李秀杰(上海電氣集團(tuán)國控環(huán)球工程有限公司,山西 太原 030000)
作為常見的化工原料及產(chǎn)品,氨被大量應(yīng)用在化工生產(chǎn)領(lǐng)域。目前,對液氨進(jìn)行貯存的方式,主要有低溫貯存、加壓貯存,貯存載體為球罐、臥罐。球罐的優(yōu)點(diǎn)主要有外形美觀,結(jié)構(gòu)對稱,成本低廉,受力均勻和占地面積較小。要想使球罐優(yōu)勢得到充分發(fā)揮,確保液氨得到長期且可靠的貯藏,關(guān)鍵是要做到合理布置相關(guān)設(shè)備、科學(xué)設(shè)計(jì)配管,本文所探討內(nèi)容對實(shí)際工作具有現(xiàn)實(shí)意義。
本文所研究對象為某化肥廠液氨球罐區(qū),該廠液氨原料均為外購,儲(chǔ)存天數(shù)為 7 天。來自裝卸站的液氨經(jīng)過液氨過濾器除去液氨系統(tǒng)產(chǎn)生的油及雜質(zhì)夾帶的微量水分后,送至液氨球罐,液氨經(jīng)氨輸送泵輸送至硝酸工段和氨水制備工段,其液氨需求量分別為 12.5 t/h 和 1.67 t/h。
2.1.1 降溫低壓
降溫低壓貯存原理如下:借助制冷系統(tǒng)對液氨進(jìn)行冷凍及貯存處理,結(jié)合實(shí)際情況降低儲(chǔ)罐壓力,使其壁厚變得更薄,由此來達(dá)到對儲(chǔ)罐投資成本加以控制的目的[1]。例如工作人員可將貯存液氨的溫度調(diào)整為20 ℃,此時(shí),儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力只需達(dá)到0.95 MPa,便可被用來對冷凍后液氨進(jìn)行長期且可靠的貯存。
2.1.2 常溫中壓
該工藝所強(qiáng)調(diào)重點(diǎn)是保證貯存液壓的溫度盡量接近或等于環(huán)境溫度,將壓力容器作為儲(chǔ)罐。根據(jù)《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》為依據(jù),對壓力容器設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行科學(xué)設(shè)計(jì),液氨儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)溫度為 50 ℃,設(shè)計(jì)壓力值是 2.16 MPa。
2.1.3 低溫常壓
對液氨進(jìn)行低溫常壓貯存,要求先對液氨進(jìn)行冷凍處理,保證液氨溫度在其沸點(diǎn)溫度以下(通常為-32 ℃,需要設(shè)計(jì)人員以當(dāng)?shù)貧鈮簽橐罁?jù),對該數(shù)值加以調(diào)整),盡量縮小大氣壓力、液氨氣相壓力的差值。再利用常壓容器對經(jīng)過冷凍的液氨進(jìn)行裝盛貯存,由此來達(dá)到對儲(chǔ)罐投資成本加以控制的目的。
2.1.4 確定儲(chǔ)存方案
在上文所介紹貯存工藝中,降溫低壓對應(yīng)工藝參數(shù)與指標(biāo),通常在低溫常壓、常溫中壓間。常溫中壓的優(yōu)點(diǎn)是流程簡單,可將設(shè)備運(yùn)行、日常操作成本控制在最低,通常不存在過度依賴公用工程的情況,但前期投資金額較其他工藝更高。低溫常壓和常溫中壓的特點(diǎn)相反,簡單來說,就是工藝流程復(fù)雜,對公用工程具有較強(qiáng)的依賴性,但只需要投入較少資金,便可完成設(shè)計(jì)及布置工作并投入使用[2]。本項(xiàng)目對應(yīng)罐區(qū)的整體規(guī)模偏小,計(jì)劃投資金額有限,設(shè)計(jì)人員出于對工藝流程進(jìn)行簡化、避免過度依賴公用工程的考慮,最終決定應(yīng)用常溫中壓方案。
