冰机进口气氨带液联锁跳车事故分析及解决措施

郭文龙，宋文戈，张 龙，刘晓明，赵小飞

（山西阳煤丰喜泉稷能源有限公司，山西稷山 043200）

山西阳煤丰喜泉稷能源有限公司 “稷山焦炉气综合利用生产尿素联产LNG转型升级项目”，设计产能为300kt／a合成氨、520kt／a尿素、联产65kt／aLNG（简称 “30·52”项目），是全国单套产能最大的焦炉气综合利用项目。项目建设期间，受焦炭市场萎缩的影响，所在园区原来拟建设的部分焦化项目迟迟未能落地，如此一来，“30·52”项目生产所需的焦炉气无法保障，迫不得已，公司上了2台投煤量750t／d的水煤浆水冷壁气化炉 （晋华炉）。

“30·52”项目工艺流程：焦化厂送来的焦炉气汇聚后，进入电捕焦油器除焦油、饱和器脱氨，之后送入气柜，然后经螺杆压缩机提压至0.7MPa送变温吸附工段完成脱萘脱苯，再由往复式压缩机提压至4.0MPa送入脱汞加氢工段，将焦炉气中的有机硫转化为无机硫、烯烃转化为饱和烃；出加氢工段的焦炉气与煤气化系统送来的水煤气混合后经脱毒槽进入变换炉，出口变换气经降温、分离和脱氨后进入低温甲醇洗系统脱硫脱碳，系统闪蒸出的H2S送ECOSA湿法制硫酸系统，脱吸的CO2则作为尿素合成的原料；出CO2吸收塔的净化气不经复热直接送往液氮洗系统，脱除气体中的微量CO和CH4，再经加热后送入氨合成塔，氨合成系统冷凝分离得到的产品液氨送球罐，用作下游尿素装置 （采用荷兰Stamicarbon公司的CO2汽提工艺）的原料。

项目所选工艺技术中，水煤浆水冷壁加压气化工艺、水移热等温变换工艺等2项技术达到国内先进水平；以焦炉气＋水煤气为原料，配套低温甲醇洗脱硫脱碳工艺在业内较罕见；低压氨合成工艺、ECOSA湿法制硫酸工艺，以及液氮洗和LNG深冷分离2套装置均采用首次引进技术，而将液氮洗和LNG深冷分离2个单元结合起来的工艺在国内尚属首次应用。

“30·52”项目于2013年6月开始筹建，2015年12月一次开车成功。随着设备大型化技术的成熟，“30·52”项目合成氨装置只配备了1台3MCL708＋2MCL706冰机的弊端逐渐暴露出来，若其不能正常运转，将直接威胁整个生产系统的安全、稳定运行。

1 冰机系统流程简述

来自低温甲醇洗等工段氨冷器的气氨［0.034MPa（A）、－40℃）］进入一段进口分离器进行气液分离，再经过滤器过滤后进入压缩机一段入口；来自氨合成系统的气氨 （0.133 MPa、－10℃）和来自过冷器的气氨 （0.131 MPa、－15℃）进入二段进口分离器气液分离后，与冰机一段出口气氨 （0.136MPa、60℃）混合并过滤后，进入冰机二段进行压缩；逐级压缩后，冰机四段出口气氨 （1.66MPa、103℃）经末级冷却器冷却至45℃后进入蒸发式水冷器，冷却为40℃的液氨后送液氨储槽。液氨储槽的不凝气经不凝气分离器冷却回收后进入火炬总管，分离出的气氨则送至冰机一段入口回收利用；储槽内的液氨一部分直接送至尿素界区作为原料，另一部分经过冷器再次冷却后送至氨合成系统和低温甲醇洗系统作为制冷剂循环利用。

