液氨储罐氨气放空增加的原因分析及处理

杜坤桥,符鹏飞

(中海石油化学股份有限公司, 海南东方 572600)

合成氨生产中,液氨储罐用来储存合成装置生产的多余液氨。由于环境温差,液氨储罐内液氨存在不同程度的闪蒸。原设计中闪蒸汽由配套的小冰机系统进行压缩回收,当闪蒸汽量大于小冰机最大负荷时,无法完全回收,闪蒸汽被迫放空,造成环境污染和产品浪费。

1 工艺流程

中海石油化学股份有限公司化肥一部合成氨装置以天然气为原料,英国ICI-AMV工艺技术为主要依托,日产1 000 t合成氨。氨罐区有2个规格一样的低温常压液氨储罐(81T001A/B),每个液氨储罐可储存液氨2 500 t,设计温度为-32.4 ℃,设计压力为5 000 Pa。由于辐射热和液氨流动,液氨储罐内液氨会闪蒸蒸发变成气氨,罐体压力上涨[1]。液氨储罐设计闪蒸汽量分3种情况:当主装置液氨全部送液氨储罐时,闪蒸汽质量流量为341 kg/h;当主装置不产氨、全部由液氨储罐送尿素装置液氨时,闪蒸汽质量流量为306 kg/h;当液氨储罐没有液氨进入,也没有送出,冰机和液氨储罐组成封闭系统时,闪蒸汽质量流量为184 kg/h。液氨储罐闪蒸汽由小冰机压缩回收,当闪蒸汽量大于小冰机负荷,闪蒸汽将由放空阀(PV81001)排放至氨火炬燃烧放空。氨罐区工艺流程简图见图1。

图1 氨罐区工艺流程简图

化肥一部地处海南东方热带地区,年平均温度较高,闪蒸汽放空的情况一直存在。放空管线上无相应的流量计,因此统计放空阀打开的次数来粗略衡量放空情况。2017年至2020年,放空阀平均每天打开次数分别为7.2、8.4、11.4、12.1,平均每天打开的次数逐年增加,造成了产品氨的浪费,增加了企业的生产成本,同时加重企业的环保压力。

2 原因分析

影响闪蒸汽放空增加的因素有很多,包括人员操作水平、冰机运行状况、液氨储罐夹层氮气压力、液氨储罐防腐完好性、放空阀灵敏性、液氨管线保冷效果、系统负荷变化等[2]。在对上述因素进行横向分析比较后,确认了影响液氨储罐压力波动和液氨储罐放空的2个主要因素:小冰机负荷下降和液氨管线保冷失效。2个因素共同叠加作用,加剧了闪蒸汽的放空。

2.1 小冰机负荷下降

小冰机设计最大质量流量为420 kg/h,由于小冰机出口没有流量计,无法实时监测到小冰机出口流量,也就无法了解小冰机实际的负荷情况,但是可以通过其液氨外送调节阀(LV81005B)的开度进行推算[3]。2021年10月在小冰机满负荷稳定运行时,液氨外送调节阀的开度平均在30%。阀门实时流量计算公式为:

(1)

式中:qm为阀门实时质量流量;qm,max为最大质量流量;R为可调比;1/L为阀位。

将最大流量质量流量5 133.5 kg/h、可调比50、阀位30%代入式(1),近似算出小冰机质量流量为332 kg/h,为设计值的79%,说明了小冰机负荷确实存在明显下降。

负荷下降后,在闪蒸汽流量出现大幅波动上涨,且超过小冰机最大负荷时,小冰机无法全部接收,不可避免造成闪蒸汽放空。近几年来小冰机维修次数明显增多,但是负荷一直也没有得到有效恢复。