對液氨進(jìn)行常溫貯存,儲(chǔ)罐類型應(yīng)當(dāng)為鋼制壓力罐,以臥罐、球罐為宜。罐區(qū)內(nèi)部設(shè)置液氨儲(chǔ)罐的數(shù)量,通常應(yīng)當(dāng)達(dá)到2個(gè)或 2個(gè)以上,本項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)人員以硝酸工段和氨水制備工段正常生產(chǎn)所需液氨量、液氨進(jìn)出罐區(qū)實(shí)際流量為依據(jù),對儲(chǔ)罐各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。設(shè)計(jì)人員以儲(chǔ)罐所具有優(yōu)點(diǎn)為依據(jù),結(jié)合現(xiàn)場情況最終決定布置球形儲(chǔ)罐4個(gè),3個(gè)運(yùn)行,1個(gè)備用,備用罐在正常運(yùn)行時(shí)保持空罐狀態(tài)并充氮?dú)獗Wo(hù),在需要導(dǎo)罐時(shí)使用。其他參數(shù)如表1所示。
表1 儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)參數(shù)
結(jié)合相關(guān)規(guī)定可知,固定頂罐組最大容積為12 000 m3,其中,最大容積為1 000 m3的罐數(shù)應(yīng)被控制在12個(gè)以下,容積未達(dá)到1 000 m3的罐數(shù)應(yīng)被控制在16個(gè)以下。丙B類儲(chǔ)罐、單罐容積均未達(dá)到1 000 m3的罐組,對各類儲(chǔ)罐數(shù)量加以確定時(shí),通常無需考慮以上規(guī)定。液氨儲(chǔ)罐對應(yīng)最大儲(chǔ)存系數(shù)為0.9,數(shù)量應(yīng)達(dá)到2個(gè)或2個(gè)以上。本次設(shè)計(jì)所選用球罐的數(shù)量為4個(gè),容積均為 974 m3,對應(yīng)充裝系數(shù)是 0.85,滿足相關(guān)規(guī)定。
根據(jù)《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》相關(guān)規(guī)定,在裝有吸收處理裝置或事故排放的火炬點(diǎn)時(shí),相鄰液氨球罐的間距應(yīng)達(dá)到球罐直徑×50%。反之,則需要將防火間距調(diào)整至與球罐直徑相等。本文所討論裝置裝有事故排放的火炬點(diǎn),球罐之間防火間距定為 12.6 m,球罐直徑為 12.3 m,防火間距較球罐直徑×50%大,滿足相關(guān)規(guī)定。
在液氨罐區(qū)對防火堤進(jìn)行設(shè)置十分重要,對相關(guān)工作加以落實(shí)時(shí),應(yīng)對以下內(nèi)容引起重視:(1)立式儲(chǔ)罐與防火堤的內(nèi)堤腳線的距離應(yīng)達(dá)到罐壁高度×50%。臥式儲(chǔ)罐其罐壁與內(nèi)堤腳線間,通常要相隔 3 m 以上。本文所討論裝置,其罐壁和內(nèi)堤腳線間相距 6.7 m,滿足相關(guān)規(guī)定。(2)液化烴全壓力式或半冷凍式儲(chǔ)罐組宜設(shè)置高度為0.6 m的防火堤,防火堤內(nèi)的隔堤不宜高于0.3 m。全壓力式、半冷凍式液氨儲(chǔ)罐的防火堤和隔堤的設(shè)置同液化烴儲(chǔ)罐的要求。本裝置所對應(yīng)防火堤,其設(shè)計(jì)算高度是 0.4 m,設(shè)計(jì)高度是 0.6 m,隔堤設(shè)計(jì)高度為0.3 m。(3)集水設(shè)施通常被設(shè)置在較低處,將地面下所通出排水管道和集水設(shè)施相連,保證雨水能夠被快速排出。在堤外對開關(guān)裝置進(jìn)行設(shè)置并連接。確保工作人員可通過開閉裝置所顯示標(biāo)志,對開閉狀態(tài)加以掌握。(4)地坪標(biāo)高應(yīng)低于地面標(biāo)高、消防道路標(biāo)高。(5)防火堤容積應(yīng)達(dá)到單個(gè)儲(chǔ)罐的最大容積。本裝置對應(yīng)防火堤,其有效容積需要達(dá)到 974 m3以上。(6)在多個(gè)方位對人行臺(tái)階、梯子進(jìn)行設(shè)置,除特殊情況外,方位一致的相鄰人行臺(tái)階、梯子,其間距應(yīng)當(dāng)被控制在 60 m 以內(nèi)。隔堤同樣需要設(shè)置人行臺(tái)階。應(yīng)在每一罐組防火堤的不同方位上設(shè)置不少于兩個(gè)人行臺(tái)階、梯子。(7)防火堤內(nèi)的地面坡度需要達(dá)到0.3%以上,坡向朝向?yàn)楦浇潘印⑴潘疁?。本裝置對應(yīng)防火堤,內(nèi)部地面所設(shè)坡度為 0.5%,坡向朝向?yàn)榕潘疁稀?8)要進(jìn)出罐組的電纜及管線,通常應(yīng)遠(yuǎn)離防火堤的堤身,而是選擇在堤基以下、堤頂以上穿過。如果現(xiàn)場條件有限,則要提前在堤身適當(dāng)位置對套管進(jìn)行預(yù)埋并密封,以免給防火堤功能的發(fā)揮造成不利影響。
