張羽霄，楊 帆，魏 冰，杜宣利，楊 敏

(西安中糧工程研究設(shè)計(jì)院有限公司，西安 710082)

當(dāng)今，油脂工業(yè)已發(fā)展成為規(guī)模化生產(chǎn)的現(xiàn)代化產(chǎn)業(yè)，大型化工業(yè)的生產(chǎn)對(duì)油料、油脂的要求不斷提高，植物油庫的建設(shè)規(guī)模也向大型化發(fā)展?，F(xiàn)代油脂的儲(chǔ)存特點(diǎn)表現(xiàn)為油脂品種多、油脂品質(zhì)差別大、儲(chǔ)存規(guī)模大，以滿足植物油市場流通、油脂儲(chǔ)備的需要[1]。在植物油儲(chǔ)存系統(tǒng)中，大型儲(chǔ)油罐具有成本低、容量大、操作簡便、便于后期維護(hù)等特點(diǎn)，成為油脂的主要儲(chǔ)存形式[1-2]。油脂在儲(chǔ)存過程中，影響及促進(jìn)油脂酸敗的因素主要有空氣、光照、溫度、水分、雜質(zhì)、重金屬離子及微生物等[3]。為防止油脂儲(chǔ)存過程的品質(zhì)劣變，應(yīng)采取科學(xué)合理的儲(chǔ)油罐設(shè)計(jì)方式，減少儲(chǔ)存過程中油脂品質(zhì)降低。根據(jù)植物油儲(chǔ)存物性，儲(chǔ)油罐設(shè)計(jì)可分為罐體、保護(hù)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、進(jìn)出油系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)等。植物油儲(chǔ)存過程中，不僅要注意油脂長期儲(chǔ)存時(shí)品質(zhì)降低問題，同時(shí)又必須保證經(jīng)濟(jì)、安全和環(huán)保，這對(duì)儲(chǔ)油罐的科學(xué)設(shè)計(jì)提出了更高的要求。為了促進(jìn)油脂儲(chǔ)存工藝的改進(jìn)和推廣，本文就植物油大型儲(chǔ)油罐的結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)及使用進(jìn)行探討。

1 儲(chǔ)油罐的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)

1.1 罐體

植物油通常采用立式圓筒形固定頂鋼板罐儲(chǔ)存[4]。大型化立式圓筒儲(chǔ)罐能夠減少儲(chǔ)罐鋼材耗用，在相同儲(chǔ)量條件下，占地面積更小，與其配套的工藝設(shè)施、監(jiān)控設(shè)施也相應(yīng)減少，節(jié)省投資，操作簡便。因此，大型化成為目前儲(chǔ)油罐建設(shè)的趨勢。植物油大型儲(chǔ)油罐主要以儲(chǔ)存儲(chǔ)備油為主，目前較為常用的單罐罐容為2 000～5 000 m3，如表1所示。

表1 目前常用的單罐罐容及規(guī)格

在食用油行業(yè)，大型儲(chǔ)油罐設(shè)計(jì)主要依據(jù)的規(guī)范有GB 50341—2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范》。儲(chǔ)油罐大型化有其優(yōu)點(diǎn)，但是也給設(shè)計(jì)、制造和使用帶來了一些問題，比如：對(duì)地基要求更高，設(shè)計(jì)中材料選擇更加復(fù)雜等。

在儲(chǔ)油罐設(shè)計(jì)初期，根據(jù)地區(qū)不同，應(yīng)考慮風(fēng)荷載、雪荷載、地質(zhì)情況等因素，因地制宜進(jìn)行設(shè)計(jì)。儲(chǔ)油罐本體分為罐頂、罐壁、罐底、罐體外保溫層等幾部分。罐頂采用自支撐式帶肋球殼拱頂，按SH 3046—1992設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定：罐壁板縱向焊縫及環(huán)向連接均應(yīng)采用全熔透的對(duì)接形式，內(nèi)表面平齊。罐壁板厚沿罐體從下到上逐漸減小。立式圓筒形儲(chǔ)油罐的人孔一般設(shè)置在罐體壁最下層圈板上，直徑多為600 mm，孔中心距罐底為750 mm；與其相對(duì)的是罐體上方的采光孔，直徑多為500 mm。

儲(chǔ)油罐內(nèi)外壁均經(jīng)噴砂除銹，油罐內(nèi)壁噴涂食用級(jí)環(huán)氧樹脂漆[5]。有些過渡金屬離子(如Cu2+、Fe3+等)，對(duì)油脂的氧化酸敗有顯著的催化作用。油罐內(nèi)壁的環(huán)氧樹脂漆盡可能隔絕油脂和金屬的直接接觸，將金屬離子對(duì)油脂的影響降到最低。

