液氨儲(chǔ)罐機(jī)械設(shè)計(jì)

液氨儲(chǔ)罐機(jī)械設(shè)計(jì)液氨，無(wú)色液體，有強(qiáng)烈刺激性氣味。氨作為一種重要的化工原料，為運(yùn)輸及儲(chǔ)存便利，通常將氣態(tài)的氨氣通過(guò)加壓或冷卻得到液態(tài)氨。液氨易溶于水，溶于水后形成銨根離子NH4+、氫氧根離子OH-，溶液呈堿性。液氨屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，HG/T20660《壓力容器中化學(xué)介質(zhì)毒性危害和爆炸危險(xiǎn)程度分類標(biāo)準(zhǔn)》列為了中度危害。GB18218《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源辨識(shí)》中規(guī)定儲(chǔ)存量超過(guò)臨界量10t構(gòu)成重大危險(xiǎn)源，需按照《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》進(jìn)行管理。液氨儲(chǔ)罐常壓低溫儲(chǔ)罐、常溫帶壓儲(chǔ)罐等

2種類型。常壓低溫儲(chǔ)罐設(shè)有保冷和氨蒸發(fā)氣（BOG）回收系統(tǒng)，一般適用于大容量?jī)?chǔ)存。常溫帶壓壓型儲(chǔ)罐是在液氨無(wú)保溫和制冷條件下的儲(chǔ)存方式。1.

常壓低溫儲(chǔ)罐液氨以常壓低溫（約-33℃）儲(chǔ)存于低溫儲(chǔ)罐，用壓縮機(jī)對(duì)BOG進(jìn)行回收，并維持罐內(nèi)的溫度和壓力在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，其工作流程如圖1所示。圖1

常壓低溫液氨儲(chǔ)罐流程圖圖中：1-低溫儲(chǔ)罐；2-分離器；3-第一級(jí)壓縮機(jī)；4-第二級(jí)壓縮機(jī)；5-冷凝器；6-接收器；7-閃蒸罐；8-液氨泵；9-節(jié)流閥低溫罐一般采用雙層罐，內(nèi)罐和外罐之間填充絕熱層，內(nèi)罐采用耐低溫的材料焊接而成。2.

常溫帶壓儲(chǔ)罐液氨儲(chǔ)存于常溫下，罐內(nèi)壓力為液氨常溫下的飽和蒸氣壓，一般采用球罐或臥式圓罐。根椐《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定，無(wú)保溫或保冷措施的液氨常溫儲(chǔ)罐，設(shè)計(jì)溫度取50℃，設(shè)計(jì)壓力取液氨在50℃時(shí)的飽和蒸氣壓力。液氨在50度時(shí)的飽和蒸汽壓約為2.04MPa，設(shè)計(jì)壓力取2.16MPa。表1

液氨飽和蒸氣壓-溫度對(duì)照表溫度，℃飽和蒸氣壓，

Mpa(a)溫度，℃飽和蒸氣壓，

Mpa(a)溫度，℃飽和蒸氣壓，

Mpa(a)溫度，℃飽和蒸氣壓，

Mpa(a)溫度，℃飽和蒸氣壓，

Mpa(a)-400.072-200.1900.429200.857401.554-380.079-180.20820.462220.913421.642-360.089-160.22640.497240.972441.734-340.098-140.24760.534261.034461.83-320.109-120.26880.574281.099481.929-300.12-100.291100.615301.167502.033-280.132-80.315120.658321.237522.14-260.145-60.341140.704341.311542.525-240.159-40.369160.752361.389562.368-220.174-20.398180.804381.47582.488

液氨罐區(qū)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要：液氨屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，液氨儲(chǔ)罐的泄漏會(huì)導(dǎo)致較大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。針對(duì)某內(nèi)外全容液氨儲(chǔ)罐，提出了一種液氨罐區(qū)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該監(jiān)控系統(tǒng)由分散控制系統(tǒng)(DCS)、緊急停車系統(tǒng)(ESD)、罐表系統(tǒng)(TGS)和有毒氣體檢測(cè)系統(tǒng)(GDS)等子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)了罐區(qū)的正常狀態(tài)監(jiān)控、緊急狀態(tài)停車、儲(chǔ)罐料位在線監(jiān)測(cè)和有毒氣體監(jiān)測(cè)等功能。此外，針對(duì)內(nèi)外全容罐環(huán)隙的特殊環(huán)境，設(shè)計(jì)了基于多點(diǎn)溫度和導(dǎo)波雷達(dá)的泄漏檢測(cè)方法，提出了儲(chǔ)罐多點(diǎn)壁溫溫度計(jì)和罐內(nèi)閥等特殊儀表的選型方法。實(shí)際應(yīng)用表明：設(shè)計(jì)方案可穩(wěn)定監(jiān)控液氨罐區(qū)的運(yùn)行狀態(tài)，具有一定的可行性。關(guān)鍵詞：液氨

