液氨儲(chǔ)罐氨氣放空增加的原因分析及處理

杜坤橋,符鵬飛

(中海石油化學(xué)股份有限公司, 海南東方 572600)

合成氨生產(chǎn)中,液氨儲(chǔ)罐用來(lái)儲(chǔ)存合成裝置生產(chǎn)的多余液氨。由于環(huán)境溫差,液氨儲(chǔ)罐內(nèi)液氨存在不同程度的閃蒸。原設(shè)計(jì)中閃蒸汽由配套的小冰機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行壓縮回收,當(dāng)閃蒸汽量大于小冰機(jī)最大負(fù)荷時(shí),無(wú)法完全回收,閃蒸汽被迫放空,造成環(huán)境污染和產(chǎn)品浪費(fèi)。

1 工藝流程

中海石油化學(xué)股份有限公司化肥一部合成氨裝置以天然氣為原料,英國(guó)ICI-AMV工藝技術(shù)為主要依托,日產(chǎn)1 000 t合成氨。氨罐區(qū)有2個(gè)規(guī)格一樣的低溫常壓液氨儲(chǔ)罐(81T001A/B),每個(gè)液氨儲(chǔ)罐可儲(chǔ)存液氨2 500 t,設(shè)計(jì)溫度為-32.4 ℃,設(shè)計(jì)壓力為5 000 Pa。由于輻射熱和液氨流動(dòng),液氨儲(chǔ)罐內(nèi)液氨會(huì)閃蒸蒸發(fā)變成氣氨,罐體壓力上漲[1]。液氨儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)閃蒸汽量分3種情況:當(dāng)主裝置液氨全部送液氨儲(chǔ)罐時(shí),閃蒸汽質(zhì)量流量為341 kg/h;當(dāng)主裝置不產(chǎn)氨、全部由液氨儲(chǔ)罐送尿素裝置液氨時(shí),閃蒸汽質(zhì)量流量為306 kg/h;當(dāng)液氨儲(chǔ)罐沒(méi)有液氨進(jìn)入,也沒(méi)有送出,冰機(jī)和液氨儲(chǔ)罐組成封閉系統(tǒng)時(shí),閃蒸汽質(zhì)量流量為184 kg/h。液氨儲(chǔ)罐閃蒸汽由小冰機(jī)壓縮回收,當(dāng)閃蒸汽量大于小冰機(jī)負(fù)荷,閃蒸汽將由放空閥(PV81001)排放至氨火炬燃燒放空。氨罐區(qū)工藝流程簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

圖1 氨罐區(qū)工藝流程簡(jiǎn)圖

化肥一部地處海南東方熱帶地區(qū),年平均溫度較高,閃蒸汽放空的情況一直存在。放空管線上無(wú)相應(yīng)的流量計(jì),因此統(tǒng)計(jì)放空閥打開(kāi)的次數(shù)來(lái)粗略衡量放空情況。2017年至2020年,放空閥平均每天打開(kāi)次數(shù)分別為7.2、8.4、11.4、12.1,平均每天打開(kāi)的次數(shù)逐年增加,造成了產(chǎn)品氨的浪費(fèi),增加了企業(yè)的生產(chǎn)成本,同時(shí)加重企業(yè)的環(huán)保壓力。

2 原因分析

影響閃蒸汽放空增加的因素有很多,包括人員操作水平、冰機(jī)運(yùn)行狀況、液氨儲(chǔ)罐夾層氮?dú)鈮毫?、液氨?chǔ)罐防腐完好性、放空閥靈敏性、液氨管線保冷效果、系統(tǒng)負(fù)荷變化等[2]。在對(duì)上述因素進(jìn)行橫向分析比較后,確認(rèn)了影響液氨儲(chǔ)罐壓力波動(dòng)和液氨儲(chǔ)罐放空的2個(gè)主要因素:小冰機(jī)負(fù)荷下降和液氨管線保冷失效。2個(gè)因素共同疊加作用,加劇了閃蒸汽的放空。