在濕潤的空氣中，在氧氣以及二氧化硫、二氧化碳等環(huán)境中，鋼鐵材料極易發(fā)生氧化腐蝕和電化學(xué)腐蝕，對(duì)材料的機(jī)械性能產(chǎn)生影響，從而縮短儲(chǔ)油罐使用壽命。必要時(shí)可以將儲(chǔ)油罐置于罩棚下甚至室內(nèi)。在儲(chǔ)油罐外壁刷環(huán)氧樹脂防銹底漆。為減少陽光和高溫對(duì)油品的影響，油脂要盡量避光保存，儲(chǔ)油罐外表最好涂上白色或銀白色油漆或涂料。經(jīng)北京天維康油脂調(diào)銷中心試驗(yàn)驗(yàn)證，采用聚丙烯酸酯乳劑類隔熱反光材料能有效反射太陽光(可反射或輻射80%左右太陽光)，從而適度降低罐內(nèi)油溫，在同罐同期同等溫度條件下，可使罐內(nèi)平均溫度降低5℃左右[6]。

建設(shè)大型儲(chǔ)油罐必須考慮抗震的需要?？筛鶕?jù)GB 50341—2003對(duì)罐體的抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)。一般來說，焊縫是儲(chǔ)油罐的薄弱部分，地震經(jīng)常造成罐壁和罐壁邊緣板之間的焊縫發(fā)生破裂。當(dāng)儲(chǔ)油罐下部焊縫破裂，油品迅速外泄形成真空，造成外壓失穩(wěn)顯現(xiàn)，對(duì)其他部件造成影響。除此之外，罐壁也可能會(huì)因?yàn)榈卣疠d荷產(chǎn)生的屈曲，在內(nèi)部油品的壓力下造成罐壁外鼓，形成膨脹節(jié)。根據(jù)國標(biāo)中的規(guī)范要求，通過合理選取參數(shù)著重對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行抗震驗(yàn)算，以保證大型儲(chǔ)油罐的使用安全。

大型儲(chǔ)油罐在設(shè)計(jì)時(shí)要考慮充水試驗(yàn)條件。呼吸閥或者進(jìn)氣口的通氣量要考慮罐體的大小和放水速度，避免因放水速度過快造成儲(chǔ)油罐變形。

儲(chǔ)油罐在充水試驗(yàn)中要檢查下列內(nèi)容：①罐底的嚴(yán)密性。對(duì)罐底焊縫進(jìn)行真空試漏并在充水試驗(yàn)過程中罐底無滲漏為合格，若發(fā)現(xiàn)滲漏，按規(guī)定補(bǔ)焊；②罐頂嚴(yán)密性及強(qiáng)度試驗(yàn)應(yīng)在設(shè)計(jì)最高液位下1 m時(shí)進(jìn)行緩慢充水升壓，以罐頂無變形、無滲漏為合格，試驗(yàn)后立即恢復(fù)常壓，使罐頂與大氣相通；③罐頂穩(wěn)定性試驗(yàn)應(yīng)在水位達(dá)到罐頂邊梁后放水，在罐內(nèi)空間達(dá)到試驗(yàn)負(fù)壓后，以罐頂無異常變形為合格，試驗(yàn)后立即恢復(fù)常壓，使罐頂與大氣相通；④對(duì)基礎(chǔ)的沉降觀測，罐壁強(qiáng)度及嚴(yán)密性試驗(yàn)。應(yīng)以充水到設(shè)計(jì)最高液位并保持48 h后，試驗(yàn)時(shí)罐壁無異常變形、無滲漏為合格。若發(fā)現(xiàn)滲漏時(shí)應(yīng)放水，使液面比滲漏處低300 mm左右，并按規(guī)定進(jìn)行焊接修補(bǔ)。

1.2 保護(hù)系統(tǒng)

空氣中的氧氣是引起油脂氧化酸敗的主要因素之一。油脂儲(chǔ)存期間，為減少空氣中氧氣對(duì)油脂的影響，最為有效的方法是采用保護(hù)氣體置換空氣中的氧氣。氮?dú)庾鳛橐环N惰性氣體，可以降低儲(chǔ)油罐內(nèi)氧氣分壓，減緩油脂氧化，有利于保證油品的品質(zhì)[7-11]。