罐區(qū)

分散控制系統(tǒng)

緊急停車系統(tǒng)

罐表系統(tǒng)液氨是無(wú)色透明的液體，常壓下極易氣化形成氨氣。氨氣屬于易燃、有毒化學(xué)品，不僅具有極強(qiáng)的腐蝕性，還容易在空氣中揮發(fā)，對(duì)人身安全造成嚴(yán)重的危害。2014年9月，寧夏捷美豐友化工有限公司氨氣泄漏造成裝置周邊200m范圍內(nèi)41人急性氨中毒，2015年11月，河北省邯鄲市龍港化工有限公司發(fā)生液氨泄漏事故，造成3死4傷。在行政監(jiān)管方面，國(guó)家安監(jiān)總局于2014年下發(fā)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)化學(xué)品罐區(qū)安全管理的通知》，以加強(qiáng)化學(xué)品罐區(qū)的安全管理，防范生產(chǎn)安全事故。由此可見(jiàn)，液氨罐區(qū)應(yīng)設(shè)計(jì)行之有效的監(jiān)控系統(tǒng)，以防泄漏造成的人身財(cái)產(chǎn)損失。結(jié)合某3.5×104

m3液氨儲(chǔ)罐項(xiàng)目，提出了一種液氨罐區(qū)自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該系統(tǒng)共設(shè)分散控制系統(tǒng)(DCS)、緊急停車系統(tǒng)(ESD)、罐表系統(tǒng)(TGS)、有毒氣體檢測(cè)系統(tǒng)(GDS)等子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)分別實(shí)現(xiàn)罐區(qū)的正常狀態(tài)監(jiān)控、緊急狀態(tài)停車、儲(chǔ)罐料位在線監(jiān)測(cè)和有毒氣體監(jiān)測(cè)等功能。此外，針對(duì)內(nèi)外全容罐環(huán)隙的特殊環(huán)境，還設(shè)計(jì)了泄漏檢測(cè)方法及多點(diǎn)壁溫和罐內(nèi)閥等特殊儀表的選型方法。1

液氨罐區(qū)工藝流程該液氨罐區(qū)為上游裝置和下游產(chǎn)品之間的庫(kù)存儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)容積為3.5×104

m3，其工藝流程如圖1所示。項(xiàng)目所在地年平均氣溫26℃，歷史極端低溫-5

℃，極端高溫53

℃。罐體采用固定頂內(nèi)外全容罐設(shè)計(jì)方案，內(nèi)外罐環(huán)隙設(shè)保溫隔熱層，儲(chǔ)罐工作于微正壓，正常工況下罐內(nèi)液氨溫度為-33.2

℃。上游裝置的成品液氨通過(guò)罐頂法蘭接口進(jìn)入儲(chǔ)罐，進(jìn)料通過(guò)開(kāi)關(guān)閥(XV-01)控制，出料通過(guò)開(kāi)關(guān)閥(XV-02)控制。液態(tài)氨通過(guò)泵(P-01A/B)從罐底抽出，與換熱器內(nèi)的低壓蒸汽進(jìn)行熱量交換，將液氨加熱至環(huán)境溫度后，在管線壓力升高的情況下，仍然通過(guò)液態(tài)形式送往下游裝置。此外，還為換熱后的液氨預(yù)留了接口，實(shí)現(xiàn)了就地裝車業(yè)務(wù)。液氨為深冷介質(zhì)，極易氣化。氣化后的氣態(tài)氨聚集在罐頂，與裝車過(guò)程中回流的氨氣一并通過(guò)小冰機(jī)降溫至液態(tài)，然后送回罐內(nèi)。相同摩爾質(zhì)量的液氨氣化后體積膨脹，會(huì)導(dǎo)致罐內(nèi)壓力變大，該方案設(shè)計(jì)罐頂壓力聯(lián)鎖邏輯，自動(dòng)控制小冰機(jī)的啟停。width=518,height=294,dpi=110圖1

液氨罐區(qū)工藝流程示意外罐頂部設(shè)溫度和壓力檢測(cè)儀表，可實(shí)時(shí)檢測(cè)罐頂溫度和壓力變化。罐頂設(shè)安全閥，當(dāng)罐內(nèi)壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)自動(dòng)開(kāi)閥卸壓。內(nèi)罐內(nèi)壁設(shè)置多點(diǎn)壁溫測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)罐內(nèi)溫度環(huán)境。此外，該方案還在罐內(nèi)出料管線上設(shè)罐內(nèi)閥XV-03，異常狀態(tài)下可在控制室內(nèi)遠(yuǎn)程操控閥XV-03，進(jìn)一步保障了儲(chǔ)罐的安全。2

