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乙烯球罐及罐區(qū)設計要點分析

文檔作者：張園園文檔來源：中國石化集團寧波工程有限公司		點擊數：	更新時間： 2021年01月07日
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10 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工設計201 1，21(1)
乙烯球罐及罐區(qū)設計要點分析
張園園 中國石化集團寧波工程有限公司寧波315103
摘要 根據某蠟化乙烯罐區(qū)的設計，從乙烯球罐的設計參數、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)的設計要點，提出設計應考慮的問題及建議。
關鍵詞 乙烯球罐罐區(qū)設計要點
隨著我國經濟的穩(wěn)步快速發(fā)展，石油化工產
品的消費量明顯提高，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)的儲運罐區(qū)也由過去單一
的常溫儲存形式，發(fā)展為低溫和常溫混合儲存的
形式。過去大型乙烯球罐受鋼材制造能力等因素
限制，多采用進口鋼材和設計。隨著國產低溫鋼
的研發(fā)和生產， 目前乙烯球罐用鋼正在逐步國產
化，各種乙烯球罐及罐區(qū)的設計也越來越多。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)
儲存能力7500 m ，包括乙烯儲存能力6000m。，乙
烷儲存能力1500m 。該項目2007年底完成基礎設
計，2008年完成詳細工程設計，2009年完成施工
建設，并一次投產成功。
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臨時卸車系統(tǒng)。
1 球罐的設計參數
低溫球罐最重要的設計參數是設計溫度和設
計壓力。在儲存過程中，盡管球罐有保冷設施，
但總會吸收環(huán)境中的熱量使介質氣化，導致球罐
內的壓力升高，因此，低溫球罐的設計溫度和壓
力需要根據球罐的材質、介質的性質及工藝要求
綜合確定。國內現(xiàn)有部分大型乙烯球罐的溫度和
壓力參數見表1ll J。
張園園：高級工程師。1985年畢業(yè)于撫順石油學院石汕化工專業(yè)
一mail：zhangyy．snec@sinopec．corn。
表1 國內部分大型乙烯球罐的溫度和壓力參數
從表1看出：乙烯球罐的操作溫度一般為一36
～ 一27~C，設計溫度從一31℃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，
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，球罐設計壓力為2．16—
2．2 MPa(G)。這主要是考慮乙烯球罐低溫特性，
使操作溫度有一個波動的范圍。
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
乙烯球罐的設計溫度一45~(2，設計壓力2．16MPa
(C)。
乙烷球罐和乙烯球罐同屬易燃易爆介質低溫
球罐，但其操作工況與乙烯球罐不同，單臺乙烷
球罐沒有氣體連通及回收設施，為更長久地穩(wěn)定
控制，減少排放，設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計溫度一
50℃，設計壓力1．77MPa(G)。
2 乙烯球罐材料的選擇
上世紀70年代，我國先后引進了幾套乙烯裝
。一直從事煉汕及儲運設計工作。聯(lián)系電話(0574)87974810，E
張園園 乙烯球罐及罐區(qū)設計要點分析
置，并引進了一些容積在1500m 左右的大型乙烯
球罐，當時，主要是采用國外設計、制造球片，
國內安裝。80年代末，我國自行研發(fā)了新型低溫
球罐用鋼(07MoNiCrMoVDR)國產CF一62，并于
90年代初在大慶用此鋼材自行設計并制造出
1500m 乙烯球罐，開創(chuàng)了用國產鋼材制造大型乙
烯球罐的先例，形成了大型乙烯球罐制造采用國
產鋼材與進口鋼材并存的局面 J。本世紀，隨著
鋼廠生產能力的不斷擴大，品種的逐步增多，大
型低溫球罐用鋼已逐漸國產化。目前，根據乙烯
球罐的設計溫度要求，國產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。國內部分低溫乙烯球罐用鋼的主
要參數見表2。
表2 國內部分低溫乙烯球罐用鋼主要參數
從表2可見，國內低溫乙烯球罐設計溫度大多
≤ 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
計溫度一45℃ ，采用15MnNiNbDR鋼板，1500m
低溫乙烷球罐設計溫度一5O℃ ，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)
乙烯裝置生產的乙烯送罐區(qū)儲存。當下游裝
置需要時，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，乙烯蒸發(fā)器需要特殊
設計。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
時會結冰，影響介質的傳熱。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)器的設計壓力；在同
樣設計壓力的條件下，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，灌注時為負值，吸
上時為正值，m；His為泵進口側管道系統(tǒng)阻
力，m。
根據上式可以看出，泵的有效氣蝕余量即為
泵的幾何安裝高度和泵進口側管道系統(tǒng)阻力之和。
根據某蠟化2000m 乙烯球罐的安裝高度
1．75m，設球罐內液位為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，這對一般的離心泵是很難達到的。對于
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，或將氮氣
充人球罐內增壓或提高支腿高度等，但對于乙烯
球罐，由于壓力控制范圍較小，采用增壓器或向
球罐內充氮氣，會使低溫球罐的溫度和壓力變得
不穩(wěn)定，易引起球罐超壓；提高支腿高度對投資
影響較大。采用立式筒袋泵就可以有效解決這個
問題。
立式簡袋泵屬于多級泵，常埋于地下，見
