液氨儲罐氨氣放空增加的原因分析及處理

杜坤橋,符鵬飛

(中海石油化學股份有限公司, 海南東方 572600)

合成氨生產中,液氨儲罐用來儲存合成裝置生產的多余液氨。由于環境溫差,液氨儲罐內液氨存在不同程度的閃蒸。原設計中閃蒸汽由配套的小冰機系統進行壓縮回收,當閃蒸汽量大于小冰機最大負荷時,無法完全回收,閃蒸汽被迫放空,造成環境污染和產品浪費。

1 工藝流程

中海石油化學股份有限公司化肥一部合成氨裝置以天然氣為原料,英國ICI-AMV工藝技術為主要依托,日產1 000 t合成氨。氨罐區有2個規格一樣的低溫常壓液氨儲罐(81T001A/B),每個液氨儲罐可儲存液氨2 500 t,設計溫度為-32.4 ℃,設計壓力為5 000 Pa。由于輻射熱和液氨流動,液氨儲罐內液氨會閃蒸蒸發變成氣氨,罐體壓力上漲[1]。液氨儲罐設計閃蒸汽量分3種情況:當主裝置液氨全部送液氨儲罐時,閃蒸汽質量流量為341 kg/h;當主裝置不產氨、全部由液氨儲罐送尿素裝置液氨時,閃蒸汽質量流量為306 kg/h;當液氨儲罐沒有液氨進入,也沒有送出,冰機和液氨儲罐組成封閉系統時,閃蒸汽質量流量為184 kg/h。液氨儲罐閃蒸汽由小冰機壓縮回收,當閃蒸汽量大于小冰機負荷,閃蒸汽將由放空閥(PV81001)排放至氨火炬燃燒放空。氨罐區工藝流程簡圖見圖1。

圖1 氨罐區工藝流程簡圖

化肥一部地處海南東方熱帶地區,年平均溫度較高,閃蒸汽放空的情況一直存在。放空管線上無相應的流量計,因此統計放空閥打開的次數來粗略衡量放空情況。2017年至2020年,放空閥平均每天打開次數分別為7.2、8.4、11.4、12.1,平均每天打開的次數逐年增加,造成了產品氨的浪費,增加了企業的生產成本,同時加重企業的環保壓力。

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、冰機運行狀況、液氨儲罐夾層氮氣壓力、液氨儲罐防腐完好性、放空閥靈敏性、液氨管線保冷效果、系統負荷變化等[2]。在對上述因素進行橫向分析比較后,確認了影響液氨儲罐壓力波動和液氨儲罐放空的2個主要因素:小冰機負荷下降和液氨管線保冷失效。2個因素共同疊加作用,加劇了閃蒸汽的放空。

2.1 小冰機負荷下降

小冰機設計最大質量流量為420 kg/h,由于小冰機出口沒有流量計,無法實時監測到小冰機出口流量,也就無法了解小冰機實際的負荷情況,但是可以通過其液氨外送調節閥(LV81005B)的開度進行推算[3]。2021年10月在小冰機滿負荷穩定運行時,液氨外送調節閥的開度平均在30%。閥門實時流量計算公式為:

(1)

式中:qm為閥門實時質量流量;qm,max為最大質量流量;R為可調比;1/L為閥位。

將最大流量質量流量5 133.5 kg/h、可調比50、閥位30%代入式(1),近似算出小冰機質量流量為332 kg/h,為設計值的79%,說明了小冰機負荷確實存在明顯下降。

負荷下降后,在閃蒸汽流量出現大幅波動上漲,且超過小冰機最大負荷時,小冰機無法全部接收,不可避免造成閃蒸汽放空。近幾年來小冰機維修次數明顯增多,但是負荷一直也沒有得到有效恢復。