系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1

監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)一般情況下，液氨罐區(qū)的溫度、壓力、流量、液位和閥門等測(cè)量?jī)x表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)通過(guò)DCS進(jìn)行監(jiān)控和聯(lián)鎖。該液氨罐區(qū)自動(dòng)監(jiān)控各子系統(tǒng)之間的聯(lián)系如圖2所示，除DCS和GDS外，其余系統(tǒng)均不設(shè)操作站，GDS還設(shè)有大屏幕顯示器，以方便操作人員清晰地了解各氣體檢測(cè)器周圍氨的泄漏情況。此外，控制室內(nèi)設(shè)輔助操作臺(tái)(CD)，為ESD和GDS設(shè)置輔助操作按鈕。1)

根據(jù)APIRP505—2013《爆炸危險(xiǎn)區(qū)域劃分》，液氨罐區(qū)的電氣防爆等級(jí)為IIAT2，現(xiàn)場(chǎng)儀表優(yōu)先采用本安防爆型式，當(dāng)無(wú)法達(dá)到本安要求時(shí)，可采用隔爆型式。為此，DCS需配置安全柵，以防控制室內(nèi)的高能量信號(hào)傳導(dǎo)至現(xiàn)場(chǎng)。該方案DCS由操作站、工程師站、I/O機(jī)柜、輔助機(jī)柜、打印機(jī)等組成。DCS采用冗余容錯(cuò)技術(shù)與系統(tǒng)自診斷功能，控制器峰值負(fù)荷低于60%。width=346,height=237,dpi=110圖2

液氨罐區(qū)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架示意2)

液氨極易揮發(fā)，屬于危險(xiǎn)化學(xué)品，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時(shí)，應(yīng)關(guān)閉進(jìn)/出料閥門，防止罐內(nèi)液氨的擴(kuò)散，即XV-01和XV-02對(duì)安全的要求較高。該方案通過(guò)ESD實(shí)現(xiàn)了進(jìn)/出料閥門的安全聯(lián)鎖。ESD遵循IEC61508—2010FunctionalSafetyofElectrical/Electronic/ProgrammableElectronicSafety-relatedSystems，采用滿足SIL3或AK6認(rèn)證要求的可編程序控制器，其功能獨(dú)立于DCS設(shè)置，在DCS失效時(shí)，仍能保證對(duì)進(jìn)/出料閥門的控制。3)GDS用于檢測(cè)罐區(qū)裝置內(nèi)的氨氣泄漏情況，當(dāng)濃度超標(biāo)時(shí)，通過(guò)內(nèi)部聯(lián)鎖觸發(fā)現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警，警示裝置周邊人員盡快撤離。此外，GDS通過(guò)ModbusRTU將報(bào)警信息傳送至DCS操作站，通知控制室內(nèi)的操作人員。4)TGS為液氨罐區(qū)提供無(wú)干擾、自動(dòng)和精確的在線監(jiān)測(cè)功能，由于TGS不設(shè)操作站，其通過(guò)ModbusRTU將檢測(cè)的溫度和液位信息傳送至DCS操作站進(jìn)行顯示。5)

小冰機(jī)設(shè)備及控制系統(tǒng)由廠家成套提供，它由壓縮機(jī)(C-01A/B)、潤(rùn)滑油泵、油分離器和換熱器等部分組成。冰機(jī)廠家提供的就地控制盤(LCP)位于現(xiàn)場(chǎng)，LCP用于接受和顯示冰機(jī)系統(tǒng)內(nèi)的儀表信號(hào)。LCP預(yù)留4個(gè)硬接線接口，用于和DCS進(jìn)行控制信息交互，這4個(gè)信號(hào)分別是小冰機(jī)的運(yùn)行指示、故障指示、遠(yuǎn)程啟動(dòng)和遠(yuǎn)程停止等；其余信號(hào)均通過(guò)ModbusRTU與DCS進(jìn)行通信連接。2.2

