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乙烯球罐及罐區(qū)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

文檔作者：張園園文檔來源：中國(guó)石化集團(tuán)寧波工程有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年01月07日
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10 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工設(shè)計(jì)201 1，21(1)
乙烯球罐及罐區(qū)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析
張園園 中國(guó)石化集團(tuán)寧波工程有限公司寧波315103
摘要 根據(jù)某蠟化乙烯罐區(qū)的設(shè)計(jì)，從乙烯球罐的設(shè)計(jì)參數(shù)、材料的選擇、乙烯的氣化輸送、罐區(qū)的安
全及氣體回收等方面，分析乙烯球罐及罐區(qū)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，提出設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的問題及建議。
關(guān)鍵詞 乙烯球罐罐區(qū)設(shè)計(jì)要點(diǎn)
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)步快速發(fā)展，石油化工產(chǎn)
品的消費(fèi)量明顯提高，化工原料的需求量逐步增
大，越來越多的煉油型石化企業(yè)增上了乙烯裝置，
煉油和化工一體化已經(jīng)成為大型石化企業(yè)發(fā)展的
模式。煉油型石化企業(yè)的儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)也由過去單一
的常溫儲(chǔ)存形式，發(fā)展為低溫和常溫混合儲(chǔ)存的
形式。過去大型乙烯球罐受鋼材制造能力等因素
限制，多采用進(jìn)口鋼材和設(shè)計(jì)。隨著國(guó)產(chǎn)低溫鋼
的研發(fā)和生產(chǎn)， 目前乙烯球罐用鋼正在逐步國(guó)產(chǎn)
化，各種乙烯球罐及罐區(qū)的設(shè)計(jì)也越來越多。2007
年某蠟化規(guī)劃增上一套渣油催化熱裂解裝置
(CPP)及下游配套裝置和罐區(qū)，其中，乙烯罐區(qū)
儲(chǔ)存能力7500 m ，包括乙烯儲(chǔ)存能力6000m。，乙
烷儲(chǔ)存能力1500m 。該項(xiàng)目2007年底完成基礎(chǔ)設(shè)
計(jì)，2008年完成詳細(xì)工程設(shè)計(jì)，2009年完成施工
建設(shè)，并一次投產(chǎn)成功。
某蠟化乙烯罐區(qū)主要包括2000m 乙烯球罐3
座，1500m 乙烷球罐1座；乙烯氣化輸送系統(tǒng)；
乙烯氣回收系統(tǒng)及乙烯I臨時(shí)卸車系統(tǒng)。
1 球罐的設(shè)計(jì)參數(shù)
低溫球罐最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)是設(shè)計(jì)溫度和設(shè)
計(jì)壓力。在儲(chǔ)存過程中，盡管球罐有保冷設(shè)施，
但總會(huì)吸收環(huán)境中的熱量使介質(zhì)氣化，導(dǎo)致球罐
內(nèi)的壓力升高，因此，低溫球罐的設(shè)計(jì)溫度和壓
力需要根據(jù)球罐的材質(zhì)、介質(zhì)的性質(zhì)及工藝要求
綜合確定。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有部分大型乙烯球罐的溫度和
壓力參數(shù)見表1ll J。
張園園：高級(jí)工程師。1985年畢業(yè)于撫順石油學(xué)院石汕化工專業(yè)
一mail：zhangyy．snec@sinopec．corn。