在一些較大的油庫設(shè)計(jì)中，均設(shè)置有氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)。氮?dú)夤芫€宜采用無縫鍍鋅管材或者無縫不銹鋼管材，應(yīng)盡量避免過多的折彎，以減少過程中對(duì)氮?dú)獾淖枇?。根?jù)油層上部空氣氣壓，調(diào)節(jié)一定量的氮?dú)馔ㄟ^頂部或者底部通入罐體，置換儲(chǔ)油罐中的空氣，在油層上方形成惰性氣體的保護(hù)環(huán)境。頂部充氮只能使油品上部氧氣濃度降低，而無法去除混在油脂內(nèi)部的氧氣。而底部充氮會(huì)使得整個(gè)油罐內(nèi)的油脂與氮?dú)獬浞只旌?，盡可能排出溶解在油脂中的氧氣，帶走油脂中的水分及揮發(fā)性雜質(zhì)。鎮(zhèn)江糧庫對(duì)油罐頂部與底部充氮工藝的試驗(yàn)證明，底部充氮工藝更有利于植物油的長期儲(chǔ)存[7]。

在氮?dú)獗Ｗo(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，目前最常用的方式是在油罐頂部采用氮封系統(tǒng)，氮封系統(tǒng)通常根據(jù)《石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)》[12]和HG/T 20570—1995《工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》[13]進(jìn)行設(shè)計(jì)。在工程中，一般氮封系統(tǒng)包含儲(chǔ)油罐、氮?dú)膺^濾系統(tǒng)、氮封閥、泄氮閥、壓力檢測儀表等[14]。

除了氮封系統(tǒng)之外，充氮保護(hù)系統(tǒng)還包括呼吸閥與緊急泄壓人孔。呼吸閥在進(jìn)油和充氮作業(yè)時(shí)打開，保持油罐處于常壓狀態(tài)，作業(yè)結(jié)束后關(guān)閉以保證儲(chǔ)油罐密閉儲(chǔ)存。緊急泄壓人孔是充氮系統(tǒng)的保護(hù)裝置，用于呼吸閥失效情況下保證儲(chǔ)油罐不會(huì)爆裂或變形。緊急泄壓人孔屬于快速泄壓裝置，主要技術(shù)性能與工作原理等與普通人孔相同。當(dāng)呼吸閥不能正常工作且罐內(nèi)壓力急劇增大時(shí)，泄壓人孔的泄壓蓋自動(dòng)頂開，進(jìn)行緊急泄壓。

有時(shí)為防止氮封閥和(或)泄氮閥以及呼吸閥等裝置失靈而出現(xiàn)儲(chǔ)罐內(nèi)超壓或負(fù)壓情況，可在系統(tǒng)中增加液封裝置等安全設(shè)施。液封裝置類似于U型管，當(dāng)罐內(nèi)壓力發(fā)生變化時(shí)，U型管內(nèi)液體位置隨著壓力的變化進(jìn)行改變。

氮?dú)鉂舛葯z測在整個(gè)氮?dú)鈨?chǔ)存中至關(guān)重要，檢測位置過高會(huì)增加能耗，過低則會(huì)影響整個(gè)罐體的氮?dú)鉂舛?。所以，安裝氮?dú)鉂舛葌鞲衅鞯妮^佳位置應(yīng)該是距離油面35～45 cm，因?yàn)榇宋恢么砉摅w整體的濃度，可以反映罐體內(nèi)部的真實(shí)氮?dú)鉂舛?，以保證罐體內(nèi)氮?dú)庥行舛?，同時(shí)提高氮?dú)赓Y源的利用率。

充氮所用氮?dú)鈶?yīng)符合GB 29202—2012《食品安全國家標(biāo)準(zhǔn) 食品添加劑 氮?dú)狻返囊?，具體見表2、表3。

表2 氮?dú)飧泄僖骩15]

表3 氮?dú)獾睦砘笜?biāo)[15]

制氮系統(tǒng)應(yīng)采用無油或微油型設(shè)備，并設(shè)計(jì)除油除菌系統(tǒng)，保證氮?dú)獾男l(wèi)生安全指標(biāo)。另外，鑒于目前國家對(duì)環(huán)境保護(hù)的要求，建議增加儲(chǔ)油罐排空時(shí)廢氣回收系統(tǒng)。儲(chǔ)油罐排空時(shí)廢氣主要包括儲(chǔ)存過程中揮發(fā)的溶劑氣體、揮發(fā)性脂肪酸等，可以參考化工揮發(fā)性有機(jī)化合物處理方法，采用活性吸附法、引風(fēng)高空排放法、吸收除氣法、冷凝收集法、生物處理法等方法進(jìn)行處理。

1.3 加熱系統(tǒng)