對液氨管道材質(zhì)進(jìn)行選擇的依據(jù)為操作工況,目前,常用材質(zhì)有Q345R不銹鋼、304SS不銹鋼及20#鋼。Q345R主要被用來對冷氨管道進(jìn)行制造,要求運(yùn)行環(huán)境溫度在-40 ℃以上。304SS對環(huán)境溫度所提出要求較低,通??稍?196 ℃以上的低溫環(huán)境下使用。20#鋼更適合被用來制造熱氨管道,要求設(shè)計(jì)溫度在-20 ℃及以上。本文所討論裝置的運(yùn)行環(huán)境為中壓、常溫環(huán)境,綜合經(jīng)濟(jì)性、操作工況等因素,設(shè)計(jì)人員最終決定采用20#鋼。
4.2.1 調(diào)節(jié)閥組
調(diào)節(jié)閥組所采用的安裝方式為臥式安裝,優(yōu)點(diǎn)是安裝、維修難度小。閥門、排液口設(shè)置在管道低點(diǎn)處,其中,排液口和平臺(tái)的距離應(yīng)達(dá)到150 mm以上。調(diào)節(jié)閥的入口管道、出口管道均為偏心異徑管,要求對管道進(jìn)行底平安裝,保證安裝效果符合相關(guān)要求。
4.2.2 安全閥組
超壓放火炬需要對雙安全閥進(jìn)行安裝,在安全閥前后對切斷閥進(jìn)行設(shè)置,為安全閥的更換提供便利,而采用雙安全閥的目的,主要是確保一個(gè)安全閥出現(xiàn)故障,另一個(gè)安全閥可承擔(dān)起全部工作[3]。設(shè)計(jì)人員為避免安全閥出現(xiàn)故障,導(dǎo)致泄壓操作無法順利進(jìn)行,對雙閥副線進(jìn)行了設(shè)置,在正常工況下,副線閥門無需開啟。
對安全閥組所需管道進(jìn)行布置,通常要考慮以下內(nèi)容:(1)如果存在共用入口管道的情況,要根據(jù)安全閥數(shù)量及流量參數(shù),對管道規(guī)格加以確定。(2)保證氣相被排放至安全區(qū)域,排放口為平口,出口朝向?yàn)樯希欧趴谳^室外平臺(tái)略高,高度差以3 m為宜。(3)在主管側(cè)面或上方插入排放管,二者所呈現(xiàn)角度為45°,這樣做既能夠使管路的壓力降得到控制,又可以避免凝液由主管進(jìn)入支管。(4)在需要保護(hù)的管道、設(shè)備附近對安全閥進(jìn)行安裝,盡量縮短入口管道長度,保證壓力降在定壓值×3%以下,確定安裝位置需要遵循的原則為便于檢驗(yàn)與維修。(5)入口管道坡度應(yīng)達(dá)到5%以上,坡向朝向被保護(hù)管道、設(shè)備。(6)對袋形彎的問題要引起重視,如果現(xiàn)場情況無法做到杜絕袋形彎存在,則要將放凈閥設(shè)置在低點(diǎn)。
4.2.3 其他管道
在球罐區(qū)附近對管道進(jìn)行布置的首選方案為集中布置,如果需要用到管墩敷設(shè),墩頂和地面的高度差宜在 100~200 mm 之間,還要以最小管道的實(shí)際管徑、對應(yīng)跨距為依據(jù),對管墩間距加以確定,盡量避免出現(xiàn)支管頻繁交叉的情況。進(jìn)出儲(chǔ)罐的管道所采用連接方式,通常為彈性連接、撓性連接,這樣設(shè)計(jì)的目的是保證管道連接點(diǎn)可達(dá)到抗震、地基沉降的相關(guān)要求。
在進(jìn)出各物料管的區(qū)域,對插板、切斷閥進(jìn)行設(shè)置,保證插板、切斷閥靠近防火堤。對連接儲(chǔ)罐接口的管道的切斷閥進(jìn)行設(shè)置時(shí),盡量縮短儲(chǔ)罐和切斷閥的距離。此外,操作頻次較高的閥門,同樣需要采取集中布置方案。
文章以液氨儲(chǔ)罐區(qū)對應(yīng)工藝流程為基礎(chǔ),圍繞設(shè)備布置、配管設(shè)計(jì)需要關(guān)注的相關(guān)技術(shù)要點(diǎn)展開了討論,以期能夠使罐區(qū)配管設(shè)計(jì)效果得到顯著提高,通過對管道布置方案進(jìn)行優(yōu)化的方式,為日后的操作及維修工作提供便利,使相關(guān)裝置所具有作用得到充分發(fā)揮。