表1 國(guó)內(nèi)部分大型乙烯球罐的溫度和壓力參數(shù)
從表1看出：乙烯球罐的操作溫度一般為一36
～ 一27~C，設(shè)計(jì)溫度從一31℃有逐步降低的傾向，
這主要是考慮乙烯球罐出現(xiàn)不正常低溫工況時(shí)，
使球罐有一定的抗過冷能力；球罐的操作壓力是
操作溫度下的飽和壓力，球罐設(shè)計(jì)壓力為2．16—
2．2 MPa(G)。這主要是考慮乙烯球罐低溫特性，
使操作溫度有一個(gè)波動(dòng)的范圍。
某蠟化乙烯球罐的操作溫度為一35～ 一
27．8qC，操作壓力為1．58～1．96MPa(G)，選擇
乙烯球罐的設(shè)計(jì)溫度一45~(2，設(shè)計(jì)壓力2．16MPa
(C)。
乙烷球罐和乙烯球罐同屬易燃易爆介質(zhì)低溫
球罐，但其操作工況與乙烯球罐不同，單臺(tái)乙烷
球罐沒有氣體連通及回收設(shè)施，為更長(zhǎng)久地穩(wěn)定
控制，減少排放，設(shè)定乙烷球罐的操作溫度為一
46．5～ 一l3．5℃，操作壓力為0．5256—1．60MPa
(G)，因此，某蠟化乙烷球罐選擇設(shè)計(jì)溫度一
50℃，設(shè)計(jì)壓力1．77MPa(G)。
2 乙烯球罐材料的選擇
上世紀(jì)70年代，我國(guó)先后引進(jìn)了幾套乙烯裝
。一直從事煉汕及儲(chǔ)運(yùn)設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話(0574)87974810，E
張園園 乙烯球罐及罐區(qū)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析
置，并引進(jìn)了一些容積在1500m 左右的大型乙烯
球罐，當(dāng)時(shí)，主要是采用國(guó)外設(shè)計(jì)、制造球片，
國(guó)內(nèi)安裝。80年代末，我國(guó)自行研發(fā)了新型低溫
球罐用鋼(07MoNiCrMoVDR)國(guó)產(chǎn)CF一62，并于
90年代初在大慶用此鋼材自行設(shè)計(jì)并制造出
1500m 乙烯球罐，開創(chuàng)了用國(guó)產(chǎn)鋼材制造大型乙
烯球罐的先例，形成了大型乙烯球罐制造采用國(guó)
產(chǎn)鋼材與進(jìn)口鋼材并存的局面 J。本世紀(jì)，隨著
鋼廠生產(chǎn)能力的不斷擴(kuò)大，品種的逐步增多，大
型低溫球罐用鋼已逐漸國(guó)產(chǎn)化。目前，根據(jù)乙烯
球罐的設(shè)計(jì)溫度要求，國(guó)產(chǎn)用鋼主要為以下幾種：
07MnNiCrMoVDR、l5MnNiDR及09MnNiDR。最近
又新研發(fā)了一種新型低溫球罐用鋼
15MnNiNbDR【3 J。國(guó)內(nèi)部分低溫乙烯球罐用鋼的主
要參數(shù)見表2。
表2 國(guó)內(nèi)部分低溫乙烯球罐用鋼主要參數(shù)
從表2可見，國(guó)內(nèi)低溫乙烯球罐設(shè)計(jì)溫度大多
≤ 一40℃， 球罐鋼板使用較多的是
07MnNiCrMoVDR，15MnNiDR及09MnNiDR用于大
型低溫球罐較少，某蠟化2000m 低溫乙烯球罐設(shè)
計(jì)溫度一45℃ ，采用15MnNiNbDR鋼板，1500m
低溫乙烷球罐設(shè)計(jì)溫度一5O℃ ，采用09MnNiDR鋼
板，成功采用這兩種鋼板制造了大型低溫球罐。
3 乙烯氣化輸送系統(tǒng)
乙烯裝置生產(chǎn)的乙烯送罐區(qū)儲(chǔ)存。當(dāng)下游裝
置需要時(shí)，罐區(qū)氣化輸送系統(tǒng)將乙烯加壓、氣化、
升溫后送下游裝置。乙烯氣化輸送系統(tǒng)主要包括
乙烯蒸發(fā)器、乙烯輸送泵及乙烯過熱器。其中最
重要的設(shè)備是乙烯蒸發(fā)器及乙烯輸送泵。
3．1 乙烯蒸發(fā)器
由于乙烯的低溫性質(zhì)，乙烯蒸發(fā)器需要特殊
設(shè)計(jì)。不選用蒸汽直接加熱低溫乙烯，而是先用
蒸汽加熱中間媒介丙烯或甲醇，再用丙烯或甲醇
蒸氣加熱低溫乙烯。這主要考慮蒸汽冷凝到低溫
時(shí)會(huì)結(jié)冰，影響介質(zhì)的傳熱。中間媒介的選用比
