氨制冷系统中不凝性气体的产生及其排除的研究探讨

2019-06-26房世环

山东化工 2019年11期

房世环

(中国石化济南分公司，山东济南 250101)

随着社会经济的发展，石蜡产品的应用越来越广泛，为了扩大生产规模以满足社会需求，中石化济南分公司分别于2007年和2012年新上两套加工量各为3.0万t/a石蜡成型装置，与之配套的石蜡冷却系统分别采用武冷和烟冷提供氨制冷系统。在氨系统运行中，不可避免的要出现不凝性气体越积越多，这样就会造成氨压机能量提高、负荷增加、出口温度升高、氨系统高压部分压力过高，严重时会引起安全阀起跳。在氨制冷系统中，所谓的不凝性气体是指在氨系统工作时，在蒸发冷凝器中特定的温度、压力下，气体不能冷凝成液体而是以气体状态存在于氨系统中，这些气体主要包括氮气、氧气、氢气、二氧化碳、碳氢气体以及其他惰性气体等。针对氨系统中不凝性气体的危害，现将就氨制冷系统在使用、管理、维护过程中不凝性气体的混入，对氨制冷系统的正常运行带来的危害、如何避免氨制冷系统混入不凝性气体以及如何安全高效地排除不凝性气体展开讨论研究。

1 不凝性气体的产生

1.1 在液氨储罐充注液氨前，氨制冷系统抽真空不充分或者系统密封没做好，导致在保负压期间空气乘虚而入

在对液氨储罐充注液氨之前，要对氨系统高、低压部分用高压氮气进行24 h保正压气密试压；在正压气密试压合格后，再对氨系统高、低压部分进行抽真空24 h保负压试压。正负压试压均合格后才能对氨储罐进行液氨充注，并对氨系统高、低压部分依次补入液氨，但是有时会因为各种主、客观因素的影响，致使氨系统的抽真空不充分或者系统密封没做好，导致氨系统内仍残留少量的氮气或空气等。

1.2 液氨储罐补充液氨时带入氨系统中

在液氨储罐充注液氨之前，液氨槽车与液氨储罐的连接管线中充满了空气，这种情况会不可避免地将这部分空气顺便带入到氨系统内

1.3 在氨系统设备检修时混入不凝性气体

由于氨系统长时间运行，周期较长，在检修屏蔽泵、更换阀门、安全阀检测、更换氨压机密封、更换油分器滤芯等，都会不可避免的把空气带入到氨系统中。

1.4 氨系统脱油时，操作不慎会有空气串入

如果集油器脱油时操作不慎，会有空气串入集油器，当设备再次脱油时，空气会随氨气的回收串入到系统中。

1.5 氨的化学反应会生成不凝性气体

在氨制冷系统中，氨在一定温度和压力下会分解为氨气和氢气；如果系统中有水，氨遇水会生产氨水，氨水又会对金属设备造成腐蚀，氨与设备中的氧化物反应会产生氮气。

1.6 冷冻机油的氧化、分解也会产生不凝性气体

在氨制冷系统中使用的冷冻机油，由于氨压机的排气温度较高，有可能会引起冷冻机油的氧化、分解，并产生多种碳氢气体，这些碳氢气体就会混入氨系统中，当然这也与冷冻机油的化学稳定性和热氧化稳定性有关系。

2 不凝性气体的分布

在氨系统中，当低压系统中有不凝性气体时，这些气体就会随氨气一起被氨压机吸入压缩送入高压系统。所以，通常不凝性气体主要聚集在高压系统的蒸发冷凝器、热虹吸罐和高压氨罐中，在蒸发冷凝器中不凝性气体会附着在蒸发冷凝盘管的内壁上。如图1所示；而热虹吸罐、高压氨罐中的不凝性气体，主要集中在远离进气口处气流速度很低的上部空间内，如图2所示。

图1 蒸发冷凝器中不凝性气体的分布

图2 热虹吸罐、高压氨罐中不凝性气体的分布

3 不凝性气体的危害

3.1 氨系统制冷量下降

不凝性气体聚集在蒸发冷凝器中，占据一定的空间，使得换热面积减少，同时不凝性气体在氨和蒸发冷凝器内壁之间形成热阻，且这种热阻很高，使得传热效率降低、氨系统中的热量不能及时散发出去，从而造成氨系统制冷量下降。

3.2 装置能耗提高

由于氨系统中不凝性气体的存在，蒸发冷凝器内气氨的温度、压力都会升高，这样不仅会增加除盐水的消耗量，同时氨压机的能量值自然就会升高，负荷加大，电耗也增加。

3.3 易造成氨压机损坏

由于氨系统中不凝性气体的存在，造成氨制冷低压系统压力增大，氨压机负荷增加，能量聚升，这样长时间运行，使氨压机和驱动电机轴承磨损加剧，会造成氨压机超负荷运行而损坏。

