用氨装置氨系统设计

仝鹏翔，丁 冰，李连朋，周煜华，葛利伟

（江西晨光新材料股份有限公司，江西 九江 332500）

0 引言

液氨作为化工生产的大宗原料，以液氨作为原料的化工品生产装置越来越多。由于液氨是以液化形式存在，具有饱和蒸汽压高、有毒、易爆、化学事故发生率高等特点，所以在用液氨装置的系统中，液氨的卸车、存储、和输送系统的设计比较重要。为使液氨安全地在生产系统中被使用，特来讨论液氨的卸车、存储、输送系统、安全附件等设计要点。

1 液氨的使用范围

液氨的使用范围极为广泛。作为生产和生活的重要原料，主要用作生产硝酸、尿素和其他化学肥料，还作为医药和农药的原料，在生产系统中作为冷冻剂。在有机硅行业，用液氨作为γ-氨丙基三甲氧基硅烷、γ-氨丙基三乙氧基硅烷生产的主要原料，以及用液氨配置氨水，在反应中起到催化剂的作用。

2 用氨系统的设计

用氨系统的设计涉及液氨槽车、液氨卸车臂、卸车动力输送系统（压缩机或泵）、液氨的储存系统、液氨的输送系统（至使用部位），安全附件等配套的元件。标准、规范、安全的设计是系统高效运行的重要条件。

2.1 液氨槽车

液氨槽车为移动式压力容器，运输液氨的槽车设计应符合TSG R0005《移动式压力容器安全技术监察规程》和TSG R4002《移动式压力容器充装许可规则》的有关规定，液氨槽车的设计压力不小于1.91 MPa，设计使用年限15 年，腐蚀余量≥2 mm，允许的充装系数≤0.53 L/m3；汽车槽车的设计应为整车设计，设计单位对整车设计文件的正确性和完整性负责；液氨罐车应当设置全启式弹簧安全阀（氨用），安全阀排气方向为罐体上方；移动式压力容器的设计单位资质、设计类别、品种和级别范围应当符合《压力容器压力管道设计许可规则》TSG R0001。

液氨槽车的铭牌必须完好。应有专用的取样设备，液氨槽车应图黄色油漆，有“毒性气体”规定标识；。槽车入场前先对槽车内的液氨进行分析检测，根据标准要求，检测产品是优质品、一等品、还是合格品，确定产品等级是否符合合同要求。取样分析合格的槽车进行过磅称重后，后进入卸车区。

2.2 液氨卸车臂

液氨卸车臂设计应符合HG/T 21608《液体装卸臂工程技术要求》，由于液氨的饱和蒸气压高，及毒性程度，液氨的卸车鹤管采用封闭式的底部组合式法兰装卸臂，装卸臂应设置拉断阀，

液氨卸车的鹤管属于压力管道，鹤管的材料、制作、安装、使用应符合TSG D0001—2009《压力管道技术监察规程-工业管道》的规定。卸车鹤管的公称压力不得小于装卸系统工作压力的2 倍，卸车臂必须每半年进行一次耐压试验，试验压力为卸车管公称压力的1.5 倍；液氨卸车臂应设超位报警，锁紧杆等安全设施；卸车臂附近不得有影响卸臂包络线范围的其他工艺管线，在空载条件下应保证外臂在包络线范围内任意位置上的平衡。卸车臂的排空装置应采用球阀，不得才有螺纹连接；卸车臂上的所有旋转接头应采设置检漏孔。

鹤管（中心线）与道路的距离、与储罐的距离、与卸车压缩机（或泵）的距离应符合相应规范要求，距离鹤管10 m 外的管道上应设便于操作的紧急切断阀。鹤管应采取静电消除装置，卸车场地应满足槽车的进出自如。如果有其他可燃液体鹤管，应满足规范间距设计要求。

2.3 卸车动力输送系统

1）液氨由槽车输送至液氨储罐常用的输送设备是压缩机（压缩机有螺杆式压缩机和活塞压缩机）。为防止管道内凝液带入压缩机，压缩机入口前必须设置气液分离器，气液分离器应尽量靠近压缩机入口布置，管道坡向气液分离器，以免冷凝液进入压缩机气缸。进气管道上应设有开停车使用的惰性气体接管口。压缩机的进气管道与液氨储罐顶部的气相管道连接，出口管道与槽车进料管连接，槽车的出口管道与储罐的入口管道进行连接（与槽车进出口的管道的连接，需要通过专用的卸车鹤管进行连接），待确认系统无误后，开启液相连同管道，利用槽车与储罐自身的压力差，将槽车内液氨输送至储罐，待压力平衡后，打开气相连同管道，启动压缩机，将储罐内的氨气利用压缩机抽气（储罐内压力降低）加压后输送至槽车，槽车压力升高。利用压力差将槽车内的液氨输送至储罐，观察槽车的液位，确认没有液体后，停压缩机，关闭液相管道、关闭气相管道，液氨卸车完成。