部分植物油如棕櫚油常溫下為固態(tài)，需要加熱熔化才能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)油罐的正常進(jìn)出油，另外在北方冬季也需對(duì)儲(chǔ)油罐進(jìn)行加熱，降低油脂黏稠度，保證正常進(jìn)出油作業(yè)。在大型油脂儲(chǔ)備中心，常采用加熱水蒸氣作為熱介質(zhì)，廠區(qū)內(nèi)室外蒸汽管網(wǎng)選用無縫鋼管，熱水系統(tǒng)采用螺旋焊鋼管。推薦采用高、中支架架空敷設(shè)，管道保溫采用巖棉管殼外加金屬保護(hù)層。沿廠區(qū)內(nèi)管架橋敷設(shè)，選用巖棉保溫層，厚度按規(guī)范設(shè)置，外設(shè)彩板保護(hù)層。加熱管盡可能靠近罐壁布置。

目前國內(nèi)植物油大型儲(chǔ)油罐，加熱管排布方式有蛇形環(huán)繞式和水平排管式[16]。在北方寒冷地區(qū)，一般兩種形式同時(shí)采用。但水平排管式的法蘭連接及焊接結(jié)構(gòu)處易漏，影響正常作業(yè)。這是因?yàn)榧訜峁芄鼙谳^薄(3～3.5 mm)，焊縫質(zhì)量較差以及彎管處蒸汽腐蝕和水擊沖蝕作用導(dǎo)致。對(duì)此種形式的加熱器，趙鳳鳴[16]在結(jié)構(gòu)和工藝上作了相應(yīng)的改進(jìn)，如增加管壁厚度，彎頭壁厚稍大1～2 mm，彎管處采用無縫沖壓彎頭，并切割成所需90°～120°角度來聯(lián)接各蒸汽管，盡可能減少蒸汽腐蝕和水擊沖蝕。

在國外，如意大利、西班牙等地區(qū)采用罐中罐的形式對(duì)儲(chǔ)油罐進(jìn)行加熱。在較大儲(chǔ)油罐中，增加一個(gè)體積較小的油罐，在小油罐中配備較多的加熱盤管進(jìn)行加熱，儲(chǔ)油罐中的油通過小油罐進(jìn)行預(yù)熱后泵出油罐。該小油罐起到加熱器的作用，保證了小油罐中油的溫度和流動(dòng)性，可以節(jié)約70%左右的蒸汽[17]。

1.4 進(jìn)出油系統(tǒng)

進(jìn)出油系統(tǒng)是油罐的工作組件，通常與其他系統(tǒng)協(xié)同工作。進(jìn)油時(shí)，應(yīng)采用從罐底進(jìn)油并裝滿儲(chǔ)油罐，使油脂進(jìn)入儲(chǔ)油罐時(shí)與空氣的接觸降至最低，避免裹挾大量空氣進(jìn)入油中。通常在進(jìn)油過程中，充氮系統(tǒng)同時(shí)工作，氮?dú)馀c油一起進(jìn)入油罐，氮?dú)饬髁繛橛土髁康?0%，從油中逸出的氮?dú)庠谟兔嫔霞?，罐?nèi)壓力增加，罐內(nèi)空氣通過頂部的呼吸閥排出。通過雷達(dá)液位計(jì)監(jiān)控罐內(nèi)液位高度，進(jìn)油量達(dá)到油罐直壁頂端，則應(yīng)停止進(jìn)油，而充氮系統(tǒng)仍需繼續(xù)工作，直至將罐頂部的空氣從呼吸閥徹底趕出。

長期儲(chǔ)存的棕櫚油等高熔點(diǎn)油或在寒冷地區(qū)冬季出油時(shí)，需提前24 h對(duì)油進(jìn)行加熱，出油時(shí)打開出油管閥門，油被泵抽出或自流到罐車，隨著罐內(nèi)油位降低，真空度增加，罐頂呼吸閥打開，空氣進(jìn)入罐中，保持儲(chǔ)油罐內(nèi)的常壓狀態(tài)，當(dāng)儲(chǔ)油罐內(nèi)的油出凈時(shí)及時(shí)停泵，關(guān)閉出油閥。如果只發(fā)運(yùn)罐內(nèi)一部分油，則應(yīng)在發(fā)油結(jié)束后通過進(jìn)油管為油罐補(bǔ)充氮?dú)?，保持罐?nèi)充滿氮?dú)獾臓顟B(tài)。

儲(chǔ)油罐在儲(chǔ)存油脂期間，應(yīng)定期通過液位計(jì)和溫度計(jì)量儀對(duì)罐內(nèi)的液位和溫度進(jìn)行記錄和監(jiān)控，防止出現(xiàn)跑油和儲(chǔ)存溫度過高的情況，并定期向罐內(nèi)補(bǔ)充氮?dú)?，保持罐?nèi)充滿氮?dú)狻?/p>