此外,原始設計方面也存在不足,小冰機設計液氨出口溫度為10.5 ℃,與液氨儲罐設計儲存溫度存在較大溫差,小冰機回流的熱液氨也會加劇閃蒸。在主裝置沒有向氨罐區送氨時,小冰機與液氨儲罐組成封閉系統,小冰機設計送氨溫度為10.5 ℃,遠高于設計值(-32.4 ℃)。通過計算,進氨溫度為10.5 ℃,液氨儲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,經過5次循環迭代后,閃蒸汽質量流量將達到357.71 kg/h,大于現在小冰機的質量流量(332 kg/h)。此時放空閥將打開,壓力降低后閥門自動關閉,不斷如此循環。

2.2 液氨管線保冷老化嚴重

液氨儲罐壓力上漲,除了小冰機本身負荷下降和送氨溫度偏高外,管線及相連的機泵保冷效果差也是主要原因。現場對進出液氨儲罐的相關管線進行全面檢查,發現大部分管線保冷外鋁皮都出現冷凝水、青苔的情況,說明保冷嚴重老化失效。

2022年2月23日,經試驗,關閉液氨儲罐出口液氨閥及所有管線和機泵的冷管閥及冷泵閥,只保留小冰機運行,之后24 h液氨儲罐壓力波動次數明顯減小,只有幾次明顯的壓力上漲導致放空閥打開(見圖2)。這也反映出一個現象:液氨儲罐出口液氨管線及機泵的保冷效果差,只是導致氨罐壓力發生一些較小的波動,小冰機上可以調節;但是小冰機本身回流的熱氨,導致氨罐閃蒸汽明顯增加、壓力快速上漲,超出了小冰機自身調節能力,放空閥打開。

圖2 關閉液氨儲罐出口液氨閥等前后液氨儲罐壓力變化對比

此外,閃蒸汽量還與環境溫度、系統負荷變化、小冰機運行工況、閥門線性等多個原因有關,若是主裝置向液氨儲罐送氨,由于輸送量不斷變化,且管線偏長,影響因素更多,因此閃蒸汽也更多,但無法量化和計算。

3 處理措施

3.1 新增小冰機

原小冰機運行至今已有27 a,已經超過了使用年限,維修次數逐年增加,曾經出現過轉子和大蓋磨損、油過濾器壓差異常等問題[4],維修保養成本上漲,停機維修導致液氨儲罐放空的情況也相應增加。另外,根據新的安全環保要求,一級重大危險源氨罐區的冰機必須配套有2臺,1用1備。因此,新增1套功率更大的小冰機(見圖3)。

圖3 增加小冰機后的氨罐區工藝流程簡圖

新小冰機(81K001)和舊小冰機(81K002)的參數對比見表1,主要表現在負荷明顯提升,外送液氨溫度降至-15.9 ℃,潤滑油冷卻方式改為氨冷。新小冰機基本實現國產化,采購成本大大降低。

表1 新小冰機和舊小冰機參數對比

由于新小冰機功率更大,自控調節更好,可以快速、提前應對閃蒸汽量的大幅波動,從而減少了閃蒸汽的排放,現每天放空閥打開次數降至3.2次,節約生產成本,有利于環保和安全;另外,舊小冰機的備用可以直接減少檢修次數,減少備件品的消耗。

3.2 更換液氨管線的保冷材料

從建廠投產至今有24 a,與氨罐區相連的液氨管線保冷從未更換,保冷材料老化后,受環境溫度影響,液氨儲罐進氨溫度上漲,閃蒸汽增多,在夏天的時候尤為明顯。因此部門分批次更換了液氨儲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生,降低小冰機的負荷,減少冰機的能耗。

4 結語

新小冰機投用及更換液氨管線的保冷,液氨儲罐的壓力波動及放空情況明顯減少。放空減少后能耗下降、環保壓力減輕,都為企業發展發出的一種利好消息。但目前新小冰機還未達到最佳狀態,若通過調試,理論上可以避免放空閥打開。下一步將繼續研究冰機運行規律,優化工況,努力做到液氨儲罐不放空。