罐表系統(tǒng)如前文所述，TGS用于對(duì)儲(chǔ)罐狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)控。它由伺服液位計(jì)、平均溫度計(jì)、罐旁指示儀、巡檢儀和主站五部分組成，該方案TGS的配置如圖3所示。當(dāng)儲(chǔ)罐狀態(tài)異常時(shí)，TGS及時(shí)通知DCS進(jìn)行相應(yīng)的聯(lián)鎖動(dòng)作，保障儲(chǔ)罐穩(wěn)定和人員的安全。為提高儲(chǔ)罐監(jiān)測(cè)的可靠性，該方案對(duì)伺服液位計(jì)、平均溫度計(jì)和罐旁指示儀等進(jìn)行三冗余配置，在DCS端通過(guò)“2oo3”作為聯(lián)鎖觸發(fā)信號(hào)。1)

伺服液位計(jì)。用于在線檢測(cè)儲(chǔ)罐液位高度，其選型為電源隔爆、信號(hào)本安的組合防爆型式，最高測(cè)量精度可達(dá)0.3mm。伺服液位計(jì)內(nèi)部設(shè)計(jì)比較模塊，用于輸出液位高高(LSHH)和液位低低(LSLL)供DCS用于聯(lián)鎖。在現(xiàn)場(chǎng)，伺服液位計(jì)為主站，分別同平均溫度計(jì)和罐旁指示儀進(jìn)行參數(shù)信息交換，并最終將結(jié)果傳送給控制室內(nèi)的巡檢儀。2)

平均溫度計(jì)。檢測(cè)罐體豎直方向的溫度，從內(nèi)罐底部開(kāi)始，每間隔2m設(shè)置1個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)。平均溫度計(jì)通過(guò)HART協(xié)議接收伺服液位計(jì)的液位信息，然后返回3種溫度參數(shù)：每個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的原始測(cè)量溫度值，氣相測(cè)溫點(diǎn)的平均溫度，液相測(cè)溫點(diǎn)的平均溫度。伺服液位計(jì)和平均溫度計(jì)均采用頂裝式，且通過(guò)穩(wěn)波管在儲(chǔ)罐頂部安裝，管口法蘭距離地面高度約為34.5m。為方便現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員及時(shí)了解儲(chǔ)罐狀態(tài)，該系統(tǒng)在罐底設(shè)計(jì)罐旁指示儀，罐旁指示儀接受伺服液位計(jì)的信息，并將各自通道的液位和3種溫度等信息就地顯示在液晶屏上。width=328,height=262,dpi=110圖3TGS配置示意2.3

有毒氣體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)根據(jù)GB50493—2009《石油化工可燃?xì)怏w和有毒氣體檢測(cè)報(bào)警設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，氨氣為有毒氣體，短時(shí)間允許接觸氨的質(zhì)量濃度為30mg/m3，直接致害氨的質(zhì)量濃度為360mg/m3。因此，該方案為液氨罐區(qū)設(shè)置了GDS。GDS為獨(dú)立于DCS之外的對(duì)裝置內(nèi)的氨等有毒氣體進(jìn)行檢測(cè)、顯示、報(bào)警和聯(lián)鎖的系統(tǒng)，它由有毒氣體檢測(cè)器、現(xiàn)場(chǎng)聲光報(bào)警器和系統(tǒng)控制器等組成，系統(tǒng)配置如圖4所示。該方案GDS采用硬冗余CPU和I/O卡件，整個(gè)GDS控制器的平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)為1.8085×107

h，平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)為8h，控制器的故障率為5.5295×10-8，具有很強(qiáng)的可靠性和有效性。width=342,height=210,dpi=110圖4GDS系統(tǒng)配置示意液氨儲(chǔ)罐頂部的管道、儀表法蘭口，小冰機(jī)和換熱器等部位接口處均可能發(fā)生氨氣泄漏，這些部位均應(yīng)考慮設(shè)置有毒氣體檢測(cè)器。有毒氣體檢測(cè)器的具體數(shù)量、安裝位置及報(bào)警閾值設(shè)定等按文獻(xiàn)[6]規(guī)范要求執(zhí)行，本文不展開(kāi)討論。聲光報(bào)警器置于界區(qū)出入口附近，當(dāng)發(fā)生異常時(shí)提醒周邊人員撤離。由于液氨罐區(qū)為電氣防爆區(qū)域，氣體檢測(cè)器和聲光報(bào)警器均需采用隔爆類型產(chǎn)品。3

儀表選型設(shè)計(jì)3.1

多點(diǎn)壁溫溫度計(jì)選型該液氨儲(chǔ)罐采用圓柱形設(shè)計(jì)，內(nèi)罐直徑40.7m，外罐直徑42.7m，設(shè)計(jì)的最大液位高度24.3m。多點(diǎn)壁溫在豎直方向上設(shè)13個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，水平方向沿直徑設(shè)17個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，共計(jì)30個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。原則上豎直和水平方向上的測(cè)溫點(diǎn)都均勻分布，如遇設(shè)備縱焊縫或環(huán)焊縫，相鄰測(cè)溫點(diǎn)之間的間距可適當(dāng)微調(diào)，以避開(kāi)焊縫。設(shè)備在每個(gè)測(cè)點(diǎn)預(yù)埋預(yù)焊塊，用于將測(cè)溫元件固定在罐壁，測(cè)溫元件插入罐內(nèi)的阻絲通過(guò)夾持板進(jìn)行固定。由于所測(cè)介質(zhì)為-33.2

