卧式氨储罐储氨量计算

张耀军，张国军，宣大宇

(华电能源股份有限公司哈尔滨第三发电厂，哈尔滨　150024)



卧式氨储罐储氨量计算

张耀军，张国军，宣大宇

(华电能源股份有限公司哈尔滨第三发电厂，哈尔滨150024)

摘要：为准确计算燃煤电厂卧式氨储罐的储氨量，通过分析氨的气-液两相转化规律、氨储罐内气相压力变化规律以及液态氨密度变化规律，提出了通过氨储罐内温度、压力和液氨液位来计算氨储量的方法。现场应用表明，该方法能较准确地计算出氨储罐的储氨量、一段时间内的氨消耗量以及卸氨量等。

关键词：燃煤电厂；氨区；卧式液氨储罐；存储量

0引言

大型燃煤火力发电厂普遍采用选择性催化还原(SCR)法烟气脱硝装置，氨作为脱硝还原剂被大量使用，外购的液氨储存在氨储罐中，再经蒸发器气化成气态氨进入锅炉烟气脱硝装置。氨区的储氨量过大会存在安全隐患，储氨量过少则容易造成供氨中断，所以，正确地计算出储氨量有重要意义。

1氨的理化特性以及在燃煤电厂的应用

氨(NH3)的沸点为-33.4 ℃，熔点为-77.7 ℃，自燃点为651.11 ℃，爆炸极限为氨的体积分数达16%～25%，具有强烈的刺激性气味，易溶于水，溶于水后形成氢氧化铵碱性溶液。氨应用广泛，是一种重要的化工原料，为储运方便，通常将气态氨通过加压或冷却转换成液态氨，简称液氨[1]。

燃煤发电厂采用的SCR法烟气脱硝是利用氨对NOx的还原功能，在一定条件下将NOx还原为对大气影响较小的氮气和水[2]。

2氨储罐内储量计算

为保证安全、规范管理，各燃煤电厂都设置了专门存储和液化液氨的氨区，氨储罐布置在氨区内。电厂用的氨储罐多为卧式椭圆封头圆柱形储罐，华电能源股份有限公司哈尔滨第三发电厂(以下简称哈三电厂)的2台氨储罐比较典型，设计压力为1.6 MPa，设计温度为-40 ～ 50 ℃，总容积为100 m3，壁厚为24 mm，室外布置。当地冬季最低气温达-35 ℃，夏季最高气温近40 ℃，昼夜温差最大超过10 ℃。哈三电厂氨储罐外形尺寸为：直桶长度L1= 11.320 m，直桶直径D=3.200 m，封头直边L2=0.050 m，封头高度L3=0.850 m。生产中需要根据氨储罐的运行压力、温度、液氨液位等参数计算氨储罐实际储量。

正常运行时氨储罐下部为液态氨，上部为气态氨和氮气的混合气体，位于储罐底部的出口门打开时，液氨由此流出。进入氨储罐的液氨纯度要求高于99.6%，氮气保护气纯度要求高于99.5%，杂质很少，可认为氨储罐内只存在氨和氮气两种物质，由此推断氨储罐压力p计算公式为

(1)

式中：pN2为氮气的分压；pNH3为气态氨的分压。

氮气的临界温度为-147 ℃，临界压力为3.4MPa, 氮气在正常的运行温度(-30～30 ℃)和运行压力(0～1.6MPa)下不会液化或固化，因此氨储罐内氮气质量是保持不变的，但根据克拉伯龙方程，pN2与气体的温度成正比，与气体的体积成反比。在-30～30 ℃范围内，氨的饱和蒸汽压pNH3b变化较大：当储罐内气态氨的分压低于所在温度下氨的饱和蒸汽压时，液态氨气化成气态氨，气态氨的质量增加；反之，储罐内气态氨的分压高于所在温度下氨的饱和蒸汽压时，气态氨液化成液态氨，气态氨的质量减少。最终达到平衡时，氨储罐内气态氨分压pNH3等于所在温度下氨的饱和蒸汽压pNH3b，即pNH3=pNH3b，pNH3b可通过下式计算[3]

(2)

式中：t为氨储罐内的温度。

通过公式(1)，(2)和克拉伯龙方程计算可知，氨储罐压力p随温度变化而变化，当温度升高时，pN2和pNH3都升高，氨储罐压力p升高，反之则氨储罐压力p降低；但pN2与气体温度成正比例函数关系，pNH3与气体温度成指数函数关系，正常运行温度下pNH3受温度的影响比pN2大得多，因此氨储罐内氨和氮质量变化不大时，氨储罐压力p变化的主要原因是氨储罐内pNH3随温度发生了变化。

2.1气态氨计算[4]

