基于液氨球罐区设备和配管布置的设计探讨

2021-12-04李秀杰上海电气集团国控环球工程有限公司山西太原030000

化工管理 2021年32期

李秀杰(上海电气集团国控环球工程有限公司，山西太原 030000)

0 引言

作为常见的化工原料及产品，氨被大量应用在化工生产领域。目前，对液氨进行贮存的方式，主要有低温贮存、加压贮存，贮存载体为球罐、卧罐。球罐的优点主要有外形美观，结构对称，成本低廉，受力均匀和占地面积较小。要想使球罐优势得到充分发挥，确保液氨得到长期且可靠的贮藏，关键是要做到合理布置相关设备、科学设计配管，本文所探讨内容对实际工作具有现实意义。

1 液氨球罐区项目概况

本文所研究对象为某化肥厂液氨球罐区，该厂液氨原料均为外购，储存天数为 7 天。来自装卸站的液氨经过液氨过滤器除去液氨系统产生的油及杂质夹带的微量水分后，送至液氨球罐，液氨经氨输送泵输送至硝酸工段和氨水制备工段，其液氨需求量分别为 12.5 t/h 和 1.67 t/h。

2 确定储存方案与罐型

2.1 储存方案

2.1.1 降温低压

降温低压贮存原理如下：借助制冷系统对液氨进行冷冻及贮存处理，结合实际情况降低储罐压力，使其壁厚变得更薄，由此来达到对储罐投资成本加以控制的目的[1]。例如工作人员可将贮存液氨的温度调整为20 ℃，此时，储罐内部压力只需达到0.95 MPa，便可被用来对冷冻后液氨进行长期且可靠的贮存。

2.1.2 常温中压

该工艺所强调重点是保证贮存液压的温度尽量接近或等于环境温度，将压力容器作为储罐。根据《固定式压力容器安全技术监察规程》为依据，对压力容器设计参数进行科学设计，液氨储罐设计温度为 50 ℃，设计压力值是 2.16 MPa。

2.1.3 低温常压

对液氨进行低温常压贮存，要求先对液氨进行冷冻处理，保证液氨温度在其沸点温度以下(通常为-32 ℃，需要设计人员以当地气压为依据，对该数值加以调整)，尽量缩小大气压力、液氨气相压力的差值。再利用常压容器对经过冷冻的液氨进行装盛贮存，由此来达到对储罐投资成本加以控制的目的。

2.1.4 确定储存方案

在上文所介绍贮存工艺中，降温低压对应工艺参数与指标，通常在低温常压、常温中压间。常温中压的优点是流程简单，可将设备运行、日常操作成本控制在最低，通常不存在过度依赖公用工程的情况，但前期投资金额较其他工艺更高。低温常压和常温中压的特点相反，简单来说，就是工艺流程复杂，对公用工程具有较强的依赖性，但只需要投入较少资金，便可完成设计及布置工作并投入使用[2]。本项目对应罐区的整体规模偏小，计划投资金额有限，设计人员出于对工艺流程进行简化、避免过度依赖公用工程的考虑，最终决定应用常温中压方案。

2.2 选择罐型

对液氨进行常温贮存，储罐类型应当为钢制压力罐，以卧罐、球罐为宜。罐区内部设置液氨储罐的数量，通常应当达到2个或 2个以上，本项目要求设计人员以硝酸工段和氨水制备工段正常生产所需液氨量、液氨进出罐区实际流量为依据，对储罐各项参数进行计算。设计人员以储罐所具有优点为依据，结合现场情况最终决定布置球形储罐4个，3个运行，1个备用，备用罐在正常运行时保持空罐状态并充氮气保护，在需要导罐时使用。其他参数如表1所示。

表1 储罐设计参数

3 合理布置液氨罐区

3.1 布置储罐

结合相关规定可知，固定顶罐组最大容积为12 000 m3，其中，最大容积为1 000 m3的罐数应被控制在12个以下，容积未达到1 000 m3的罐数应被控制在16个以下。丙B类储罐、单罐容积均未达到1 000 m3的罐组，对各类储罐数量加以确定时，通常无需考虑以上规定。液氨储罐对应最大储存系数为0.9，数量应达到2个或2个以上。本次设计所选用球罐的数量为4个，容积均为 974 m3，对应充装系数是 0.85，满足相关规定。

3.2 确定防火间距

根据《石油化工企业设计防火标准》相关规定，在装有吸收处理装置或事故排放的火炬点时，相邻液氨球罐的间距应达到球罐直径×50%。反之，则需要将防火间距调整至与球罐直径相等。本文所讨论装置装有事故排放的火炬点，球罐之间防火间距定为 12.6 m，球罐直径为 12.3 m，防火间距较球罐直径×50%大，满足相关规定。

