用氨裝置氨系統設計

仝鵬翔，丁 冰，李連朋，周煜華，葛利偉

（江西晨光新材料股份有限公司，江西 九江 332500）

0 引言

液氨作為化工生產的大宗原料，以液氨作為原料的化工品生產裝置越來越多。由于液氨是以液化形式存在，具有飽和蒸汽壓高、有毒、易爆、化學事故發生率高等特點，所以在用液氨裝置的系統中，液氨的卸車、存儲、和輸送系統的設計比較重要。為使液氨安全地在生產系統中被使用，特來討論液氨的卸車、存儲、輸送系統、安全附件等設計要點。

1 液氨的使用范圍

液氨的使用范圍極為廣泛。作為生產和生活的重要原料，主要用作生產硝酸、尿素和其他化學肥料，還作為醫藥和農藥的原料，在生產系統中作為冷凍劑。在有機硅行業，用液氨作為γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷生產的主要原料，以及用液氨配置氨水，在反應中起到催化劑的作用。

2 用氨系統的設計

用氨系統的設計涉及液氨槽車、液氨卸車臂、卸車動力輸送系統（壓縮機或泵）、液氨的儲存系統、液氨的輸送系統（至使用部位），安全附件等配套的元件。標準、規范、安全的設計是系統高效運行的重要條件。

2.1 液氨槽車

液氨槽車為移動式壓力容器，運輸液氨的槽車設計應符合TSG R0005《移動式壓力容器安全技術監察規程》和TSG R4002《移動式壓力容器充裝許可規則》的有關規定，液氨槽車的設計壓力不小于1.91 MPa，設計使用年限15 年，腐蝕余量≥2 mm，允許的充裝系數≤0.53 L/m3；汽車槽車的設計應為整車設計，設計單位對整車設計文件的正確性和完整性負責；液氨罐車應當設置全啟式彈簧安全閥（氨用），安全閥排氣方向為罐體上方；移動式壓力容器的設計單位資質、設計類別、品種和級別范圍應當符合《壓力容器壓力管道設計許可規則》TSG R0001。

液氨槽車的銘牌必須完好。應有專用的取樣設備，液氨槽車應圖黃色油漆，有“毒性氣體”規定標識；。槽車入場前先對槽車內的液氨進行分析檢測，根據標準要求，檢測產品是優質品、一等品、還是合格品，確定產品等級是否符合合同要求。取樣分析合格的槽車進行過磅稱重后，后進入卸車區。

2.2 液氨卸車臂

液氨卸車臂設計應符合HG/T 21608《液體裝卸臂工程技術要求》，由于液氨的飽和蒸氣壓高，及毒性程度，液氨的卸車鶴管采用封閉式的底部組合式法蘭裝卸臂，裝卸臂應設置拉斷閥，

液氨卸車的鶴管屬于壓力管道，鶴管的材料、制作、安裝、使用應符合TSG D0001—2009《壓力管道技術監察規程-工業管道》的規定。卸車鶴管的公稱壓力不得小于裝卸系統工作壓力的2 倍，卸車臂必須每半年進行一次耐壓試驗，試驗壓力為卸車管公稱壓力的1.5 倍；液氨卸車臂應設超位報警，鎖緊桿等安全設施；卸車臂附近不得有影響卸臂包絡線范圍的其他工藝管線，在空載條件下應保證外臂在包絡線范圍內任意位置上的平衡。卸車臂的排空裝置應采用球閥，不得才有螺紋連接；卸車臂上的所有旋轉接頭應采設置檢漏孔。

鶴管（中心線）與道路的距離、與儲罐的距離、與卸車壓縮機（或泵）的距離應符合相應規范要求，距離鶴管10 m 外的管道上應設便于操作的緊急切斷閥。鶴管應采取靜電消除裝置，卸車場地應滿足槽車的進出自如。如果有其他可燃液體鶴管，應滿足規范間距設計要求。

2.3 卸車動力輸送系統

1）液氨由槽車輸送至液氨儲罐常用的輸送設備是壓縮機（壓縮機有螺桿式壓縮機和活塞壓縮機）。為防止管道內凝液帶入壓縮機，壓縮機入口前必須設置氣液分離器，氣液分離器應盡量靠近壓縮機入口布置，管道坡向氣液分離器，以免冷凝液進入壓縮機氣缸。進氣管道上應設有開停車使用的惰性氣體接管口。壓縮機的進氣管道與液氨儲罐頂部的氣相管道連接，出口管道與槽車進料管連接，槽車的出口管道與儲罐的入口管道進行連接（與槽車進出口的管道的連接，需要通過專用的卸車鶴管進行連接），待確認系統無誤后，開啟液相連同管道，利用槽車與儲罐自身的壓力差，將槽車內液氨輸送至儲罐，待壓力平衡后，打開氣相連同管道，啟動壓縮機，將儲罐內的氨氣利用壓縮機抽氣（儲罐內壓力降低）加壓后輸送至槽車，槽車壓力升高。利用壓力差將槽車內的液氨輸送至儲罐，觀察槽車的液位，確認沒有液體后，停壓縮機，關閉液相管道、關閉氣相管道，液氨卸車完成。