3.4 引起高压系统安全阀起跳

在夏季由于氨压机能量提高，蒸发冷凝器管壁热阻值提高，气温、水温升高，如果氨系统中不凝性气体不能及时排除，会引起氨系统压力升高，造成安全阀起跳。

3.5 造成冷室温度升高，影响板蜡的冷却效果，致使板蜡粘盘

由于氨系统不凝性气体的存在，造成蒸发冷凝器管壁热阻值提高，这样蒸发冷凝器的散热效果就差，高压液氨的温度就会提高，液氨蒸发吸热的效果随之降低，致使冷室温度升高，影响板蜡的冷却，会使板蜡粘盘，自动脱落困难，甚至出现粘包现象，造成质量事故。

4 不凝性气体的排除

4.1 氨制冷系统中有不凝性气体的现象

⑴氨压机排气压力异常升高；

⑵氨压机排气温度异常升高；

⑶低压氨罐压力高，氨压机入口压力高，氨压机能量值自动升高，负荷加大；

⑷蒸发冷凝器出口压力异常高；

⑸冷室温度升高，蜡板变软，粘板。

4.2 手动排除法

在实际生产操作中主要通过手动排除不凝性气体，这种方法是根据氨系统高压氨罐压力的高低、氨压机排气压力的高低、氨压机正常工况下能量负荷的高低变化及冷室温度的高低、蜡板的冷却情况来判断氨系统中是否含有较多的不凝性气体。这种方法操作相对简单易行，不凝性气体排出更彻底，用时也短。通常在蒸发冷凝器器顶部气氨入口处、高压氨罐上部不凝气容易积聚的部位都设有放空阀，可以打开放空阀将含有不凝性气体的氨气排向大气，但是这种方法也存在氨的损耗较大、对环境污染较严重的缺点。在排放过程中会随着不凝性气体排出而携带大量的氨，既造成浪费又造成污染，还可能对操作人员造成伤害。

对于氨制冷系统中，广泛使用的KFA系列套管式手动空气分离器，说明如下：

(1)空气分离器工作原理：氨制冷系统中空气等不凝性气体实际上是与氨气混合存在的。空气分离器的工作原理是利用降温的方法，使混在不凝性气体中的氨气凝结成液氨，然后将不凝性气体排出，减少氨气随着不凝性气体的排除，既降低氨的损耗，又减少氨气对周围大气的污染。

空气分离器的形式很多，其工作原理基本上相同。

(2)KFA系列空气分离器结构特征：由四根直径不同的同心无缝钢管套焊而成。从外向里顺序排列的第一夹层与第三夹层相通，第二夹层与第四夹层相通。四层套管式空气分离器安装时应使进氨液的一端稍高些，约30～50 mm，以便分离下来的氨液能流进下部旁通管。

(3)KFA系列空气分离器外形图见图3。

图3 KFA系列空气分离器外形图

(4)KFA系列空气分离器特点及用途：当制冷系统中存在的不凝性气体较多时，将造成不正常的冷凝压力，降低了冷凝器的传热，使压缩机的排汽压力和排气温度升高，既降低制冷量，又增加压缩机的功耗。尤其对于氨制冷系统，氨和空气混合后，高温下还有爆炸的危险。因此，必须经常性地排出制冷系统中的不凝性气体。而系统中的这些气体总是和制冷剂混合在一起，如果直接排放，会造成制冷剂损失，既不安全又不经济还不环保。一般情况下，均需设置空气分离器。

4.3 自动排除法

在氨制冷系统中，氨气和不凝性气体随着温度的降低，氨气大部分冷凝成液氨，其分压也降低，不凝性气体的分压则升高，而总压力保持不变。如表1所示。当温度降到一定值时就可以将不凝性气体排除，从而降低氨气的携带排除。

表1 混合气体温度降低对空气含量的影响

自动排除法就是根据温度等参数来相对精确、安全地控制不凝性气体的排放，同时尽可能地回收不凝性气体中的氨，防止不凝性气体排放中夹带的氨气对周围环境造成污染。

图4 空气分离器工作原理图

其工作原理是高压液氨通过节流进入空气分离器管程内，空气分离器壳程内氨气不断被管程内的液氨蒸发吸热、冷凝并通过底部的浮球节流装置进入管程内重复蒸发吸热，其他不凝性气体则被留在壳程内并不断积聚，当温度降低到设定值时，通过壳程顶部的温度连锁控制，打开放空电磁阀，将不凝性气体排入氨吸收水罐内与水混合，使不凝性气体中夹带的氨再次溶解入水中后，排出不凝性气体。为了防止空气分离器壳程内压力过低而将氨吸收水罐的水倒灌，工艺上采用了连锁保护装置，当壳程内压力降至20 kPa时，放空电磁阀自动关闭，排除不凝性气体的操作完成。空气分离器工作原理详见图4。