基于液氨球罐區設備和配管布置的設計探討

李秀杰(上海電氣集團國控環球工程有限公司，山西 太原 030000)

0 引言

作為常見的化工原料及產品，氨被大量應用在化工生產領域。目前，對液氨進行貯存的方式，主要有低溫貯存、加壓貯存，貯存載體為球罐、臥罐。球罐的優點主要有外形美觀，結構對稱，成本低廉，受力均勻和占地面積較小。要想使球罐優勢得到充分發揮，確保液氨得到長期且可靠的貯藏，關鍵是要做到合理布置相關設備、科學設計配管，本文所探討內容對實際工作具有現實意義。

1 液氨球罐區項目概況

本文所研究對象為某化肥廠液氨球罐區，該廠液氨原料均為外購，儲存天數為 7 天。來自裝卸站的液氨經過液氨過濾器除去液氨系統產生的油及雜質夾帶的微量水分后，送至液氨球罐，液氨經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 確定儲存方案與罐型

2.1 儲存方案

2.1.1 降溫低壓

降溫低壓貯存原理如下：借助制冷系統對液氨進行冷凍及貯存處理，結合實際情況降低儲罐壓力，使其壁厚變得更薄，由此來達到對儲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整為20 ℃，此時，儲罐內部壓力只需達到0.95 MPa，便可被用來對冷凍后液氨進行長期且可靠的貯存。

2.1.2 常溫中壓

該工藝所強調重點是保證貯存液壓的溫度盡量接近或等于環境溫度，將壓力容器作為儲罐。根據《固定式壓力容器安全技術監察規程》為依據，對壓力容器設計參數進行科學設計，液氨儲罐設計溫度為 50 ℃，設計壓力值是 2.16 MPa。

2.1.3 低溫常壓

對液氨進行低溫常壓貯存，要求先對液氨進行冷凍處理，保證液氨溫度在其沸點溫度以下(通常為-32 ℃，需要設計人員以當地氣壓為依據，對該數值加以調整)，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過冷凍的液氨進行裝盛貯存，由此來達到對儲罐投資成本加以控制的目的。

2.1.4 確定儲存方案

在上文所介紹貯存工藝中，降溫低壓對應工藝參數與指標，通常在低溫常壓、常溫中壓間。常溫中壓的優點是流程簡單，可將設備運行、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相反，簡單來說，就是工藝流程復雜，對公用工程具有較強的依賴性，但只需要投入較少資金，便可完成設計及布置工作并投入使用[2]。本項目對應罐區的整體規模偏小，計劃投資金額有限，設計人員出于對工藝流程進行簡化、避免過度依賴公用工程的考慮，最終決定應用常溫中壓方案。

2.2 選擇罐型

對液氨進行常溫貯存，儲罐類型應當為鋼制壓力罐，以臥罐、球罐為宜。罐區內部設置液氨儲罐的數量，通常應當達到2個或 2個以上，本項目要求設計人員以硝酸工段和氨水制備工段正常生產所需液氨量、液氨進出罐區實際流量為依據，對儲罐各項參數進行計算。設計人員以儲罐所具有優點為依據，結合現場情況最終決定布置球形儲罐4個，3個運行，1個備用，備用罐在正常運行時保持空罐狀態并充氮氣保護，在需要導罐時使用。其他參數如表1所示。

表1 儲罐設計參數

3 合理布置液氨罐區

3.1 布置儲罐

結合相關規定可知，固定頂罐組最大容積為12 000 m3，其中，最大容積為1 000 m3的罐數應被控制在12個以下，容積未達到1 000 m3的罐數應被控制在16個以下。丙B類儲罐、單罐容積均未達到1 000 m3的罐組，對各類儲罐數量加以確定時，通常無需考慮以上規定。液氨儲罐對應最大儲存系數為0.9，數量應達到2個或2個以上。本次設計所選用球罐的數量為4個，容積均為 974 m3，對應充裝系數是 0.85，滿足相關規定。

3.2 確定防火間距

根據《石油化工企業設計防火標準》相關規定，在裝有吸收處理裝置或事故排放的火炬點時，相鄰液氨球罐的間距應達到球罐直徑×50%。反之，則需要將防火間距調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，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，滿足相關規定。

