乙烯球罐及罐区设计要点分析

张园园中国石化集团宁波工程有限公司 宁波 315103

乙烯球罐及罐区设计要点分析

张园园＊中国石化集团宁波工程有限公司 宁波 315103

根据某蜡化乙烯罐区的设计,从乙烯球罐的设计参数、材料的选择、乙烯的气化输送、罐区的安全及气体回收等方面,分析乙烯球罐及罐区的设计要点,提出设计应考虑的问题及建议。

乙烯球罐 罐区 设计要点

随着我国经济的稳步快速发展,石油化工产品的消费量明显提高,化工原料的需求量逐步增大,越来越多的炼油型石化企业增上了乙烯装置,炼油和化工一体化已经成为大型石化企业发展的模式。炼油型石化企业的储运罐区也由过去单一的常温储存形式,发展为低温和常温混合储存的形式。过去大型乙烯球罐受钢材制造能力等因素限制,多采用进口钢材和设计。随着国产低温钢的研发和生产,目前乙烯球罐用钢正在逐步国产化,各种乙烯球罐及罐区的设计也越来越多。2007年某蜡化规划增上一套渣油催化热裂解装置(CPP)及下游配套装置和罐区,其中,乙烯罐区储存能力 7500 m3,包括乙烯储存能力 6000m3,乙烷储存能力 1500m3。该项目 2007年底完成基础设计,2008年完成详细工程设计,2009年完成施工建设,并一次投产成功。

某蜡化乙烯罐区主要包括 2000m3乙烯球罐 3座,1500m3乙烷球罐 1座;乙烯气化输送系统;乙烯气回收系统及乙烯临时卸车系统。

1 球罐的设计参数

低温球罐最重要的设计参数是设计温度和设计压力。在储存过程中,尽管球罐有保冷设施,但总会吸收环境中的热量使介质气化,导致球罐内的压力升高,因此,低温球罐的设计温度和压力需要根据球罐的材质、介质的性质及工艺要求综合确定。国内现有部分大型乙烯球罐的温度和压力参数见表 1[1]。

表1 国内部分大型乙烯球罐的温度和压力参数

从表 1看出:乙烯球罐的操作温度一般为 -36～-27℃,设计温度从 -31℃有逐步降低的倾向,这主要是考虑乙烯球罐出现不正常低温工况时,使球罐有一定的抗过冷能力;球罐的操作压力是操作温度下的饱和压力,球罐设计压力为 2.16～2.2 MPa(G)。这主要是考虑乙烯球罐低温特性,使操作温度有一个波动的范围。

某蜡化乙烯球罐的操作温度为 -35～ -27.8℃,操作压力为 1.58～1.96MPa(G),选择乙烯球罐的设计温度 -45℃,设计压力 2.16MPa(G)。

乙烷球罐和乙烯球罐同属易燃易爆介质低温球罐,但其操作工况与乙烯球罐不同,单台乙烷球罐没有气体连通及回收设施,为更长久地稳定控制,减少排放,设定乙烷球罐的操作温度为 -46.5～ -13.5℃,操作压力为 0.5256～1.60MPa(G),因此,某蜡化乙烷球罐选择设计温度 -50℃,设计压力 1.77MPa(G)。

2 乙烯球罐材料的选择

上世纪 70年代,我国先后引进了几套乙烯装置,并引进了一些容积在 1500m3左右的大型乙烯球罐,当时,主要是采用国外设计、制造球片,国内安装。80年代末,我国自行研发了新型低温球罐用钢 (07MoNiC rMoVDR)国产 CF-62,并于90年代初在大庆用此钢材自行设计并制造出1500m3乙烯球罐,开创了用国产钢材制造大型乙烯球罐的先例,形成了大型乙烯球罐制造采用国产钢材与进口钢材并存的局面[2]。本世纪,随着钢厂生产能力的不断扩大,品种的逐步增多,大型低温球罐用钢已逐渐国产化。目前,根据乙烯球罐的设计温度要求,国产用钢主要为以下几种:07MnNiC rMoVDR、15MnN iDR及 09MnN iDR。最近又新研发了一种新型低温球罐用钢15MnNiNbDR[3]。国内部分低温乙烯球罐用钢的主要参数见表 2。

表2 国内部分低温乙烯球罐用钢主要参数

从表 2可见,国内低温乙烯球罐设计温度大多≤ -40℃,球罐钢板使用较多的是07MnNiC rMoVDR,15MnNiDR及 09MnNiDR用于大型低温球罐较少,某蜡化 2000m3低温乙烯球罐设计温度 -45℃,采用 15MnNiNbDR钢板,1500m3低温乙烷球罐设计温度 -50℃,采用 09MnN iDR钢板,成功采用这两种钢板制造了大型低温球罐。