2）液氨由槽车输送至液氨储罐的动力输送系统还有使用泵的，常用的有屏蔽泵、转子泵、普通离心泵，泵前必须安装永久过滤器，永久过滤器截面积不小于管道截面积的3 倍，离心泵启动前应进行冷泵措施[2]，同时在泵入口管端与泵入口切断阀之间设置平衡管。通过泵直接将液氨输送至储罐，根据槽车液位变化确定是否抽送完成，之后再用压缩机对抽取槽车内残余的氨气，待槽车内压力＜0.2 MPa 时，停止压缩机，关闭阀门。卸车的动力设备泵与压缩机的对比：使用泵输送速度快（甲A 类及液氨等液体物料装卸车总管道的介质流速应大于4.5 m/s[4]），但是对于最后的残余的气体需要压缩机进行压缩输送，工序复杂；使用压缩机采取增压输送，输送稳定。输送液氨的泵或压缩机应露天布置，或者布置在半敞开式厂房内。

2.4 液氨的存储系统

液氨存储型式有卧式储罐、球罐等，根据实际的需求量和罐区的位置，选择适当的液氨储罐型式，不论选择何种型式的储罐，均应做好设备的静电接地工作。

液氨储罐的设计、制造、使用应符合《固定式压力容器安全技术监察规程》TSG21—2016 的规定，液氨储罐的主体材质宜选Q345R，充装系数不应大于0.9，设备制作完成应进行耐压试验和气密性试验。储罐的A、B 类对接接头（压力容器A、B 类接头按照GB150划分进行规定）及接管与壳体的接头均应采用全焊透结构形式，液氨储罐设计应配备事故罐，以便应急时及时倒罐。液氨储罐区内的基础、隔堤、围堰及管架均应采用不燃烧材料，防火堤的耐火极限不得小于3 h。

液氨储罐需设一套远传仪表和就地指示仪表，并应另设一套专用于高高液位和低低液位报警并联锁切断储罐进料（出料）阀门的液位测量仪表或液位开关，同时设计温度、压力监测系统（就地测量和远传测量两种不同型式的压力显示，并使用不同的取源点）；液氨储罐底部应设计氨水收集包。液氨储罐宜设计两套可在线拆除、监检的安全阀；储罐的进出口宜设置的储罐底部，若必须从上部接口进入储罐，插底管应宜延伸至储罐底部200 mm 处。储罐顶部应设计自动降温喷水设施，喷水降温与储罐内温度联锁[5]；设计喷水雾吸氨的喷淋设施，此设施与氨气检测的探测仪联锁。液氨储罐的进出口管道在设计手阀的同时，应设计切断阀，出口管道增设SIS 阀与储罐液位联锁。

液氨储罐集中布置时，液氨储罐组内的防火间距按照液化烃储罐间距要求，压力式液氨储罐的防火堤和隔堤的设置同液化烃储罐的要求，防火堤内踢脚线距离储罐不应小于3 m。

2.5 液氨的输送系统及车间缓存设备

2.5.1 液氨的输送系统

液氨由罐区输送至车间储罐或者反应器使用的动力设备有高压氨泵（柱塞泵）、隔膜泵、多级离心泵、屏蔽泵、磁力泵、转子泵等，根据使用的工况选择合适的动力输送系统[1]。要求这些泵具有耐压高、扬程高、无泄漏、耐腐蚀、电机要求防爆、与物料接触部位不允许使用铜或铜合金、执行API610/API685 标准等特点。

液氨输送系统直接输送至高压反应系统，可以选用高压氨泵（柱塞泵）、隔膜泵、多级离心泵、转子泵、液下泵等，高压氨泵（柱塞泵）、隔膜泵、转子泵都属于容积式泵，具有转数低、效率高、自吸能力强、运转平稳等特定；多级离心泵、液下泵都属于离心泵，具有流量大、调节平稳、噪音低，离心泵要求具备机封的润滑冷却和密封设施。