℃的液氨，多點(diǎn)壁溫溫度計(jì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)均采用測(cè)量范圍為-50～100

℃的A級(jí)Pt100熱電阻(RTD)作為檢測(cè)元件。考慮到測(cè)溫點(diǎn)數(shù)量較多，為便于運(yùn)輸和施工安裝，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均采用柔性雙通道RTD的檢測(cè)元件。每支RTD的長(zhǎng)度根據(jù)測(cè)點(diǎn)位置各異而互不相同，最長(zhǎng)的RTD長(zhǎng)度超過(guò)70m。為消除RTD引線電阻影響，提高檢測(cè)精度，RTD均采用四線制型式。此外，30支RTD共用1片頂裝法蘭與罐體進(jìn)行過(guò)程連接，每支RTD對(duì)應(yīng)1個(gè)溫度變送器，溫度變送器采用ExiaIICT4防爆等級(jí)?？紤]到罐頂平臺(tái)操作空間狹小，溫度變送器均采用導(dǎo)軌式掛接在1個(gè)接線箱內(nèi)，接線箱防爆等級(jí)為ExeIICT4。接線箱放置在RTD法蘭旁的平臺(tái)上，通過(guò)多芯電纜將各溫度變送器的4～20mA信息傳送至控制室。3.2

泄漏檢測(cè)該液氨儲(chǔ)罐為內(nèi)外全容罐，內(nèi)罐泄漏后，液氨溢流至內(nèi)外罐環(huán)隙，通過(guò)外罐進(jìn)行保存。一般情況下，內(nèi)罐的泄漏需引起操作人員的注意，并向生產(chǎn)執(zhí)行層匯報(bào)以采取相應(yīng)措施。根據(jù)連通器原理，一旦內(nèi)罐泄漏，內(nèi)外罐環(huán)隙液氨和內(nèi)罐液氨將保持同一液位。為此，該方案在內(nèi)外罐環(huán)隙設(shè)置溫度和液位檢測(cè)儀表，以便更加準(zhǔn)確地判定內(nèi)罐液氨是否泄漏。正常情況下內(nèi)罐無(wú)泄漏，內(nèi)外罐環(huán)隙液位為零?？紤]到液氨極易揮發(fā)，液位上方氣化現(xiàn)象嚴(yán)重，非接觸式的喇叭口雷達(dá)或超聲波液位計(jì)不僅容易產(chǎn)生虛假液位，而且還會(huì)對(duì)發(fā)射和反射電磁波造成一定影響，因而該方案采用接觸式的導(dǎo)波雷達(dá)液位計(jì)進(jìn)行內(nèi)外罐環(huán)隙的液位泄漏檢測(cè)。此外，內(nèi)外罐環(huán)隙內(nèi)的最大液位可達(dá)20m以上，為方便運(yùn)輸，桿式導(dǎo)波雷達(dá)的導(dǎo)波桿長(zhǎng)度一般不超過(guò)6m，該方案選擇纜繩式導(dǎo)波雷達(dá)。此外，揮發(fā)的氨氣對(duì)電磁波的衰減比較大，考慮到頻率越低電磁波的穿透性越好，因而該方案選擇低頻雷達(dá)。另一方面，內(nèi)罐無(wú)泄漏時(shí)，在保溫材料的作用下，環(huán)隙內(nèi)的溫度高于罐內(nèi)液氨的溫度。當(dāng)內(nèi)罐泄漏時(shí)，液氨溢流至環(huán)隙，導(dǎo)致環(huán)隙內(nèi)溫度降低。為此，在環(huán)隙內(nèi)豎直方向布設(shè)多點(diǎn)測(cè)溫，通過(guò)溫度變化檢測(cè)內(nèi)罐是否泄漏。多點(diǎn)溫度計(jì)通過(guò)罐頂頂裝，每隔3m設(shè)置1個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，多個(gè)測(cè)溫元件豎直排列。為保證環(huán)隙充滿液氨測(cè)點(diǎn)的位置不變，該方案為環(huán)隙內(nèi)的多點(diǎn)溫度計(jì)設(shè)計(jì)整體的保護(hù)管