵、轉(zhuǎn)子泵都屬于容積式泵，具有轉(zhuǎn)數(shù)低、效率高、自吸能力強(qiáng)、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)等特定；多級(jí)離心泵、液下泵都屬于離心泵，具有流量大、調(diào)節(jié)平穩(wěn)、噪音低，離心泵要求具備機(jī)封的潤(rùn)滑冷卻和密封設(shè)施。

液氨的動(dòng)力輸送系統(tǒng)與進(jìn)動(dòng)力系統(tǒng)的儲(chǔ)罐液位聯(lián)鎖、與輸送的目的地的儲(chǔ)罐或反應(yīng)器的壓力聯(lián)鎖，液氨動(dòng)力輸送系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)、電機(jī)電流、設(shè)備震動(dòng)值、設(shè)備出口壓力及系統(tǒng)內(nèi)重要數(shù)據(jù)（例如隔膜泵內(nèi)隔膜的壓力、系統(tǒng)內(nèi)潤(rùn)滑油站的運(yùn)行狀態(tài)、密封液儲(chǔ)罐壓力等）應(yīng)遠(yuǎn)傳至室內(nèi)集中控制系統(tǒng)，設(shè)定報(bào)警值或設(shè)備停車信號(hào)。

液氨罐組配套的動(dòng)力輸送系統(tǒng)應(yīng)布置在防火堤外，與液氨儲(chǔ)罐的防火間距不應(yīng)小于15 m，與可燃液體工廠儲(chǔ)罐、與可燃液體車間儲(chǔ)罐的防火間距應(yīng)按照《精細(xì)化工企業(yè)工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范》或《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.5.2 液氨的車間緩存設(shè)備

液氨由罐組輸送到使用車間時(shí)，根據(jù)需要在使用車間需設(shè)置緩沖罐或直接進(jìn)入生產(chǎn)設(shè)備。根據(jù)生產(chǎn)需要在車間設(shè)置車間液氨儲(chǔ)罐（組）時(shí)，依據(jù)項(xiàng)目的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（《精細(xì)化工企業(yè)工程設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》或《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》）要求，設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐（組）的液氨存儲(chǔ)容量分別滿足各自規(guī)范要求的存儲(chǔ)容量，并應(yīng)集中布置在生產(chǎn)設(shè)施邊緣。

液氨緩沖罐的材料、設(shè)計(jì)要滿足GB150《壓力容器》和TSG21《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，設(shè)備配套的安全附件應(yīng)配置完整。

2.6 液氨系統(tǒng)輸送管道的設(shè)計(jì)

液氨管道的設(shè)計(jì)應(yīng)符合GB/T 20801《壓力管道規(guī)范》的要求，對(duì)于GC2 級(jí)別以下的碳鋼管道可以選用符合GB/T8163《輸送流體用無(wú)縫鋼管》的管道，對(duì)于GC1 級(jí)別的碳鋼管道選用符合GB 6479《高壓化肥設(shè)備用無(wú)縫鋼管》的管道；對(duì)于不銹鋼管道輸送液氨可以選用符合GB/T 14976《流體輸送用不銹鋼無(wú)縫鋼管》的管道。

液氨管道法蘭的選用應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20592《鋼制管法蘭（PN）系列》或HG/T 20615《鋼制管法蘭（class）系列》。根據(jù)設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力、劇烈循環(huán)工況、管口大小、是否可能會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕等，可以選用帶頸平焊法蘭、對(duì)焊法蘭、整體法蘭等，法蘭密封面由低到高依次可選突面（RF）、凹凸面（FM/M）、榫槽面（TG）等。墊片應(yīng)選用與法蘭配套的金屬纏繞墊、金屬環(huán)形墊等，不能選用非金屬平墊、聚四氟乙烯包覆墊、金屬包覆墊片。

液氨管道閥門的選用滿足設(shè)計(jì)溫度、設(shè)計(jì)壓力外，還應(yīng)考慮外部載荷對(duì)閥門操作性能和密封性能的影響，由于采用巴氏合金的較軟而易發(fā)生變形，使閥芯與閥座緊密接觸，密封性能較好，所以液氨管道無(wú)論采用截止閥還是閘閥，其密封材質(zhì)多采用巴氏合金，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)條件要求苛刻的閥門，可以選用波紋管截止閥。閥門的設(shè)計(jì)和制作應(yīng)符合GB/T 26748《氨用截止閥和升降式止回閥》，閥門法蘭的標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20592《鋼制管法蘭（PN）系列》或HG/T20615《鋼制管法蘭（class）系列》，閥門法蘭密封面應(yīng)與法蘭密封面配套。

2.7 安全附件的設(shè)計(jì)

氨系統(tǒng)具有壓力高、毒性大、操作復(fù)雜、事故發(fā)生率高等特點(diǎn)，作為保證動(dòng)靜設(shè)備、管道安全運(yùn)行的安全附件非常重要。安全附件設(shè)計(jì)在系統(tǒng)的卸車動(dòng)力系統(tǒng)、卸車輸送系統(tǒng)、液氨儲(chǔ)存系統(tǒng)、液氨輸送系統(tǒng)及緩存系統(tǒng)等各個(gè)部位。安裝在設(shè)備、管道處的安全閥要靠近根部，必要的位置安裝兩套安全閥，安全閥根部安裝切斷閥（切斷閥鉛封開(kāi)）。安全閥的排向管道應(yīng)坡向主管，盡量避免袋型彎。氨系統(tǒng)安全閥出口不能直接排至大氣，要進(jìn)氨氣吸收系統(tǒng)[3]。

儀表的設(shè)計(jì)選型應(yīng)符合SH/T 3005《石油化工自動(dòng)化儀表選型設(shè)計(jì)規(guī)范》。液氨系統(tǒng)的液位計(jì)要求具有防霜功能，在設(shè)置兩套不同原理液位計(jì)的同時(shí)，還應(yīng)設(shè)置一套聯(lián)鎖儲(chǔ)罐液位進(jìn)料切斷閥的液位計(jì)或液位開(kāi)關(guān)。液氨儲(chǔ)罐應(yīng)具有現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)傳兩套溫度測(cè)量系統(tǒng)，遠(yuǎn)傳儀表與儲(chǔ)罐的降溫水聯(lián)鎖，并具有報(bào)警功能。液氨進(jìn)出儲(chǔ)罐的緊急切斷閥應(yīng)性能穩(wěn)定可靠。

3 結(jié)語(yǔ)

用氨裝置氨系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及工藝、設(shè)備、電氣、儀表、安全環(huán)保、土建、防腐保溫各個(gè)專業(yè)，各專業(yè)設(shè)計(jì)前要熟悉專業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范、工藝設(shè)備參數(shù)要求、設(shè)備性能、現(xiàn)場(chǎng)使用條件等，才能保證用氨系統(tǒng)的設(shè)計(jì)安全、持續(xù)穩(wěn)定服務(wù)于用氨系統(tǒng)。