2.1 小冰機(jī)負(fù)荷下降

小冰機(jī)設(shè)計(jì)最大質(zhì)量流量為420 kg/h,由于小冰機(jī)出口沒(méi)有流量計(jì),無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到小冰機(jī)出口流量,也就無(wú)法了解小冰機(jī)實(shí)際的負(fù)荷情況,但是可以通過(guò)其液氨外送調(diào)節(jié)閥(LV81005B)的開(kāi)度進(jìn)行推算[3]。2021年10月在小冰機(jī)滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),液氨外送調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度平均在30%。閥門實(shí)時(shí)流量計(jì)算公式為:

(1)

式中:qm為閥門實(shí)時(shí)質(zhì)量流量;qm,max為最大質(zhì)量流量;R為可調(diào)比;1/L為閥位。

將最大流量質(zhì)量流量5 133.5 kg/h、可調(diào)比50、閥位30%代入式(1),近似算出小冰機(jī)質(zhì)量流量為332 kg/h,為設(shè)計(jì)值的79%,說(shuō)明了小冰機(jī)負(fù)荷確實(shí)存在明顯下降。

負(fù)荷下降后,在閃蒸汽流量出現(xiàn)大幅波動(dòng)上漲,且超過(guò)小冰機(jī)最大負(fù)荷時(shí),小冰機(jī)無(wú)法全部接收,不可避免造成閃蒸汽放空。近幾年來(lái)小冰機(jī)維修次數(shù)明顯增多,但是負(fù)荷一直也沒(méi)有得到有效恢復(fù)。

此外,原始設(shè)計(jì)方面也存在不足,小冰機(jī)設(shè)計(jì)液氨出口溫度為10.5 ℃,與液氨儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)儲(chǔ)存溫度存在較大溫差,小冰機(jī)回流的熱液氨也會(huì)加劇閃蒸。在主裝置沒(méi)有向氨罐區(qū)送氨時(shí),小冰機(jī)與液氨儲(chǔ)罐組成封閉系統(tǒng),小冰機(jī)設(shè)計(jì)送氨溫度為10.5 ℃,遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值(-32.4 ℃)。通過(guò)計(jì)算,進(jìn)氨溫度為10.5 ℃,液氨儲(chǔ)罐將額外增加閃蒸汽26.16 kg/h,增加了14.22%。按照每次14.22%增加,經(jīng)過(guò)5次循環(huán)迭代后,閃蒸汽質(zhì)量流量將達(dá)到357.71 kg/h,大于現(xiàn)在小冰機(jī)的質(zhì)量流量(332 kg/h)。此時(shí)放空閥將打開(kāi),壓力降低后閥門自動(dòng)關(guān)閉,不斷如此循環(huán)。

2.2 液氨管線保冷老化嚴(yán)重

液氨儲(chǔ)罐壓力上漲,除了小冰機(jī)本身負(fù)荷下降和送氨溫度偏高外,管線及相連的機(jī)泵保冷效果差也是主要原因?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)進(jìn)出液氨儲(chǔ)罐的相關(guān)管線進(jìn)行全面檢查,發(fā)現(xiàn)大部分管線保冷外鋁皮都出現(xiàn)冷凝水、青苔的情況,說(shuō)明保冷嚴(yán)重老化失效。

2022年2月23日,經(jīng)試驗(yàn),關(guān)閉液氨儲(chǔ)罐出口液氨閥及所有管線和機(jī)泵的冷管閥及冷泵閥,只保留小冰機(jī)運(yùn)行,之后24 h液氨儲(chǔ)罐壓力波動(dòng)次數(shù)明顯減小,只有幾次明顯的壓力上漲導(dǎo)致放空閥打開(kāi)(見(jiàn)圖2)。這也反映出一個(gè)現(xiàn)象:液氨儲(chǔ)罐出口液氨管線及機(jī)泵的保冷效果差,只是導(dǎo)致氨罐壓力發(fā)生一些較小的波動(dòng),小冰機(jī)上可以調(diào)節(jié);但是小冰機(jī)本身回流的熱氨,導(dǎo)致氨罐閃蒸汽明顯增加、壓力快速上漲,超出了小冰機(jī)自身調(diào)節(jié)能力,放空閥打開(kāi)。

