乙烯球罐及罐區(qū)設(shè)計要點分析

張園園中國石化集團寧波工程有限公司 寧波 315103

乙烯球罐及罐區(qū)設(shè)計要點分析

張園園＊中國石化集團寧波工程有限公司 寧波 315103

根據(jù)某蠟化乙烯罐區(qū)的設(shè)計,從乙烯球罐的設(shè)計參數(shù)、材料的選擇、乙烯的氣化輸送、罐區(qū)的安全及氣體回收等方面,分析乙烯球罐及罐區(qū)的設(shè)計要點,提出設(shè)計應(yīng)考慮的問題及建議。

乙烯球罐 罐區(qū) 設(shè)計要點

隨著我國經(jīng)濟的穩(wěn)步快速發(fā)展,石油化工產(chǎn)品的消費量明顯提高,化工原料的需求量逐步增大,越來越多的煉油型石化企業(yè)增上了乙烯裝置,煉油和化工一體化已經(jīng)成為大型石化企業(yè)發(fā)展的模式。煉油型石化企業(yè)的儲運罐區(qū)也由過去單一的常溫儲存形式,發(fā)展為低溫和常溫混合儲存的形式。過去大型乙烯球罐受鋼材制造能力等因素限制,多采用進口鋼材和設(shè)計。隨著國產(chǎn)低溫鋼的研發(fā)和生產(chǎn),目前乙烯球罐用鋼正在逐步國產(chǎn)化,各種乙烯球罐及罐區(qū)的設(shè)計也越來越多。2007年某蠟化規(guī)劃增上一套渣油催化熱裂解裝置(CPP)及下游配套裝置和罐區(qū),其中,乙烯罐區(qū)儲存能力 7500 m3,包括乙烯儲存能力 6000m3,乙烷儲存能力 1500m3。該項目 2007年底完成基礎(chǔ)設(shè)計,2008年完成詳細(xì)工程設(shè)計,2009年完成施工建設(shè),并一次投產(chǎn)成功。

某蠟化乙烯罐區(qū)主要包括 2000m3乙烯球罐 3座,1500m3乙烷球罐 1座;乙烯氣化輸送系統(tǒng);乙烯氣回收系統(tǒng)及乙烯臨時卸車系統(tǒng)。

1 球罐的設(shè)計參數(shù)

低溫球罐最重要的設(shè)計參數(shù)是設(shè)計溫度和設(shè)計壓力。在儲存過程中,盡管球罐有保冷設(shè)施,但總會吸收環(huán)境中的熱量使介質(zhì)氣化,導(dǎo)致球罐內(nèi)的壓力升高,因此,低溫球罐的設(shè)計溫度和壓力需要根據(jù)球罐的材質(zhì)、介質(zhì)的性質(zhì)及工藝要求綜合確定。國內(nèi)現(xiàn)有部分大型乙烯球罐的溫度和壓力參數(shù)見表 1[1]。

表1 國內(nèi)部分大型乙烯球罐的溫度和壓力參數(shù)

從表 1看出:乙烯球罐的操作溫度一般為 -36～-27℃,設(shè)計溫度從 -31℃有逐步降低的傾向,這主要是考慮乙烯球罐出現(xiàn)不正常低溫工況時,使球罐有一定的抗過冷能力;球罐的操作壓力是操作溫度下的飽和壓力,球罐設(shè)計壓力為 2.16～2.2 MPa(G)。這主要是考慮乙烯球罐低溫特性,使操作溫度有一個波動的范圍。

某蠟化乙烯球罐的操作溫度為 -35～ -27.8℃,操作壓力為 1.58～1.96MPa(G),選擇乙烯球罐的設(shè)計溫度 -45℃,設(shè)計壓力 2.16MPa(G)。

乙烷球罐和乙烯球罐同屬易燃易爆介質(zhì)低溫球罐,但其操作工況與乙烯球罐不同,單臺乙烷球罐沒有氣體連通及回收設(shè)施,為更長久地穩(wěn)定控制,減少排放,設(shè)定乙烷球罐的操作溫度為 -46.5～ -13.5℃,操作壓力為 0.5256～1.60MPa(G),因此,某蠟化乙烷球罐選擇設(shè)計溫度 -50℃,設(shè)計壓力 1.77MPa(G)。