較見表3。
表3 中間媒介比較表
從表3可見，在同樣操作溫度下，如選用甲醇
做中間媒介，可以降低蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)壓力；在同
樣設(shè)計(jì)壓力的條件下，如選用甲醇作為中間媒介，
蒸發(fā)器可以選用普通碳鋼；而選用丙烯，則需要
選用低溫鋼。因此，盡管用甲醇作為中間媒介有
一定毒性危害，但通過采取措施，使其密閉循環(huán)，
可以降低投資，因此，某蠟化乙烯蒸發(fā)器選擇甲
醇作為中間媒介。
3．2 乙烯輸送泵
乙烯在球罐中是飽和儲(chǔ)存的，球罐中液體倒
灌人泵。因此，其有效氣蝕余量為：
(NPSH)a=一(Hgs+ )
式中，Hgs為泵實(shí)際幾何安裝高度，即球罐的最低
液面至泵中心線的垂直距離，灌注時(shí)為負(fù)值，吸
上時(shí)為正值，m；His為泵進(jìn)口側(cè)管道系統(tǒng)阻
力，m。
根據(jù)上式可以看出，泵的有效氣蝕余量即為
泵的幾何安裝高度和泵進(jìn)口側(cè)管道系統(tǒng)阻力之和。
根據(jù)某蠟化2000m 乙烯球罐的安裝高度
1．75m，設(shè)球罐內(nèi)液位為1m，泵入口阻力為
0．4m，則乙烯泵的有效氣蝕余量為：
(NPSH)a=一(一2．75+0．4)=2．35 m
考慮安全余量0．6m，泵必需的氣蝕余量需小
于1．75m，這對(duì)一般的離心泵是很難達(dá)到的。對(duì)于
一般常溫液化烴球罐可采取一些措施提高泵的有
效汽蝕余量，如采用蒸氣增壓器增壓，或?qū)⒌獨(dú)?
充人球罐內(nèi)增壓或提高支腿高度等，但對(duì)于乙烯
球罐，由于壓力控制范圍較小，采用增壓器或向
球罐內(nèi)充氮?dú)?，?huì)使低溫球罐的溫度和壓力變得
不穩(wěn)定，易引起球罐超壓；提高支腿高度對(duì)投資
影響較大。采用立式筒袋泵就可以有效解決這個(gè)
問題。
立式簡(jiǎn)袋泵屬于多級(jí)泵，常埋于地下，見
圖1。
從圖1可見，第一級(jí)葉輪與基準(zhǔn)面的高差為
K，則筒袋泵的必需氣蝕余量為：
( )0r= (NPSH)1 r—K
12 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN
圖1 立式筒袋泵示意圖
式中， (NPSH) 為筒袋泵必需氣蝕余量，m；
(NPSH)， 為常規(guī)泵必需氣蝕余量，m；K為筒袋泵
第一級(jí)葉輪與基準(zhǔn)面的高差，m，K取值為0．53
2．56m E引
。
不同廠家K值不同，K值可以根據(jù)球罐的有
效氣蝕余量的要求選擇，所以筒袋泵的必需氣蝕
余量比常規(guī)泵的氣蝕余量小Km，完全可以滿足泵
的氣蝕余量的要求。因此，選擇筒袋泵對(duì)低溫飽
和液體的輸送非常合適。
4 罐區(qū)的氣體回收
由于低溫球罐中液化烴的貯存溫度低于環(huán)境
溫度，因此，盡管球罐采取保冷措施，但在貯存
過程中還是會(huì)與外界發(fā)生傳熱而使部分液化烴氣
化，少量低溫液化烴氣化后吸熱，利用低溫液化
烴的氣化吸熱原理可實(shí)現(xiàn)低溫液態(tài)儲(chǔ)存。但不斷
氣化的液化烴會(huì)使球罐壓力升高， 目前，保持低
溫球罐壓力平衡的辦法：① 將低溫球罐中的氣相
介質(zhì)送往可接收裝置；② 增加一套小型壓縮機(jī)系
統(tǒng)。對(duì)于可接收裝置為兩套以上裝置，當(dāng)一套檢
修時(shí)，可送往另一套裝置的情況，采用第一種辦
法；對(duì)于只有一套接收裝置或沒有接收裝置的情
況，可根據(jù)球罐介質(zhì)儲(chǔ)存量、介質(zhì)的特性，綜合
比較后確定采用何種辦法。
某蠟化乙烯有2000m。低溫乙烯球罐3臺(tái)，
1500 m。低溫乙烷球罐1臺(tái)，一套CPP裝置。
正常工況下，乙烯球罐的氣體送往CPP裝置，
裝置不接收乙烷氣體。在裝置檢修期問，按每次
20天計(jì)，3臺(tái)乙烯球罐的每次排放量約340t，2010
年按乙烯噸平均價(jià)格7690元計(jì) J，則每次損失乙
烯的總價(jià)值約為261萬(wàn)元。一套乙烯氣回收系統(tǒng)總