3.3 设置防火堤

在液氨罐区对防火堤进行设置十分重要，对相关工作加以落实时，应对以下内容引起重视：(1)立式储罐与防火堤的内堤脚线的距离应达到罐壁高度×50%。卧式储罐其罐壁与内堤脚线间，通常要相隔 3 m 以上。本文所讨论装置，其罐壁和内堤脚线间相距 6.7 m，满足相关规定。(2)液化烃全压力式或半冷冻式储罐组宜设置高度为0.6 m的防火堤，防火堤内的隔堤不宜高于0.3 m。全压力式、半冷冻式液氨储罐的防火堤和隔堤的设置同液化烃储罐的要求。本装置所对应防火堤，其设计算高度是 0.4 m，设计高度是 0.6 m，隔堤设计高度为0.3 m。(3)集水设施通常被设置在较低处，将地面下所通出排水管道和集水设施相连，保证雨水能够被快速排出。在堤外对开关装置进行设置并连接。确保工作人员可通过开闭装置所显示标志，对开闭状态加以掌握。(4)地坪标高应低于地面标高、消防道路标高。(5)防火堤容积应达到单个储罐的最大容积。本装置对应防火堤，其有效容积需要达到 974 m3以上。(6)在多个方位对人行台阶、梯子进行设置，除特殊情况外，方位一致的相邻人行台阶、梯子，其间距应当被控制在 60 m 以内。隔堤同样需要设置人行台阶。应在每一罐组防火堤的不同方位上设置不少于两个人行台阶、梯子。(7)防火堤内的地面坡度需要达到0.3%以上，坡向朝向为附近排水坑、排水沟。本装置对应防火堤，内部地面所设坡度为 0.5%，坡向朝向为排水沟。(8)要进出罐组的电缆及管线，通常应远离防火堤的堤身，而是选择在堤基以下、堤顶以上穿过。如果现场条件有限，则要提前在堤身适当位置对套管进行预埋并密封，以免给防火堤功能的发挥造成不利影响。

4 配管设计要点研究

4.1 科学选择管道材质

对液氨管道材质进行选择的依据为操作工况，目前，常用材质有Q345R不锈钢、304SS不锈钢及20#钢。Q345R主要被用来对冷氨管道进行制造，要求运行环境温度在-40 ℃以上。304SS对环境温度所提出要求较低，通常可在-196 ℃以上的低温环境下使用。20#钢更适合被用来制造热氨管道，要求设计温度在-20 ℃及以上。本文所讨论装置的运行环境为中压、常温环境，综合经济性、操作工况等因素，设计人员最终决定采用20#钢。

4.2 各类管道布置要点

4.2.1 调节阀组

调节阀组所采用的安装方式为卧式安装，优点是安装、维修难度小。阀门、排液口设置在管道低点处，其中，排液口和平台的距离应达到150 mm以上。调节阀的入口管道、出口管道均为偏心异径管，要求对管道进行底平安装，保证安装效果符合相关要求。

4.2.2 安全阀组

超压放火炬需要对双安全阀进行安装，在安全阀前后对切断阀进行设置，为安全阀的更换提供便利，而采用双安全阀的目的，主要是确保一个安全阀出现故障，另一个安全阀可承担起全部工作[3]。设计人员为避免安全阀出现故障，导致泄压操作无法顺利进行，对双阀副线进行了设置，在正常工况下，副线阀门无需开启。

对安全阀组所需管道进行布置，通常要考虑以下内容：(1)如果存在共用入口管道的情况，要根据安全阀数量及流量参数，对管道规格加以确定。(2)保证气相被排放至安全区域，排放口为平口，出口朝向为上，排放口较室外平台略高，高度差以3 m为宜。(3)在主管侧面或上方插入排放管，二者所呈现角度为45°，这样做既能够使管路的压力降得到控制，又可以避免凝液由主管进入支管。(4)在需要保护的管道、设备附近对安全阀进行安装，尽量缩短入口管道长度，保证压力降在定压值×3%以下，确定安装位置需要遵循的原则为便于检验与维修。(5)入口管道坡度应达到5%以上，坡向朝向被保护管道、设备。(6)对袋形弯的问题要引起重视，如果现场情况无法做到杜绝袋形弯存在，则要将放净阀设置在低点。

4.2.3 其他管道

在球罐区附近对管道进行布置的首选方案为集中布置，如果需要用到管墩敷设，墩顶和地面的高度差宜在 100～200 mm 之间，还要以最小管道的实际管径、对应跨距为依据，对管墩间距加以确定，尽量避免出现支管频繁交叉的情况。进出储罐的管道所采用连接方式，通常为弹性连接、挠性连接，这样设计的目的是保证管道连接点可达到抗震、地基沉降的相关要求。

在进出各物料管的区域，对插板、切断阀进行设置，保证插板、切断阀靠近防火堤。对连接储罐接口的管道的切断阀进行设置时，尽量缩短储罐和切断阀的距离。此外，操作频次较高的阀门，同样需要采取集中布置方案。