圖2 關(guān)閉液氨儲(chǔ)罐出口液氨閥等前后液氨儲(chǔ)罐壓力變化對(duì)比

此外,閃蒸汽量還與環(huán)境溫度、系統(tǒng)負(fù)荷變化、小冰機(jī)運(yùn)行工況、閥門線性等多個(gè)原因有關(guān),若是主裝置向液氨儲(chǔ)罐送氨,由于輸送量不斷變化,且管線偏長(zhǎng),影響因素更多,因此閃蒸汽也更多,但無(wú)法量化和計(jì)算。

3 處理措施

3.1 新增小冰機(jī)

原小冰機(jī)運(yùn)行至今已有27 a,已經(jīng)超過(guò)了使用年限,維修次數(shù)逐年增加,曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)轉(zhuǎn)子和大蓋磨損、油過(guò)濾器壓差異常等問(wèn)題[4],維修保養(yǎng)成本上漲,停機(jī)維修導(dǎo)致液氨儲(chǔ)罐放空的情況也相應(yīng)增加。另外,根據(jù)新的安全環(huán)保要求,一級(jí)重大危險(xiǎn)源氨罐區(qū)的冰機(jī)必須配套有2臺(tái),1用1備。因此,新增1套功率更大的小冰機(jī)(見(jiàn)圖3)。

圖3 增加小冰機(jī)后的氨罐區(qū)工藝流程簡(jiǎn)圖

新小冰機(jī)(81K001)和舊小冰機(jī)(81K002)的參數(shù)對(duì)比見(jiàn)表1,主要表現(xiàn)在負(fù)荷明顯提升,外送液氨溫度降至-15.9 ℃,潤(rùn)滑油冷卻方式改為氨冷。新小冰機(jī)基本實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化,采購(gòu)成本大大降低。

表1 新小冰機(jī)和舊小冰機(jī)參數(shù)對(duì)比

由于新小冰機(jī)功率更大,自控調(diào)節(jié)更好,可以快速、提前應(yīng)對(duì)閃蒸汽量的大幅波動(dòng),從而減少了閃蒸汽的排放,現(xiàn)每天放空閥打開(kāi)次數(shù)降至3.2次,節(jié)約生產(chǎn)成本,有利于環(huán)保和安全;另外,舊小冰機(jī)的備用可以直接減少檢修次數(shù),減少備件品的消耗。

3.2 更換液氨管線的保冷材料

從建廠投產(chǎn)至今有24 a,與氨罐區(qū)相連的液氨管線保冷從未更換,保冷材料老化后,受環(huán)境溫度影響,液氨儲(chǔ)罐進(jìn)氨溫度上漲,閃蒸汽增多,在夏天的時(shí)候尤為明顯。因此部門分批次更換了液氨儲(chǔ)罐出口液氨管線和入口分離罐的保冷材料,更換之后,輻射熱減少,有效減少閃蒸汽的產(chǎn)生,降低小冰機(jī)的負(fù)荷,減少冰機(jī)的能耗。

4 結(jié)語(yǔ)

新小冰機(jī)投用及更換液氨管線的保冷,液氨儲(chǔ)罐的壓力波動(dòng)及放空情況明顯減少。放空減少后能耗下降、環(huán)保壓力減輕,都為企業(yè)發(fā)展發(fā)出的一種利好消息。但目前新小冰機(jī)還未達(dá)到最佳狀態(tài),若通過(guò)調(diào)試,理論上可以避免放空閥打開(kāi)。下一步將繼續(xù)研究冰機(jī)運(yùn)行規(guī)律,優(yōu)化工況,努力做到液氨儲(chǔ)罐不放空。