2 乙烯球罐材料的選擇

上世紀(jì) 70年代,我國先后引進了幾套乙烯裝置,并引進了一些容積在 1500m3左右的大型乙烯球罐,當(dāng)時,主要是采用國外設(shè)計、制造球片,國內(nèi)安裝。80年代末,我國自行研發(fā)了新型低溫球罐用鋼 (07MoNiC rMoVDR)國產(chǎn) CF-62,并于90年代初在大慶用此鋼材自行設(shè)計并制造出1500m3乙烯球罐,開創(chuàng)了用國產(chǎn)鋼材制造大型乙烯球罐的先例,形成了大型乙烯球罐制造采用國產(chǎn)鋼材與進口鋼材并存的局面[2]。本世紀(jì),隨著鋼廠生產(chǎn)能力的不斷擴大,品種的逐步增多,大型低溫球罐用鋼已逐漸國產(chǎn)化。目前,根據(jù)乙烯球罐的設(shè)計溫度要求,國產(chǎn)用鋼主要為以下幾種:07MnNiC rMoVDR、15MnN iDR及 09MnN iDR。最近又新研發(fā)了一種新型低溫球罐用鋼15MnNiNbDR[3]。國內(nèi)部分低溫乙烯球罐用鋼的主要參數(shù)見表 2。

表2 國內(nèi)部分低溫乙烯球罐用鋼主要參數(shù)

從表 2可見,國內(nèi)低溫乙烯球罐設(shè)計溫度大多≤ -40℃,球罐鋼板使用較多的是07MnNiC rMoVDR,15MnNiDR及 09MnNiDR用于大型低溫球罐較少,某蠟化 2000m3低溫乙烯球罐設(shè)計溫度 -45℃,采用 15MnNiNbDR鋼板,1500m3低溫乙烷球罐設(shè)計溫度 -50℃,采用 09MnN iDR鋼板,成功采用這兩種鋼板制造了大型低溫球罐。

3 乙烯氣化輸送系統(tǒng)

乙烯裝置生產(chǎn)的乙烯送罐區(qū)儲存。當(dāng)下游裝置需要時,罐區(qū)氣化輸送系統(tǒng)將乙烯加壓、氣化、升溫后送下游裝置。乙烯氣化輸送系統(tǒng)主要包括乙烯蒸發(fā)器、乙烯輸送泵及乙烯過熱器。其中最重要的設(shè)備是乙烯蒸發(fā)器及乙烯輸送泵。

3.1 乙烯蒸發(fā)器

由于乙烯的低溫性質(zhì),乙烯蒸發(fā)器需要特殊設(shè)計。不選用蒸汽直接加熱低溫乙烯,而是先用蒸汽加熱中間媒介丙烯或甲醇,再用丙烯或甲醇蒸氣加熱低溫乙烯。這主要考慮蒸汽冷凝到低溫時會結(jié)冰,影響介質(zhì)的傳熱。中間媒介的選用比較見表 3。

表3 中間媒介比較表

從表 3可見,在同樣操作溫度下,如選用甲醇做中間媒介,可以降低蒸發(fā)器的設(shè)計壓力;在同樣設(shè)計壓力的條件下,如選用甲醇作為中間媒介,蒸發(fā)器可以選用普通碳鋼;而選用丙烯,則需要選用低溫鋼。因此,盡管用甲醇作為中間媒介有一定毒性危害,但通過采取措施,使其密閉循環(huán),可以降低投資,因此,某蠟化乙烯蒸發(fā)器選擇甲醇作為中間媒介。

3.2 乙烯輸送泵

乙烯在球罐中是飽和儲存的,球罐中液體倒灌入泵。因此,其有效氣蝕余量為:

(NPSH)a=- (Hgs+Hls)

式中,Hgs為泵實際幾何安裝高度,即球罐的最低液面至泵中心線的垂直距離,灌注時為負(fù)值,吸上時為正值,m;Hls為泵進口側(cè)管道系統(tǒng)阻力,m。

根據(jù)上式可以看出,泵的有效氣蝕余量即為泵的幾何安裝高度和泵進口側(cè)管道系統(tǒng)阻力之和。

根據(jù)某蠟化 2000m3乙烯球罐的安裝高度1.75m,設(shè)球罐內(nèi)液位為 1m,泵入口阻力為0.4m,則乙烯泵的有效氣蝕余量為:

(NPSH)a=-(-2.75+0.4)=2.35m

考慮安全余量 0.6m,泵必需的氣蝕余量需小于 1.75m,這對一般的離心泵是很難達(dá)到的。對于一般常溫液化烴球罐可采取一些措施提高泵的有效汽蝕余量,如采用蒸氣增壓器增壓,或?qū)⒌獨獬淙肭蚬迌?nèi)增壓或提高支腿高度等,但對于乙烯球罐,由于壓力控制范圍較小,采用增壓器或向球罐內(nèi)充氮氣,會使低溫球罐的溫度和壓力變得不穩(wěn)定,易引起球罐超壓;提高支腿高度對投資影響較大。采用立式筒袋泵就可以有效解決這個問題。