2）液氨由槽車輸送至液氨儲罐的動力輸送系統還有使用泵的，常用的有屏蔽泵、轉子泵、普通離心泵，泵前必須安裝永久過濾器，永久過濾器截面積不小于管道截面積的3 倍，離心泵啟動前應進行冷泵措施[2]，同時在泵入口管端與泵入口切斷閥之間設置平衡管。通過泵直接將液氨輸送至儲罐，根據槽車液位變化確定是否抽送完成，之后再用壓縮機對抽取槽車內殘余的氨氣，待槽車內壓力＜0.2 MPa 時，停止壓縮機，關閉閥門。卸車的動力設備泵與壓縮機的對比：使用泵輸送速度快（甲A 類及液氨等液體物料裝卸車總管道的介質流速應大于4.5 m/s[4]），但是對于最后的殘余的氣體需要壓縮機進行壓縮輸送，工序復雜；使用壓縮機采取增壓輸送，輸送穩定。輸送液氨的泵或壓縮機應露天布置，或者布置在半敞開式廠房內。

2.4 液氨的存儲系統

液氨存儲型式有臥式儲罐、球罐等，根據實際的需求量和罐區的位置，選擇適當的液氨儲罐型式，不論選擇何種型式的儲罐，均應做好設備的靜電接地工作。

液氨儲罐的設計、制造、使用應符合《固定式壓力容器安全技術監察規程》TSG21—2016 的規定，液氨儲罐的主體材質宜選Q345R，充裝系數不應大于0.9，設備制作完成應進行耐壓試驗和氣密性試驗。儲罐的A、B 類對接接頭（壓力容器A、B 類接頭按照GB150劃分進行規定）及接管與殼體的接頭均應采用全焊透結構形式，液氨儲罐設計應配備事故罐，以便應急時及時倒罐。液氨儲罐區內的基礎、隔堤、圍堰及管架均應采用不燃燒材料，防火堤的耐火極限不得小于3 h。

液氨儲罐需設一套遠傳儀表和就地指示儀表，并應另設一套專用于高高液位和低低液位報警并聯鎖切斷儲罐進料（出料）閥門的液位測量儀表或液位開關，同時設計溫度、壓力監測系統（就地測量和遠傳測量兩種不同型式的壓力顯示，并使用不同的取源點）；液氨儲罐底部應設計氨水收集包。液氨儲罐宜設計兩套可在線拆除、監檢的安全閥；儲罐的進出口宜設置的儲罐底部，若必須從上部接口進入儲罐，插底管應宜延伸至儲罐底部200 mm 處。儲罐頂部應設計自動降溫噴水設施，噴水降溫與儲罐內溫度聯鎖[5]；設計噴水霧吸氨的噴淋設施，此設施與氨氣檢測的探測儀聯鎖。液氨儲罐的進出口管道在設計手閥的同時，應設計切斷閥，出口管道增設SIS 閥與儲罐液位聯鎖。

液氨儲罐集中布置時，液氨儲罐組內的防火間距按照液化烴儲罐間距要求，壓力式液氨儲罐的防火堤和隔堤的設置同液化烴儲罐的要求，防火堤內踢腳線距離儲罐不應小于3 m。

2.5 液氨的輸送系統及車間緩存設備

2.5.1 液氨的輸送系統

液氨由罐區輸送至車間儲罐或者反應器使用的動力設備有高壓氨泵（柱塞泵）、隔膜泵、多級離心泵、屏蔽泵、磁力泵、轉子泵等，根據使用的工況選擇合適的動力輸送系統[1]。要求這些泵具有耐壓高、揚程高、無泄漏、耐腐蝕、電機要求防爆、與物料接觸部位不允許使用銅或銅合金、執行API610/API685 標準等特點。

液氨輸送系統直接輸送至高壓反應系統，可以選用高壓氨泵（柱塞泵）、隔膜泵、多級離心泵、轉子泵、液下泵等，高壓氨泵（柱塞泵）、隔膜泵、轉子泵都屬于容積式泵，具有轉數低、效率高、自吸能力強、運轉平穩等特定；多級離心泵、液下泵都屬于離心泵，具有流量大、調節平穩、噪音低，離心泵要求具備機封的潤滑冷卻和密封設施。