一段进口分离器的进料包括不凝气分离器、冰机一段防喘振副线和低温甲醇洗系统氨冷器来的气氨，以及二段进口分离器分离出的液氨。

2 冰机进口气氨带液联锁跳车事故及原因分析

从 “30·52”项目的工艺流程可以看出，系统管线长，互联互通单元多，提供冷量的氨冷器数量众多，而制冷过程中蒸发产生的气氨都要回到冰机进口重新加压、冷却为液氨，但 “30·52”项目300kt／a合成氨装置只配套了1台离心式冰机，在其一段进口配备了1台氨分离器，正常生产情况下，如果气氨中有部分液氨析出，会在一段进口分离器内分离出来，用离心式液氨泵 （A／B）打入液氨储槽，但实际生产中偶尔会发生一段进口分离器瞬间满液，未分离的液氨被气氨带入冰机进口造成冰机联锁跳车的事故，尤其易发生在系统开车阶段。这一问题自2015年系统原始开车以来一直无法彻底消除，已多次造成非正常停车，所幸处理及时没有造成大的危害。如果不消除此隐患，一旦发现不及时或处理不当，轻则冰机机身振动损坏，重则管道法兰开裂、液氨泄漏，可能酿成严重的安全生产事故。

2.1 液氨的来源

系统内氨冷器数量多、气氨管线长、操作控制繁杂，氨冷器至冰机进口分离器管路中的气氨会部分冷凝成液氨；氨冷器液位高、蒸发量大或者设备发生故障时，也会产生气氨带液现象。这些液氨积存在管路的低点，当管路憋压超过液封阻力后，液氨会被瞬间压入冰机一段进口分离器，而由于一段进口分离器容积有限，短时间内大量带入的液氨来不及分离和外排，一部分会随气氨直接进入冰机进口，造成冰机联锁跳车。

2.2 液氨无法外送

生产中，虽然一段进口分离器现场和远传液位计都显示有液氨，但离心式液氨泵 （A／B）启动后却打不上液，无法将一段进口分离器中的液氨外送。首先想到的是液氨储槽压力过高造成液氨泵憋压，但将液氨储槽放空阀打开泄压却无济于事。经分析，认为主要原因在于两方面：一是分离器内呈负压，气氨的密度又小，液氨泵入口压力达不到设计的必需汽蚀余量；二是液氨泵启动后，泵体内的液氨汽化，形成了汽蚀。

3 解决措施

经上述分析后确定，要解决冰机进口气氨带液联锁跳车的问题，主要要从解决气氨带液和一段进口分离器内液氨外送问题两方面入手，通过精心操作、认真巡检并采取一些技改措施予以解决。

3.1 氨冷器气相带液问题的解决

这里所说的带液主要指氨冷器出口气相带液。系统运行过程中，氨冷器的液位一般控制在1／2～2／3之间。液位偏低，液氨与管程内的介质接触面减少，影响换热效果；液位过高，壳程内液氨蒸发空间不足，不仅影响换热效果，也容易造成带液。因此，正常操作中一般将氨冷器的液位设定在50%。但若仪表信号失真或液位计故障等问题造成实际液位高于远传液位计示数，也容易发生带液问题而不知晓，这就需要通过认真巡检及时发现液位偏差；另外，如果低温甲醇洗等工段甲醇温度控制过高，降温过程中液氨蒸发加快或者说负荷加大，也会导致氨冷器出口气相带液；还有的生产企业曾发生过氨冷器的补氨阀开启过快，造成进口气氨带液而冰机联锁跳车的事故。另外，冰机省功器负荷调整不及时、吸气压力过低也可能造成冰机液氨蒸发量过大，甚至暴沸，同样会造成进口气氨带液，从而导致冰机联锁跳车。上述这些都是操作方面的问题，可通过加强日常操作管理予以避免。设备方面的原因，可能有氨冷器气氨出口处的除沫器损坏等。