液氨的动力输送系统与进动力系统的储罐液位联锁、与输送的目的地的储罐或反应器的压力联锁，液氨动力输送系统的运行状态、电机电流、设备震动值、设备出口压力及系统内重要数据（例如隔膜泵内隔膜的压力、系统内润滑油站的运行状态、密封液储罐压力等）应远传至室内集中控制系统，设定报警值或设备停车信号。

液氨罐组配套的动力输送系统应布置在防火堤外，与液氨储罐的防火间距不应小于15 m，与可燃液体工厂储罐、与可燃液体车间储罐的防火间距应按照《精细化工企业工程设计防火规范》或《石油化工企业设计防火规范》的相关规定进行设计。

2.5.2 液氨的车间缓存设备

液氨由罐组输送到使用车间时，根据需要在使用车间需设置缓冲罐或直接进入生产设备。根据生产需要在车间设置车间液氨储罐（组）时，依据项目的设计标准（《精细化工企业工程设计防火标准》或《石油化工企业设计防火规范》）要求，设计储罐（组）的液氨存储容量分别满足各自规范要求的存储容量，并应集中布置在生产设施边缘。

液氨缓冲罐的材料、设计要满足GB150《压力容器》和TSG21《固定式压力容器安全技术监察规程》，设备配套的安全附件应配置完整。

2.6 液氨系统输送管道的设计

液氨管道的设计应符合GB/T 20801《压力管道规范》的要求，对于GC2 级别以下的碳钢管道可以选用符合GB/T8163《输送流体用无缝钢管》的管道，对于GC1 级别的碳钢管道选用符合GB 6479《高压化肥设备用无缝钢管》的管道；对于不锈钢管道输送液氨可以选用符合GB/T 14976《流体输送用不锈钢无缝钢管》的管道。

液氨管道法兰的选用应符合标准HG/T 20592《钢制管法兰（PN）系列》或HG/T 20615《钢制管法兰（class）系列》。根据设计温度、设计压力、剧烈循环工况、管口大小、是否可能会发生缝隙腐蚀等，可以选用带颈平焊法兰、对焊法兰、整体法兰等，法兰密封面由低到高依次可选突面（RF）、凹凸面（FM/M）、榫槽面（TG）等。垫片应选用与法兰配套的金属缠绕垫、金属环形垫等，不能选用非金属平垫、聚四氟乙烯包覆垫、金属包覆垫片。

液氨管道阀门的选用满足设计温度、设计压力外，还应考虑外部载荷对阀门操作性能和密封性能的影响，由于采用巴氏合金的较软而易发生变形，使阀芯与阀座紧密接触，密封性能较好，所以液氨管道无论采用截止阀还是闸阀，其密封材质多采用巴氏合金，对于现场条件要求苛刻的阀门，可以选用波纹管截止阀。阀门的设计和制作应符合GB/T 26748《氨用截止阀和升降式止回阀》，阀门法兰的标准HG/T 20592《钢制管法兰（PN）系列》或HG/T20615《钢制管法兰（class）系列》，阀门法兰密封面应与法兰密封面配套。

2.7 安全附件的设计

氨系统具有压力高、毒性大、操作复杂、事故发生率高等特点，作为保证动静设备、管道安全运行的安全附件非常重要。安全附件设计在系统的卸车动力系统、卸车输送系统、液氨储存系统、液氨输送系统及缓存系统等各个部位。安装在设备、管道处的安全阀要靠近根部，必要的位置安装两套安全阀，安全阀根部安装切断阀（切断阀铅封开）。安全阀的排向管道应坡向主管，尽量避免袋型弯。氨系统安全阀出口不能直接排至大气，要进氨气吸收系统[3]。

仪表的设计选型应符合SH/T 3005《石油化工自动化仪表选型设计规范》。液氨系统的液位计要求具有防霜功能，在设置两套不同原理液位计的同时，还应设置一套联锁储罐液位进料切断阀的液位计或液位开关。液氨储罐应具有现场和远传两套温度测量系统，远传仪表与储罐的降温水联锁，并具有报警功能。液氨进出储罐的紧急切断阀应性能稳定可靠。

3 结语

用氨装置氨系统设计涉及工艺、设备、电气、仪表、安全环保、土建、防腐保温各个专业，各专业设计前要熟悉专业设计规范、工艺设备参数要求、设备性能、现场使用条件等，才能保证用氨系统的设计安全、持续稳定服务于用氨系统。