液氨的動力輸送系統與進動力系統的儲罐液位聯鎖、與輸送的目的地的儲罐或反應器的壓力聯鎖，液氨動力輸送系統的運行狀態、電機電流、設備震動值、設備出口壓力及系統內重要數據（例如隔膜泵內隔膜的壓力、系統內潤滑油站的運行狀態、密封液儲罐壓力等）應遠傳至室內集中控制系統，設定報警值或設備停車信號。

液氨罐組配套的動力輸送系統應布置在防火堤外，與液氨儲罐的防火間距不應小于15 m，與可燃液體工廠儲罐、與可燃液體車間儲罐的防火間距應按照《精細化工企業工程設計防火規范》或《石油化工企業設計防火規范》的相關規定進行設計。

2.5.2 液氨的車間緩存設備

液氨由罐組輸送到使用車間時，根據需要在使用車間需設置緩沖罐或直接進入生產設備。根據生產需要在車間設置車間液氨儲罐（組）時，依據項目的設計標準（《精細化工企業工程設計防火標準》或《石油化工企業設計防火規范》）要求，設計儲罐（組）的液氨存儲容量分別滿足各自規范要求的存儲容量，并應集中布置在生產設施邊緣。

液氨緩沖罐的材料、設計要滿足GB150《壓力容器》和TSG21《固定式壓力容器安全技術監察規程》，設備配套的安全附件應配置完整。

2.6 液氨系統輸送管道的設計

液氨管道的設計應符合GB/T 20801《壓力管道規范》的要求，對于GC2 級別以下的碳鋼管道可以選用符合GB/T8163《輸送流體用無縫鋼管》的管道，對于GC1 級別的碳鋼管道選用符合GB 6479《高壓化肥設備用無縫鋼管》的管道；對于不銹鋼管道輸送液氨可以選用符合GB/T 14976《流體輸送用不銹鋼無縫鋼管》的管道。

液氨管道法蘭的選用應符合標準HG/T 20592《鋼制管法蘭（PN）系列》或HG/T 20615《鋼制管法蘭（class）系列》。根據設計溫度、設計壓力、劇烈循環工況、管口大小、是否可能會發生縫隙腐蝕等，可以選用帶頸平焊法蘭、對焊法蘭、整體法蘭等，法蘭密封面由低到高依次可選突面（RF）、凹凸面（FM/M）、榫槽面（TG）等。墊片應選用與法蘭配套的金屬纏繞墊、金屬環形墊等，不能選用非金屬平墊、聚四氟乙烯包覆墊、金屬包覆墊片。

液氨管道閥門的選用滿足設計溫度、設計壓力外，還應考慮外部載荷對閥門操作性能和密封性能的影響，由于采用巴氏合金的較軟而易發生變形，使閥芯與閥座緊密接觸，密封性能較好，所以液氨管道無論采用截止閥還是閘閥，其密封材質多采用巴氏合金，對于現場條件要求苛刻的閥門，可以選用波紋管截止閥。閥門的設計和制作應符合GB/T 26748《氨用截止閥和升降式止回閥》，閥門法蘭的標準HG/T 20592《鋼制管法蘭（PN）系列》或HG/T20615《鋼制管法蘭（class）系列》，閥門法蘭密封面應與法蘭密封面配套。

2.7 安全附件的設計

氨系統具有壓力高、毒性大、操作復雜、事故發生率高等特點，作為保證動靜設備、管道安全運行的安全附件非常重要。安全附件設計在系統的卸車動力系統、卸車輸送系統、液氨儲存系統、液氨輸送系統及緩存系統等各個部位。安裝在設備、管道處的安全閥要靠近根部，必要的位置安裝兩套安全閥，安全閥根部安裝切斷閥（切斷閥鉛封開）。安全閥的排向管道應坡向主管，盡量避免袋型彎。氨系統安全閥出口不能直接排至大氣，要進氨氣吸收系統[3]。

儀表的設計選型應符合SH/T 3005《石油化工自動化儀表選型設計規范》。液氨系統的液位計要求具有防霜功能，在設置兩套不同原理液位計的同時，還應設置一套聯鎖儲罐液位進料切斷閥的液位計或液位開關。液氨儲罐應具有現場和遠傳兩套溫度測量系統，遠傳儀表與儲罐的降溫水聯鎖，并具有報警功能。液氨進出儲罐的緊急切斷閥應性能穩定可靠。

3 結語

用氨裝置氨系統設計涉及工藝、設備、電氣、儀表、安全環保、土建、防腐保溫各個專業，各專業設計前要熟悉專業設計規范、工藝設備參數要求、設備性能、現場使用條件等，才能保證用氨系統的設計安全、持續穩定服務于用氨系統。