3.2 冰机进口气氨带液问题的解决

要从源头上解决冰机带液问题，还可考虑在气氨管路的最低点加导淋，但由于液氨是带有强烈刺激性气味的危化品，直接外排不易收集处理，于是我们最终选择引蒸汽管到气氨管路低点和一段进口分离器以将积存的液氨汽化的方法加以解决。具体做法为：将低温甲醇洗氨冷器出口上管架一处长5m左右的U形弯的保温层剖开，在下面紧贴管壁固定1排蒸汽管；对于一段进口分离器，则直接将2根蒸汽排污管的排放口布置在分离器的底部。不过这样做有如下缺点：一是浪费蒸汽，况且用蒸汽给冷却设备加热本身是一种极大的能量浪费；二是无法及时控制蒸汽量，尤其是当没有液氨积存时，外加的热量将造成冰机进口气氨温度升高，冰机负荷加重，电耗增加。

3.3 液氨无法外送问题的解决

如果能将一段进口分离器中积存的液氨及时送入液氨储槽，带液问题将迎刃而解。设计中有一开一备2台大连环友屏蔽泵有限公司生产的N33A-322HBM逆循环泵 （液氨泵 A／B），虽然该泵是针对易挥发低温有毒液体设计的专用泵，但在实际使用过程中经常打不上液，应该是实际运行条件不具备造成的。

实际工况：温度 －38℃、压力 59.49～64.86kPa，液氨储槽压力1.26MPa；－38℃下液氨的饱和蒸气压为79kPa、密度687.5kg／m3。为保证压力波动时液氨泵也能稳定运行，取60kPa为计算标准，利用柏努利方程式Z1g＋（p1／ρ）＋（u1／2）2＝Z2g＋（p2／ρ）＋（u2／2）2推导可得 ΔZ＝Z2－Z1＝（p1－p2）／（ρg）＝（79－60）×103／（687.5×9.81）＝2.82m （重力加速度为9.81m／s2），即一段进口分离器内的液位和液氨泵进口的位差要达到2.82m以上，才能保证离心式液氨泵的正常运转。另外，为防止离心式液氨泵启动后液氨汽化，可在泵壳上 （离中心越近越好）增加排气阀。

如果现场工艺管线布置条件允许，可以将一段进口分离器从系统切出，用气氨或氮气等惰性气体补压，只要能达到79kPa以上，就能保证离心式液氨泵正常运行。此法只是个临时应急措施，因为其弊端是冰机暂时失去了最后的保障，前工段一旦出现带液，会直接造成冰机联锁跳车。但在实际操作中，这种方法还是很实用的，我们在系统停车改造之前，一直用这种方法保证一段进口分离器内的液氨及时外送液氨储槽的。

3.4 液氨泵改型建议

虽然离心泵在化工生产中使用比较普遍，但离心泵启动前泵壳内需充满被输送的液体，才能保证启动后不断形成负压区，以将被输送液体源源不断地吸入泵内并完成液体输送。就我公司冰机系统的液氨泵而言，情况是比较复杂的。首先，液氨的沸点只有－33.5℃，系统又处于抽负压状态，而周围环境温度又相对较高，使本身就属于易挥发物质的液氨极易汽化，尤其是在启泵的过程中，如果冷泵达不到要求，操作将更加困难；其次，如果前工段过来的液氨带有少许水分，水在该工况下很容易结冰，冰渣可能堵塞离心式液氨泵进口滤网，使液氨泵无法打液。针对业内众多企业出现的这一共性问题，笔者认为此工况下液氨输送还是不太适合用离心泵，建议选择容积泵，如果有条件，直接选用潜液泵最好。

4 结束语

通过分析冰机进口气氨带液的原因，分别从液氨来源和分离器液氨外送两方面着手解决问题，并对同类工况的液氨输送机械选型提出建议。实际操作中，当发现冰机进口气氨少量带液时，可关小入口阀，稍开防喘振阀，以提高进口气氨的温度，将液氨汽化，同时联系氨合成和低温甲醇洗操作岗位适当降低氨冷器液位，这样可避免出现严重带液事故而导致冰机联锁跳车。