3.3 設置防火堤

在液氨罐區對防火堤進行設置十分重要，對相關工作加以落實時，應對以下內容引起重視：(1)立式儲罐與防火堤的內堤腳線的距離應達到罐壁高度×50%。臥式儲罐其罐壁與內堤腳線間，通常要相隔 3 m 以上。本文所討論裝置，其罐壁和內堤腳線間相距 6.7 m，滿足相關規定。(2)液化烴全壓力式或半冷凍式儲罐組宜設置高度為0.6 m的防火堤，防火堤內的隔堤不宜高于0.3 m。全壓力式、半冷凍式液氨儲罐的防火堤和隔堤的設置同液化烴儲罐的要求。本裝置所對應防火堤，其設計算高度是 0.4 m，設計高度是 0.6 m，隔堤設計高度為0.3 m。(3)集水設施通常被設置在較低處，將地面下所通出排水管道和集水設施相連，保證雨水能夠被快速排出。在堤外對開關裝置進行設置并連接。確保工作人員可通過開閉裝置所顯示標志，對開閉狀態加以掌握。(4)地坪標高應低于地面標高、消防道路標高。(5)防火堤容積應達到單個儲罐的最大容積。本裝置對應防火堤，其有效容積需要達到 974 m3以上。(6)在多個方位對人行臺階、梯子進行設置，除特殊情況外，方位一致的相鄰人行臺階、梯子，其間距應當被控制在 60 m 以內。隔堤同樣需要設置人行臺階。應在每一罐組防火堤的不同方位上設置不少于兩個人行臺階、梯子。(7)防火堤內的地面坡度需要達到0.3%以上，坡向朝向為附近排水坑、排水溝。本裝置對應防火堤，內部地面所設坡度為 0.5%，坡向朝向為排水溝。(8)要進出罐組的電纜及管線，通常應遠離防火堤的堤身，而是選擇在堤基以下、堤頂以上穿過。如果現場條件有限，則要提前在堤身適當位置對套管進行預埋并密封，以免給防火堤功能的發揮造成不利影響。

4 配管設計要點研究

4.1 科學選擇管道材質

對液氨管道材質進行選擇的依據為操作工況，目前，常用材質有Q345R不銹鋼、304SS不銹鋼及20#鋼。Q345R主要被用來對冷氨管道進行制造，要求運行環境溫度在-40 ℃以上。304SS對環境溫度所提出要求較低，通常可在-196 ℃以上的低溫環境下使用。20#鋼更適合被用來制造熱氨管道，要求設計溫度在-20 ℃及以上。本文所討論裝置的運行環境為中壓、常溫環境，綜合經濟性、操作工況等因素，設計人員最終決定采用20#鋼。

4.2 各類管道布置要點

4.2.1 調節閥組

調節閥組所采用的安裝方式為臥式安裝，優點是安裝、維修難度小。閥門、排液口設置在管道低點處，其中，排液口和平臺的距離應達到150 mm以上。調節閥的入口管道、出口管道均為偏心異徑管，要求對管道進行底平安裝，保證安裝效果符合相關要求。

4.2.2 安全閥組

超壓放火炬需要對雙安全閥進行安裝，在安全閥前后對切斷閥進行設置，為安全閥的更換提供便利，而采用雙安全閥的目的，主要是確保一個安全閥出現故障，另一個安全閥可承擔起全部工作[3]。設計人員為避免安全閥出現故障，導致泄壓操作無法順利進行，對雙閥副線進行了設置，在正常工況下，副線閥門無需開啟。

對安全閥組所需管道進行布置，通常要考慮以下內容：(1)如果存在共用入口管道的情況，要根據安全閥數量及流量參數，對管道規格加以確定。(2)保證氣相被排放至安全區域，排放口為平口，出口朝向為上，排放口較室外平臺略高，高度差以3 m為宜。(3)在主管側面或上方插入排放管，二者所呈現角度為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入支管。(4)在需要保護的管道、設備附近對安全閥進行安裝，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與維修。(5)入口管道坡度應達到5%以上，坡向朝向被保護管道、設備。(6)對袋形彎的問題要引起重視，如果現場情況無法做到杜絕袋形彎存在，則要將放凈閥設置在低點。

4.2.3 其他管道

在球罐區附近對管道進行布置的首選方案為集中布置，如果需要用到管墩敷設，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際管徑、對應跨距為依據，對管墩間距加以確定，盡量避免出現支管頻繁交叉的情況。進出儲罐的管道所采用連接方式，通常為彈性連接、撓性連接，這樣設計的目的是保證管道連接點可達到抗震、地基沉降的相關要求。

在進出各物料管的區域，對插板、切斷閥進行設置，保證插板、切斷閥靠近防火堤。對連接儲罐接口的管道的切斷閥進行設置時，盡量縮短儲罐和切斷閥的距離。此外，操作頻次較高的閥門，同樣需要采取集中布置方案。

5 結語

文章以液氨儲罐區對應工藝流程為基礎，圍繞設備布置、配管設計需要關注的相關技術要點展開了討論，以期能夠使罐區配管設計效果得到顯著提高，通過對管道布置方案進行優化的方式，為日后的操作及維修工作提供便利，使相關裝置所具有作用得到充分發揮。