立式筒袋泵屬于多級泵,常埋于地下,見圖1。

從圖 1可見,第一級葉輪與基準(zhǔn)面的高差為K,則筒袋泵的必需氣蝕余量為:

(NPSH)0r= (NPSH)1r-K

圖1 立式筒袋泵示意圖

式中, (NPSH)0r為筒袋泵必需氣蝕余量,m;(NPSH)1r為常規(guī)泵必需氣蝕余量,m;K為筒袋泵第一級葉輪與基準(zhǔn)面的高差,m,K取值為 0.53～2.56m[5]。

不同廠家 K值不同,K值可以根據(jù)球罐的有效氣蝕余量的要求選擇,所以筒袋泵的必需氣蝕余量比常規(guī)泵的氣蝕余量小 Km,完全可以滿足泵的氣蝕余量的要求。因此,選擇筒袋泵對低溫飽和液體的輸送非常合適。

4 罐區(qū)的氣體回收

由于低溫球罐中液化烴的貯存溫度低于環(huán)境溫度,因此,盡管球罐采取保冷措施,但在貯存過程中還是會與外界發(fā)生傳熱而使部分液化烴氣化,少量低溫液化烴氣化后吸熱,利用低溫液化烴的氣化吸熱原理可實現(xiàn)低溫液態(tài)儲存。但不斷氣化的液化烴會使球罐壓力升高,目前,保持低溫球罐壓力平衡的辦法:①將低溫球罐中的氣相介質(zhì)送往可接收裝置;②增加一套小型壓縮機系統(tǒng)。對于可接收裝置為兩套以上裝置,當(dāng)一套檢修時,可送往另一套裝置的情況,采用第一種辦法;對于只有一套接收裝置或沒有接收裝置的情況,可根據(jù)球罐介質(zhì)儲存量、介質(zhì)的特性,綜合比較后確定采用何種辦法。

某蠟化乙烯有 2000m3低溫乙烯球罐 3臺,1500 m3低溫乙烷球罐 1臺,一套 CPP裝置。

正常工況下,乙烯球罐的氣體送往 CPP裝置,裝置不接收乙烷氣體。在裝置檢修期間,按每次20天計,3臺乙烯球罐的每次排放量約 340t,2010年按乙烯噸平均價格 7690元計[6],則每次損失乙烯的總價值約為 261萬元。一套乙烯氣回收系統(tǒng)總投資約 250萬元,因此,使用一次即可收回投資。

罐區(qū)乙烷為 CPP裝置不合格乙烷及清焦時排放的乙烷,正常工況每小時少量回?zé)?裝置檢修期間,一臺乙烷球罐的排放量約 84t,由于乙烷是裝置檢修期間排放的中間產(chǎn)品,排放量較少,因此,決定不采用氣體回收系統(tǒng)。如果球罐超壓,可排火炬系統(tǒng)。

5 乙烯臨時卸車系統(tǒng)

乙烯球罐開工置換一般有兩種形式:一種是乙烯裝置開車后用裝置產(chǎn)生的乙烯氣體進行置換;另一種是裝置未開工,需用常壓低溫乙烯罐車中的乙烯對球罐進行置換,某蠟化計劃用球罐中乙烯返回乙烯裝置進行倒開車,因此,球罐置換只能采用第二種方式。

采用常壓低溫乙烯罐車對乙烯球罐進行置換,需要設(shè)置一套卸車系統(tǒng),系統(tǒng)主要包括一臺乙烯卸車加壓泵和一套乙烯加熱器。

由于乙烯球罐最低設(shè)計溫度為 -45℃,而常壓下乙烯的最低溫度可達(dá) -104℃,因此,卸車時,乙烯進料的相態(tài)、溫度及球罐的壓力需要認(rèn)真匹配和協(xié)調(diào),保證球罐溫度不低于設(shè)計溫度,球罐上、下部溫差小于 40℃,降溫速率為≤5℃/h。

某蠟化乙烯加熱器采用空氣加熱。設(shè)置三臺可串可并的空氣加熱器,以適應(yīng)開工置換中的各種工況?？諝饧訜崞鹘Y(jié)構(gòu)簡單、投資較低。但空氣加熱受開車時氣溫、風(fēng)速等影響較大,加熱器投用后極易表面結(jié)霜后失效,出口溫度較難控制。這是今后設(shè)計中需要注意的問題,建議采用可控?zé)嵩吹募訜岱绞健?/p>