3 乙烯气化输送系统

乙烯装置生产的乙烯送罐区储存。当下游装置需要时,罐区气化输送系统将乙烯加压、气化、升温后送下游装置。乙烯气化输送系统主要包括乙烯蒸发器、乙烯输送泵及乙烯过热器。其中最重要的设备是乙烯蒸发器及乙烯输送泵。

3.1 乙烯蒸发器

由于乙烯的低温性质,乙烯蒸发器需要特殊设计。不选用蒸汽直接加热低温乙烯,而是先用蒸汽加热中间媒介丙烯或甲醇,再用丙烯或甲醇蒸气加热低温乙烯。这主要考虑蒸汽冷凝到低温时会结冰,影响介质的传热。中间媒介的选用比较见表 3。

表3 中间媒介比较表

从表 3可见,在同样操作温度下,如选用甲醇做中间媒介,可以降低蒸发器的设计压力;在同样设计压力的条件下,如选用甲醇作为中间媒介,蒸发器可以选用普通碳钢;而选用丙烯,则需要选用低温钢。因此,尽管用甲醇作为中间媒介有一定毒性危害,但通过采取措施,使其密闭循环,可以降低投资,因此,某蜡化乙烯蒸发器选择甲醇作为中间媒介。

3.2 乙烯输送泵

乙烯在球罐中是饱和储存的,球罐中液体倒灌入泵。因此,其有效气蚀余量为:

(NPSH)a=- (Hgs+Hls)

式中,Hgs为泵实际几何安装高度,即球罐的最低液面至泵中心线的垂直距离,灌注时为负值,吸上时为正值,m;Hls为泵进口侧管道系统阻力,m。

根据上式可以看出,泵的有效气蚀余量即为泵的几何安装高度和泵进口侧管道系统阻力之和。

根据某蜡化 2000m3乙烯球罐的安装高度1.75m,设球罐内液位为 1m,泵入口阻力为0.4m,则乙烯泵的有效气蚀余量为:

(NPSH)a=-(-2.75+0.4)=2.35m

考虑安全余量 0.6m,泵必需的气蚀余量需小于 1.75m,这对一般的离心泵是很难达到的。对于一般常温液化烃球罐可采取一些措施提高泵的有效汽蚀余量,如采用蒸气增压器增压,或将氮气充入球罐内增压或提高支腿高度等,但对于乙烯球罐,由于压力控制范围较小,采用增压器或向球罐内充氮气,会使低温球罐的温度和压力变得不稳定,易引起球罐超压;提高支腿高度对投资影响较大。采用立式筒袋泵就可以有效解决这个问题。

立式筒袋泵属于多级泵,常埋于地下,见图1。

从图 1可见,第一级叶轮与基准面的高差为K,则筒袋泵的必需气蚀余量为:

(NPSH)0r= (NPSH)1r-K

图1 立式筒袋泵示意图

式中, (NPSH)0r为筒袋泵必需气蚀余量,m;(NPSH)1r为常规泵必需气蚀余量,m;K为筒袋泵第一级叶轮与基准面的高差,m,K取值为 0.53～2.56m[5]。

不同厂家 K值不同,K值可以根据球罐的有效气蚀余量的要求选择,所以筒袋泵的必需气蚀余量比常规泵的气蚀余量小 Km,完全可以满足泵的气蚀余量的要求。因此,选择筒袋泵对低温饱和液体的输送非常合适。

4 罐区的气体回收

由于低温球罐中液化烃的贮存温度低于环境温度,因此,尽管球罐采取保冷措施,但在贮存过程中还是会与外界发生传热而使部分液化烃气化,少量低温液化烃气化后吸热,利用低温液化烃的气化吸热原理可实现低温液态储存。但不断气化的液化烃会使球罐压力升高,目前,保持低温球罐压力平衡的办法:①将低温球罐中的气相介质送往可接收装置;②增加一套小型压缩机系统。对于可接收装置为两套以上装置,当一套检修时,可送往另一套装置的情况,采用第一种办法;对于只有一套接收装置或没有接收装置的情况,可根据球罐介质储存量、介质的特性,综合比较后确定采用何种办法。

某蜡化乙烯有 2000m3低温乙烯球罐 3台,1500 m3低温乙烷球罐 1台,一套 CPP装置。

正常工况下,乙烯球罐的气体送往 CPP装置,装置不接收乙烷气体。在装置检修期间,按每次20天计,3台乙烯球罐的每次排放量约 340t,2010年按乙烯吨平均价格 7690元计[6],则每次损失乙烯的总价值约为 261万元。一套乙烯气回收系统总投资约 250万元,因此,使用一次即可收回投资。

罐区乙烷为 CPP装置不合格乙烷及清焦时排放的乙烷,正常工况每小时少量回炼,装置检修期间,一台乙烷球罐的排放量约 84t,由于乙烷是装置检修期间排放的中间产品,排放量较少,因此,决定不采用气体回收系统。如果球罐超压,可排火炬系统。