圖1。
從圖1可見，第一級葉輪與基準面的高差為
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
第一級葉輪與基準面的高差，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現(xiàn)低溫液態(tài)儲存。但不斷
氣化的液化烴會使球罐壓力升高， 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
介質送往可接收裝置；② 增加一套小型壓縮機系
統(tǒng)。對于可接收裝置為兩套以上裝置，當一套檢
修時，可送往另一套裝置的情況，采用第一種辦
法；對于只有一套接收裝置或沒有接收裝置的情
況，可根據球罐介質儲存量、介質的特性，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，
1500 m。低溫乙烷球罐1臺，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，3臺乙烯球罐的每次排放量約340t，2010
年按乙烯噸平均價格7690元計 J，則每次損失乙
烯的總價值約為261萬元。一套乙烯氣回收系統(tǒng)總
投資約250萬元，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排
放的乙烷，正常工況每小時少量回煉，裝置檢修
期間，一臺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生的乙烯氣體進行置換；
另一種是裝置未開工，需用常壓低溫乙烯罐車中
的乙烯對球罐進行置換，某蠟化計劃用球罐中乙
烯返回乙烯裝置進行倒開車，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乙烯球罐進行置換．
需要設置一套卸車系統(tǒng)，系統(tǒng)主要包括一臺乙烯
卸車加壓泵和一套乙烯加熱器。
由于乙烯球罐最低設計溫度為一45℃ ，而常壓
下乙烯的最低溫度可達一104℃ ， 因此，卸車時，
乙烯進料的相態(tài)、溫度及球罐的壓力需要認真匹
配和協(xié)調，保證球罐溫度不低于設計溫度，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。設置三臺
可串可并的空氣加熱器，以適應開工置換中的各
種工況?？諝饧訜崞鹘Y構簡單、投資較低。但空
氣加熱受開車時氣溫、風速等影響較大，加熱器
投用后極易表面結霜后失效，出口溫度較難控制。
這是今后設計中需要注意的問題，建議采用可控
熱源的加熱方式。
6 安全防護及設施
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。
三臺乙烯球罐設置了氣相連通線，此氣相連
通線通往CPP裝置。正常的壓力變化范圍內，如
果一臺球罐壓力由于進料等原因升高，則氣相連
通線可以平衡各罐的壓力；當遇CPP裝置檢修，
壓力升高到設定壓力高限時，啟動氣體回收系統(tǒng)，
張園園 乙烯球罐及罐區(qū)設計要點分析 l3
把氣體冷卻后再返回球罐；當壓力再升高時，通
過壓控閥放火炬；當壓力繼續(xù)升高時，安全閥起
跳，向火炬排放。當球罐壓力降低到設定壓力低
限時，可啟動氣化系統(tǒng)對球罐補充氣相。
一臺乙烷球罐壓力升高時，設置了壓力控制
及安全閥；壓力降低時，也可啟動氣化系統(tǒng)對球
罐補充氣相。
6．2 儀表檢測控制
低溫球罐的液位除采用智能伺服式液位計進
行遠傳液位指示及報警和就地液位指示兩種檢測
方式外，還單獨設置了高高液位報警開關及低低
液位報警開關，高高液位報警開關與所有進料閥
連鎖，防止液位超高。當出料閥打開時，聯(lián)鎖自
動解開。
罐根閥采用控制室遙控及手動雙重設置，火
災事故時可在控制室也可在現(xiàn)場及時關閉閥門。
球罐上部設置壓力遠傳指示調節(jié)報警，可對
球罐的壓力進行調節(jié)；球罐上部和下部均需設置
溫度指示，方便了解真實情況。
現(xiàn)場設置可燃氣體報警儀和攝像監(jiān)控設施，
可及時發(fā)現(xiàn)泄漏，防止事故的擴大。
6．3 安全放空設施
低溫球罐的罐頂設置兩個一開一備的安全閥，
按國標GB 150確定安全閥的泄放量：有完善絕熱
保溫層，火災情況下的泄放量及最大進料量兩者
計算后取較大值，按最大進料量選取。由于儲運
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、出罐區(qū)及自動切斷閥之間管線均根據情況設
置了管道安全閥或其他可以泄壓的措施。在手動
切斷閥之問設置了放空，安全閥后氣體密閉排放
至火炬系統(tǒng)。
7 結語
目前，乙烯球罐儲存在我國發(fā)展較快，已有
越來越多的煉油廠、化工廠正在建設或投用。某
蠟化乙烯球罐于2009年3月開始進乙烯，4月上
旬完成乙烯球罐的置換，其系統(tǒng)完善，包括了從
開工進料、儲存、氣化外送及乙烯氣體回收等設
施，至今已經投運一年，運行正常。為乙烯球罐
及罐區(qū)的設計積累了寶貴的經驗和數據。
參考文獻
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6 參數與數據編輯部，中國石油化工項目可行性研究技術經
濟2010參數與數據[M]．北京：中國石油化工參數與數
據編輯部，2010．
(修改回稿2010—1l一24)
(上接第44頁)
自有資金內部收益率為20．56％，
務凈現(xiàn)值為491739萬元。
自有資金財 3 結語
從上面的財務分析看，項目投產后年產優(yōu)質
潔凈煤3．706×10。t(370．6萬噸)、油品5．22×
10 t(52．2萬噸)、天然氣2．7×10 Nm (2．7億
Nm )、尿素8．87×10 t(88．7萬噸)，所得稅前
內部收益率為18．3l％ ，大于行業(yè)基準收益率
10％，敏感性分析表明項目有一定的抗風險能力，
因此是可行的。
化工和煤炭結合，發(fā)揮各裝置的特點，充分
利用裝置間不同能級的能量，是節(jié)能減排，探索
低碳發(fā)展的方向，也是該項目的最大的特點。
參考文獻
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社，2006．
2 中國石化集團上海工程有限公司編．化工工藝設計手冊
[M]．第4版．北京：化學工業(yè)出版社，2009，6．
(修改回稿2010—11—15)

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