投資約250萬(wàn)元，因此，使用一次即可收回投資。
罐區(qū)乙烷為CPP裝置不合格乙烷及清焦時(shí)排
放的乙烷，正常工況每小時(shí)少量回?zé)?，裝置檢修
期間，一臺(tái)乙烷球罐的排放量約84t，由于乙烷是
裝置檢修期問排放的中間產(chǎn)品，排放量較少，因
此，決定不采用氣體回收系統(tǒng)。如果球罐超壓，
可排火炬系統(tǒng)。
5 乙烯臨時(shí)卸車系統(tǒng)
乙烯球罐開工置換一般有兩種形式：一種是
乙烯裝置開車后用裝置產(chǎn)生的乙烯氣體進(jìn)行置換；
另一種是裝置未開工，需用常壓低溫乙烯罐車中
的乙烯對(duì)球罐進(jìn)行置換，某蠟化計(jì)劃用球罐中乙
烯返回乙烯裝置進(jìn)行倒開車，因此，球罐置換只
能采用第二種方式。
采用常壓低溫乙烯罐車對(duì)乙烯球罐進(jìn)行置換．
需要設(shè)置一套卸車系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括一臺(tái)乙烯
卸車加壓泵和一套乙烯加熱器。
由于乙烯球罐最低設(shè)計(jì)溫度為一45℃ ，而常壓
下乙烯的最低溫度可達(dá)一104℃ ， 因此，卸車時(shí)，
乙烯進(jìn)料的相態(tài)、溫度及球罐的壓力需要認(rèn)真匹
配和協(xié)調(diào)，保證球罐溫度不低于設(shè)計(jì)溫度，球罐
上、下部溫差小于40℃ ，降溫速率為≤5℃／h。
某蠟化乙烯加熱器采用空氣加熱。設(shè)置三臺(tái)
可串可并的空氣加熱器，以適應(yīng)開工置換中的各
種工況?？諝饧訜崞鹘Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投資較低。但空
氣加熱受開車時(shí)氣溫、風(fēng)速等影響較大，加熱器
投用后極易表面結(jié)霜后失效，出口溫度較難控制。
這是今后設(shè)計(jì)中需要注意的問題，建議采用可控
熱源的加熱方式。
6 安全防護(hù)及設(shè)施
6．1 低溫球罐的壓力控制
低溫乙烯、乙烷球罐非常容易吸收環(huán)境的熱
量而使球罐的壓力升高，因此，低溫球罐的壓力
控制非常重要。
三臺(tái)乙烯球罐設(shè)置了氣相連通線，此氣相連
通線通往CPP裝置。正常的壓力變化范圍內(nèi)，如
果一臺(tái)球罐壓力由于進(jìn)料等原因升高，則氣相連
通線可以平衡各罐的壓力；當(dāng)遇CPP裝置檢修，
壓力升高到設(shè)定壓力高限時(shí)，啟動(dòng)氣體回收系統(tǒng)，
張園園 乙烯球罐及罐區(qū)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析 l3
把氣體冷卻后再返回球罐；當(dāng)壓力再升高時(shí)，通
過壓控閥放火炬；當(dāng)壓力繼續(xù)升高時(shí)，安全閥起
跳，向火炬排放。當(dāng)球罐壓力降低到設(shè)定壓力低
限時(shí)，可啟動(dòng)氣化系統(tǒng)對(duì)球罐補(bǔ)充氣相。
一臺(tái)乙烷球罐壓力升高時(shí)，設(shè)置了壓力控制
及安全閥；壓力降低時(shí)，也可啟動(dòng)氣化系統(tǒng)對(duì)球
罐補(bǔ)充氣相。
6．2 儀表檢測(cè)控制
低溫球罐的液位除采用智能伺服式液位計(jì)進(jìn)
行遠(yuǎn)傳液位指示及報(bào)警和就地液位指示兩種檢測(cè)
方式外，還單獨(dú)設(shè)置了高高液位報(bào)警開關(guān)及低低
液位報(bào)警開關(guān)，高高液位報(bào)警開關(guān)與所有進(jìn)料閥
連鎖，防止液位超高。當(dāng)出料閥打開時(shí)，聯(lián)鎖自
動(dòng)解開。
罐根閥采用控制室遙控及手動(dòng)雙重設(shè)置，火
災(zāi)事故時(shí)可在控制室也可在現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)關(guān)閉閥門。
球罐上部設(shè)置壓力遠(yuǎn)傳指示調(diào)節(jié)報(bào)警，可對(duì)