5 乙烯临时卸车系统

乙烯球罐开工置换一般有两种形式:一种是乙烯装置开车后用装置产生的乙烯气体进行置换;另一种是装置未开工,需用常压低温乙烯罐车中的乙烯对球罐进行置换,某蜡化计划用球罐中乙烯返回乙烯装置进行倒开车,因此,球罐置换只能采用第二种方式。

采用常压低温乙烯罐车对乙烯球罐进行置换,需要设置一套卸车系统,系统主要包括一台乙烯卸车加压泵和一套乙烯加热器。

由于乙烯球罐最低设计温度为 -45℃,而常压下乙烯的最低温度可达 -104℃,因此,卸车时,乙烯进料的相态、温度及球罐的压力需要认真匹配和协调,保证球罐温度不低于设计温度,球罐上、下部温差小于 40℃,降温速率为≤5℃/h。

某蜡化乙烯加热器采用空气加热。设置三台可串可并的空气加热器,以适应开工置换中的各种工况。空气加热器结构简单、投资较低。但空气加热受开车时气温、风速等影响较大,加热器投用后极易表面结霜后失效,出口温度较难控制。这是今后设计中需要注意的问题,建议采用可控热源的加热方式。

6 安全防护及设施

6.1 低温球罐的压力控制

低温乙烯、乙烷球罐非常容易吸收环境的热量而使球罐的压力升高,因此,低温球罐的压力控制非常重要。

三台乙烯球罐设置了气相连通线,此气相连通线通往 CPP装置。正常的压力变化范围内,如果一台球罐压力由于进料等原因升高,则气相连通线可以平衡各罐的压力;当遇 CPP装置检修,压力升高到设定压力高限时,启动气体回收系统,把气体冷却后再返回球罐;当压力再升高时,通过压控阀放火炬;当压力继续升高时,安全阀起跳,向火炬排放。当球罐压力降低到设定压力低限时,可启动气化系统对球罐补充气相。

一台乙烷球罐压力升高时,设置了压力控制及安全阀;压力降低时,也可启动气化系统对球罐补充气相。

6.2 仪表检测控制

低温球罐的液位除采用智能伺服式液位计进行远传液位指示及报警和就地液位指示两种检测方式外,还单独设置了高高液位报警开关及低低液位报警开关,高高液位报警开关与所有进料阀连锁,防止液位超高。当出料阀打开时,联锁自动解开。

罐根阀采用控制室遥控及手动双重设置,火灾事故时可在控制室也可在现场及时关闭阀门。

球罐上部设置压力远传指示调节报警,可对球罐的压力进行调节;球罐上部和下部均需设置温度指示,方便了解真实情况。

现场设置可燃气体报警仪和摄像监控设施,可及时发现泄漏,防止事故的扩大。

6.3 安全放空设施

低温球罐的罐顶设置两个一开一备的安全阀,按国标 GB 150确定安全阀的泄放量:有完善绝热保温层,火灾情况下的泄放量及最大进料量两者计算后取较大值,按最大进料量选取。由于储运系统间断操作的特性,管道中低温液体也非常容易吸收外界热量气化,使管道压力升高超压。因此,进、出罐区及自动切断阀之间管线均根据情况设置了管道安全阀或其他可以泄压的措施。在手动切断阀之间设置了放空,安全阀后气体密闭排放至火炬系统。

7 结语

目前,乙烯球罐储存在我国发展较快,已有越来越多的炼油厂、化工厂正在建设或投用。某蜡化乙烯球罐于 2009年 3月开始进乙烯,4月上旬完成乙烯球罐的置换,其系统完善,包括了从开工进料、储存、气化外送及乙烯气体回收等设施,至今已经投运一年,运行正常。为乙烯球罐及罐区的设计积累了宝贵的经验和数据。

1 修淑英.1000m3钢制乙烯球罐设计要点 [J].石化技术,2000.7(4):236-240.

2 李 伟.大型乙烯球罐材质的选用 [J].甘肃科技,2002,18(9):60-63.

3 窦万波.我国乙烯球罐现状及国产化中技术要点分析 [J]压力容器,2006,23(6):39-42.

4 金岳军.国产乙烯低温球罐用 15MnNiNbDR(WHD3)钢焊接工艺 [J].石油化工建设,2009,31(2).

5 全国化工设备设计技术中心站机泵技术委员会.工业泵选用手册 [M].北京:化学工业出版社,1998.

6 参数与数据编辑部.中国石油化工项目可行性研究技术经济 2010参数与数据 [M].北京:中国石油化工参数与数据编辑部,2010.

(修改回稿 2010-11-24)

＊张园园:高级工程师。1985年毕业于抚顺石油学院石油化工专业。一直从事炼油及储运设计工作。联系电话 (0574)87974810,E-mail:zhangyy.snec@sinopec.com。