6 安全防護及設(shè)施

6.1 低溫球罐的壓力控制

低溫乙烯、乙烷球罐非常容易吸收環(huán)境的熱量而使球罐的壓力升高,因此,低溫球罐的壓力控制非常重要。

三臺乙烯球罐設(shè)置了氣相連通線,此氣相連通線通往 CPP裝置。正常的壓力變化范圍內(nèi),如果一臺球罐壓力由于進料等原因升高,則氣相連通線可以平衡各罐的壓力;當(dāng)遇 CPP裝置檢修,壓力升高到設(shè)定壓力高限時,啟動氣體回收系統(tǒng),把氣體冷卻后再返回球罐;當(dāng)壓力再升高時,通過壓控閥放火炬;當(dāng)壓力繼續(xù)升高時,安全閥起跳,向火炬排放。當(dāng)球罐壓力降低到設(shè)定壓力低限時,可啟動氣化系統(tǒng)對球罐補充氣相。

一臺乙烷球罐壓力升高時,設(shè)置了壓力控制及安全閥;壓力降低時,也可啟動氣化系統(tǒng)對球罐補充氣相。

6.2 儀表檢測控制

低溫球罐的液位除采用智能伺服式液位計進行遠(yuǎn)傳液位指示及報警和就地液位指示兩種檢測方式外,還單獨設(shè)置了高高液位報警開關(guān)及低低液位報警開關(guān),高高液位報警開關(guān)與所有進料閥連鎖,防止液位超高。當(dāng)出料閥打開時,聯(lián)鎖自動解開。

罐根閥采用控制室遙控及手動雙重設(shè)置,火災(zāi)事故時可在控制室也可在現(xiàn)場及時關(guān)閉閥門。

球罐上部設(shè)置壓力遠(yuǎn)傳指示調(diào)節(jié)報警,可對球罐的壓力進行調(diào)節(jié);球罐上部和下部均需設(shè)置溫度指示,方便了解真實情況。

現(xiàn)場設(shè)置可燃?xì)怏w報警儀和攝像監(jiān)控設(shè)施,可及時發(fā)現(xiàn)泄漏,防止事故的擴大。

6.3 安全放空設(shè)施

低溫球罐的罐頂設(shè)置兩個一開一備的安全閥,按國標(biāo) GB 150確定安全閥的泄放量:有完善絕熱保溫層,火災(zāi)情況下的泄放量及最大進料量兩者計算后取較大值,按最大進料量選取。由于儲運系統(tǒng)間斷操作的特性,管道中低溫液體也非常容易吸收外界熱量氣化,使管道壓力升高超壓。因此,進、出罐區(qū)及自動切斷閥之間管線均根據(jù)情況設(shè)置了管道安全閥或其他可以泄壓的措施。在手動切斷閥之間設(shè)置了放空,安全閥后氣體密閉排放至火炬系統(tǒng)。

7 結(jié)語

目前,乙烯球罐儲存在我國發(fā)展較快,已有越來越多的煉油廠、化工廠正在建設(shè)或投用。某蠟化乙烯球罐于 2009年 3月開始進乙烯,4月上旬完成乙烯球罐的置換,其系統(tǒng)完善,包括了從開工進料、儲存、氣化外送及乙烯氣體回收等設(shè)施,至今已經(jīng)投運一年,運行正常。為乙烯球罐及罐區(qū)的設(shè)計積累了寶貴的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)。

1 修淑英.1000m3鋼制乙烯球罐設(shè)計要點 [J].石化技術(shù),2000.7(4):236-240.

2 李 偉.大型乙烯球罐材質(zhì)的選用 [J].甘肅科技,2002,18(9):60-63.

3 竇萬波.我國乙烯球罐現(xiàn)狀及國產(chǎn)化中技術(shù)要點分析 [J]壓力容器,2006,23(6):39-42.

4 金岳軍.國產(chǎn)乙烯低溫球罐用 15MnNiNbDR(WHD3)鋼焊接工藝 [J].石油化工建設(shè),2009,31(2).

5 全國化工設(shè)備設(shè)計技術(shù)中心站機泵技術(shù)委員會.工業(yè)泵選用手冊 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1998.

6 參數(shù)與數(shù)據(jù)編輯部.中國石油化工項目可行性研究技術(shù)經(jīng)濟 2010參數(shù)與數(shù)據(jù) [M].北京:中國石油化工參數(shù)與數(shù)據(jù)編輯部,2010.

(修改回稿 2010-11-24)

＊張園園:高級工程師。1985年畢業(yè)于撫順石油學(xué)院石油化工專業(yè)。一直從事煉油及儲運設(shè)計工作。聯(lián)系電話 (0574)87974810,E-mail:zhangyy.snec@sinopec.com。