查阅资料得知，氨的临界温度tc=132.33 ℃，临界压力pc=11.313MPa，氨储罐运行温度为-30 ～30 ℃，所以重点研究这个温度区间气态氨的物理化学性质。通过公式(2)计算得出-30 ℃时氨的饱和蒸汽压pNH3b=0.119 55MPa，也就是说此温度下氨储罐中氨气的分压pNH3=0.119 55MPa。根据普遍化范德华方程计算并查阅《双参数普遍化压缩因子图》得出，此时对比温度tr=0.60，对比压力pr=0.010 6，压缩因子Z=0.99；同理可计算出0 ℃时氨储罐中氨气的分压为0.429 42MPa，对比温度tr=0.67，对比压力pr=0.038 0，压缩因子Z=0.96；30 ℃时氨储罐中氨气的分压为1.166 50MPa，对比温度tr=0.75，对比压力pr=0.096 1，压缩因子Z=0.93。通过上述方法还可以计算出其他温度下氨储罐内氨的压缩因子Z并发现-30～30 ℃区间Z值在0.99～0.93之间均匀分布，因此，气态氨在温度t时的摩尔体积Vm计算公式如下

(t+30)=0.960 3-0.000 99t，

(3)

式中：R为摩尔气体常数；t1为气体的绝对温度。

因此，氨储罐内气态氨的质量为

(4)

式中：V为氨储罐总容积；V1为液氨体积。

2.2液氨储量计算

无论氨储罐内氨的气、液两相发生什么变化，液态氨都会汇集到氨储罐的底部，液氨液位h可通过液位计测量得到，根据氨储罐的液氨液位h，利用微积分和椭圆封头圆柱体体积计算的经验公式推导出液氨体积V1(m3)计算公式

计算得出

(5)

液氨的密度ρ(kg/L)受温度影响较大，可通过下式计算得出

(133-t)]/[4.283+0.813 055×

(6)

液态氨质量为

(7)

2.3总存储量计算

氨储罐内的总储氨质量为气态氨和液态氨的质量和

(8)

上述计算非常复杂，需要编写计算机程序或者使用电子表格进行计算。

3现场验证

为验证上述计算方法的准确性，将每天氨储罐中氨的减少量和机组氨气流量表的日累计流量进行比对，数据见表1。表1中：储氨量计算值是根据每日0时储罐温度和液位采用上述公式进行计算的结果；日消耗氨量计算值是当日0时氨储罐储氨量计算值与次日0时氨储罐储氨量计算值的差值；氨气用量表计值为机组氨气流量表当日0时至次日0时的实测值；无日消耗氨量计算值的日期为卸氨日，不做统计。

表1　日消耗氨量比对数据

续表

综合分析表1中4月份的统计数据，计算得到1个月内氨消耗总量为76.242t，氨气用量表计值为76.015t，累计偏差为0.227t，虽然个别日期偏差较大，但多日的累加数据偏差不大，证明此计算方法准确性较高，可以满足实际工作的需要。计算也表明，氨储罐液位的测量精度对储氨量计算值的准确性影响较大，例如，氨储罐温度为0 ℃时，若液氨液位指示值偏差0.01m，可使氨储罐内储氨量计算值的偏差最大达0.25t，因此，采用本方法统计储氨罐的储氨量必须保证液氨液位测量准确。哈三电厂氨储罐液位测量精度为±0.01m，计算氨的日消耗量时，液氨液位变化较小，液位测量的相对误差较大，计算出的氨消耗量值偏差大；计算多日消耗量时，液氨液位变化较大，液位测量的相对误差较小，计算出的氨消耗量值偏差小，这是统计长期累加数据准确性较高的一个重要原因。

4结束语

通过对不同温度、压力下氨的气态、液态相互转化，以及气态氨、液态氨密度变化的分析，可以比较精确地计算氨储罐中氨的实际储量，准确统计出氨的消耗量和氨储罐的每次装卸氨量，防止因储氨量过大造成储罐超压或因氨储量不足造成脱硝装置退出运行，对于保证电厂脱硝装置安全、经济运行有着重要意义。

参考文献：

[1]夏怀祥，段传和.选择性催化还原法[M].北京：中国电力出版社，2012：147-162.

[2]郝艳红，黄成群，傅毓赟，等.火电厂环境保护[M].北京：中国电力出版社，2008：57-60.

[3]鲁新宇，刘建兰，冯鸣，等.物理化学[M].北京：化学工业出版社，2008：11-19.

[4]姚玉英，陈常贵，柴诚敬.化工原理：上册[M].2版.天津：天津大学出版社，1999：3-5.

(本文责编：刘芳)

收稿日期:2016-03-17；修回日期:2016-04-25

中图分类号：X 773

文献标志码：B

文章编号：1674-1951(2016)05-0061-03

作者简介：

张耀军(1972—)，男，黑龙江哈尔滨人，高级工程师，从事火力发电厂化学监督、运行及检修管理方面的工作(E-mail:zhang.yaojun@126.com)。