球罐的壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)；球罐上部和下部均需設(shè)置
溫度指示，方便了解真實(shí)情況。
現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置可燃?xì)怏w報(bào)警儀和攝像監(jiān)控設(shè)施，
可及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏，防止事故的擴(kuò)大。
6．3 安全放空設(shè)施
低溫球罐的罐頂設(shè)置兩個(gè)一開一備的安全閥，
按國(guó)標(biāo)GB 150確定安全閥的泄放量：有完善絕熱
保溫層，火災(zāi)情況下的泄放量及最大進(jìn)料量?jī)烧?
計(jì)算后取較大值，按最大進(jìn)料量選取。由于儲(chǔ)運(yùn)
系統(tǒng)間斷操作的特性，管道中低溫液體也非常容易
吸收外界熱量氣化，使管道壓力升高超壓。因此，
進(jìn)、出罐區(qū)及自動(dòng)切斷閥之間管線均根據(jù)情況設(shè)
置了管道安全閥或其他可以泄壓的措施。在手動(dòng)
切斷閥之問設(shè)置了放空，安全閥后氣體密閉排放
至火炬系統(tǒng)。
7 結(jié)語(yǔ)
目前，乙烯球罐儲(chǔ)存在我國(guó)發(fā)展較快，已有
越來越多的煉油廠、化工廠正在建設(shè)或投用。某
蠟化乙烯球罐于2009年3月開始進(jìn)乙烯，4月上
旬完成乙烯球罐的置換，其系統(tǒng)完善，包括了從
開工進(jìn)料、儲(chǔ)存、氣化外送及乙烯氣體回收等設(shè)
施，至今已經(jīng)投運(yùn)一年，運(yùn)行正常。為乙烯球罐
及罐區(qū)的設(shè)計(jì)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。
參考文獻(xiàn)
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用手冊(cè)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1998．
6 參數(shù)與數(shù)據(jù)編輯部，中國(guó)石油化工項(xiàng)目可行性研究技術(shù)經(jīng)
濟(jì)2010參數(shù)與數(shù)據(jù)[M]．北京：中國(guó)石油化工參數(shù)與數(shù)
據(jù)編輯部，2010．
(修改回稿2010—1l一24)
(上接第44頁(yè))
自有資金內(nèi)部收益率為20．56％，
務(wù)凈現(xiàn)值為491739萬(wàn)元。
自有資金財(cái) 3 結(jié)語(yǔ)
從上面的財(cái)務(wù)分析看，項(xiàng)目投產(chǎn)后年產(chǎn)優(yōu)質(zhì)
潔凈煤3．706×10。t(370．6萬(wàn)噸)、油品5．22×
10 t(52．2萬(wàn)噸)、天然氣2．7×10 Nm (2．7億
Nm )、尿素8．87×10 t(88．7萬(wàn)噸)，所得稅前
內(nèi)部收益率為18．3l％ ，大于行業(yè)基準(zhǔn)收益率
10％，敏感性分析表明項(xiàng)目有一定的抗風(fēng)險(xiǎn)能力，
因此是可行的。
化工和煤炭結(jié)合，發(fā)揮各裝置的特點(diǎn)，充分
利用裝置間不同能級(jí)的能量，是節(jié)能減排，探索
低碳發(fā)展的方向，也是該項(xiàng)目的最大的特點(diǎn)。
參考文獻(xiàn)
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社，2006．
2 中國(guó)石化集團(tuán)上海工程有限公司編．化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)
[M]．第4版．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009，6．
(修改回稿2010—11—15)

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