此外,原始设计方面也存在不足,小冰机设计液氨出口温度为10.5 ℃,与液氨储罐设计储存温度存在较大温差,小冰机回流的热液氨也会加剧闪蒸。在主装置没有向氨罐区送氨时,小冰机与液氨储罐组成封闭系统,小冰机设计送氨温度为10.5 ℃,远高于设计值(-32.4 ℃)。通过计算,进氨温度为10.5 ℃,液氨储罐将额外增加闪蒸汽26.16 kg/h,增加了14.22%。按照每次14.22%增加,经过5次循环迭代后,闪蒸汽质量流量将达到357.71 kg/h,大于现在小冰机的质量流量(332 kg/h)。此时放空阀将打开,压力降低后阀门自动关闭,不断如此循环。

2.2 液氨管线保冷老化严重

液氨储罐压力上涨,除了小冰机本身负荷下降和送氨温度偏高外,管线及相连的机泵保冷效果差也是主要原因。现场对进出液氨储罐的相关管线进行全面检查,发现大部分管线保冷外铝皮都出现冷凝水、青苔的情况,说明保冷严重老化失效。

2022年2月23日,经试验,关闭液氨储罐出口液氨阀及所有管线和机泵的冷管阀及冷泵阀,只保留小冰机运行,之后24 h液氨储罐压力波动次数明显减小,只有几次明显的压力上涨导致放空阀打开(见图2)。这也反映出一个现象:液氨储罐出口液氨管线及机泵的保冷效果差,只是导致氨罐压力发生一些较小的波动,小冰机上可以调节;但是小冰机本身回流的热氨,导致氨罐闪蒸汽明显增加、压力快速上涨,超出了小冰机自身调节能力,放空阀打开。

图2 关闭液氨储罐出口液氨阀等前后液氨储罐压力变化对比

此外,闪蒸汽量还与环境温度、系统负荷变化、小冰机运行工况、阀门线性等多个原因有关,若是主装置向液氨储罐送氨,由于输送量不断变化,且管线偏长,影响因素更多,因此闪蒸汽也更多,但无法量化和计算。

3 处理措施

3.1 新增小冰机

原小冰机运行至今已有27 a,已经超过了使用年限,维修次数逐年增加,曾经出现过转子和大盖磨损、油过滤器压差异常等问题[4],维修保养成本上涨,停机维修导致液氨储罐放空的情况也相应增加。另外,根据新的安全环保要求,一级重大危险源氨罐区的冰机必须配套有2台,1用1备。因此,新增1套功率更大的小冰机(见图3)。

图3 增加小冰机后的氨罐区工艺流程简图

新小冰机(81K001)和旧小冰机(81K002)的参数对比见表1,主要表现在负荷明显提升,外送液氨温度降至-15.9 ℃,润滑油冷却方式改为氨冷。新小冰机基本实现国产化,采购成本大大降低。

表1 新小冰机和旧小冰机参数对比

由于新小冰机功率更大,自控调节更好,可以快速、提前应对闪蒸汽量的大幅波动,从而减少了闪蒸汽的排放,现每天放空阀打开次数降至3.2次,节约生产成本,有利于环保和安全;另外,旧小冰机的备用可以直接减少检修次数,减少备件品的消耗。

3.2 更换液氨管线的保冷材料

从建厂投产至今有24 a,与氨罐区相连的液氨管线保冷从未更换,保冷材料老化后,受环境温度影响,液氨储罐进氨温度上涨,闪蒸汽增多,在夏天的时候尤为明显。因此部门分批次更换了液氨储罐出口液氨管线和入口分离罐的保冷材料,更换之后,辐射热减少,有效减少闪蒸汽的产生,降低小冰机的负荷,减少冰机的能耗。

4 结语

新小冰机投用及更换液氨管线的保冷,液氨储罐的压力波动及放空情况明显减少。放空减少后能耗下降、环保压力减轻,都为企业发展发出的一种利好消息。但目前新小冰机还未达到最佳状态,若通过调试,理论上可以避免放空阀打开。下一步将继续研究冰机运行规律,优化工况,努力做到液氨储罐不放空。