李秀杰(上海電氣集團(tuán)國(guó)控環(huán)球工程有限公司，山西 太原 030000)

0 引言

作為常見(jiàn)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(duì)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(duì)稱，成本低廉，受力均勻和占地面積較小。要想使球罐優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮，確保液氨得到長(zhǎng)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(duì)實(shí)際工作具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 液氨球罐區(qū)項(xiàng)目概況

本文所研究對(duì)象為某化肥廠液氨球罐區(qū)，該廠液氨原料均為外購(gòu)，儲(chǔ)存天數(shù)為 7 天。來(lái)自裝卸站的液氨經(jīng)過(guò)液氨過(guò)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 確定儲(chǔ)存方案與罐型

2.1 儲(chǔ)存方案

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(duì)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(lái)達(dá)到對(duì)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(lái)對(duì)冷凍后液氨進(jìn)行長(zhǎng)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(duì)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(duì)液氨進(jìn)行低溫常壓貯存，要求先對(duì)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(duì)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(duì)經(jīng)過(guò)冷凍的液氨進(jìn)行裝盛貯存，由此來(lái)達(dá)到對(duì)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(duì)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(jiǎn)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(guò)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是工藝流程復(fù)雜，對(duì)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(duì)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(duì)工藝流程進(jìn)行簡(jiǎn)化、避免過(guò)度依賴公用工程的考慮，最終決定應(yīng)用常溫中壓方案。

2.2 選擇罐型

對(duì)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(duì)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(chǎng)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)

3 合理布置液氨罐區(qū)

3.1 布置儲(chǔ)罐

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(duì)各類儲(chǔ)罐數(shù)量加以確定時(shí)，通常無(wú)需考慮以上規(guī)定。液氨儲(chǔ)罐對(duì)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(duì)應(yīng)充裝系數(shù)是 0.85，滿足相關(guān)規(guī)定。

3.2 確定防火間距

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。

3.3 設(shè)置防火堤

在液氨罐區(qū)對(duì)防火堤進(jìn)行設(shè)置十分重要，對(duì)相關(guān)工作加以落實(shí)時(shí)，應(yīng)對(duì)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(duì)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(duì)開(kāi)關(guān)裝置進(jìn)行設(shè)置并連接。確保工作人員可通過(guò)開(kāi)閉裝置所顯示標(biāo)志，對(duì)開(kāi)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(duì)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(duì)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?、排水溝。本裝置對(duì)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(guò)。如果現(xiàn)場(chǎng)條件有限，則要提前在堤身適當(dāng)位置對(duì)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。

4 配管設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究

4.1 科學(xué)選擇管道材質(zhì)

對(duì)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(lái)對(duì)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(duì)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(lái)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 各類管道布置要點(diǎn)

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(mén)、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(duì)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(duì)雙安全閥進(jìn)行安裝，在安全閥前后對(duì)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(wú)法順利進(jìn)行，對(duì)雙閥副線進(jìn)行了設(shè)置，在正常工況下，副線閥門(mén)無(wú)需開(kāi)啟。

對(duì)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(duì)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?，排放口較室外平臺(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(duì)安全閥進(jìn)行安裝，盡量縮短入口管道長(zhǎng)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(duì)袋形彎的問(wèn)題要引起重視，如果現(xiàn)場(chǎng)情況無(wú)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(duì)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(duì)應(yīng)跨距為依據(jù)，對(duì)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(duì)插板、切斷閥進(jìn)行設(shè)置，保證插板、切斷閥靠近防火堤。對(duì)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(mén)，同樣需要采取集中布置方案。

5 結(jié)語(yǔ)

文章以液氨儲(chǔ)罐區(qū)對(duì)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(kāi)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(guò)對(duì)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。