1.5 計(jì)量、監(jiān)測系統(tǒng)

除了作業(yè)模塊之外，儲(chǔ)油罐的監(jiān)測系統(tǒng)也是重要的組成部分。儲(chǔ)油罐監(jiān)測包括油品質(zhì)量、油品溫度、罐內(nèi)可燃?xì)怏w濃度等。傳統(tǒng)儲(chǔ)油罐計(jì)量的方式是人工檢尺法，但是人工檢尺法受測量人技術(shù)水平和熟練程度的影響較大。目前，大型儲(chǔ)油罐多數(shù)采用自動(dòng)計(jì)量的方式。儲(chǔ)油罐的自動(dòng)計(jì)量方法可分為液位計(jì)法、靜壓法以及混合法[18]。液位計(jì)法通過測量油脂的高度，進(jìn)一步計(jì)算得到油脂的質(zhì)量；靜壓法是通過罐底部的壓力傳感器測得油脂底部壓力，進(jìn)一步計(jì)算得到油脂質(zhì)量?；旌戏ㄊ菍⑸鲜鰞煞N方法結(jié)合，是自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)中功能最全面、精度最高和可靠性最好的方法，但成本較高。在一些條件較好的油庫中，采用雷達(dá)液位計(jì)得到油脂高度，多點(diǎn)溫度計(jì)測得儲(chǔ)油罐的內(nèi)油脂溫度，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)綜合計(jì)算出油脂平均密度、平均油溫、儲(chǔ)油質(zhì)量等物理參數(shù)，能對(duì)油溫度跟蹤，密度補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)油的動(dòng)態(tài)計(jì)量，誤差低至2 mm，而且還能應(yīng)用于密閉充氮儲(chǔ)存的高檔油品。

儲(chǔ)存溫度是影響油脂儲(chǔ)存過程中品質(zhì)變化的重要影響因素。因此，對(duì)大型儲(chǔ)油罐油溫的監(jiān)測在生產(chǎn)過程中十分重要。大型儲(chǔ)油罐體量大，油溫分布不均勻。對(duì)于油溫的監(jiān)測應(yīng)分為多點(diǎn)監(jiān)測，在儲(chǔ)油罐的上部、中部、下部均應(yīng)設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，以三點(diǎn)平均溫度客觀評(píng)價(jià)儲(chǔ)油罐油溫。

含有溶劑的植物油在儲(chǔ)藏過程中，隨著時(shí)間和溫度的變化，油脂中的溶劑揮發(fā)出來，在儲(chǔ)油罐中聚集，并在一段時(shí)間內(nèi)達(dá)到平衡，植物油的溶劑殘留不同，溶劑平衡時(shí)的濃度不同，當(dāng)濃度達(dá)到或者接近爆炸極限時(shí)，對(duì)植物油儲(chǔ)藏存在安全隱患。儲(chǔ)油罐中應(yīng)設(shè)置可燃?xì)怏w探測器，在線監(jiān)測罐中可燃?xì)怏w濃度。

1.6 油罐檢修

采用浸出方法提取的油脂，雖然浸出油的殘溶有具體要求，但是浸出中采用的溶劑滲透性強(qiáng)，長期儲(chǔ)藏浸出法制取的植物油，罐體和管道在檢修動(dòng)火時(shí)應(yīng)注意防爆。因此，在儲(chǔ)油罐動(dòng)火檢修前，應(yīng)對(duì)儲(chǔ)油罐及其附屬管道進(jìn)行消溶。目前消溶的具體操作沒有統(tǒng)一的規(guī)定，但基本上采用蒸汽或水進(jìn)行消溶，使罐內(nèi)及其附屬管道的溶劑含量達(dá)到安全作業(yè)濃度以下。蒸汽消溶后的冷凝水也含有部分溶劑，應(yīng)統(tǒng)一集中處理。

1.7 其他

儲(chǔ)油罐在長期服役時(shí)，會(huì)因壁面腐蝕或內(nèi)部壓力變化而造成儲(chǔ)油罐罐容和壁面狀態(tài)發(fā)生改變。目前大型立式植物油儲(chǔ)油罐壁面及罐容的自動(dòng)檢測與維護(hù)等作業(yè)通常由人工完成。為了節(jié)約人力成本，科學(xué)家提出了一種新型的植物油儲(chǔ)油罐爬壁機(jī)器人，代替人工在植物油儲(chǔ)油罐內(nèi)表面進(jìn)行作業(yè)和檢測[19]。未來，智能化機(jī)器作業(yè)將成為油脂儲(chǔ)備行業(yè)的發(fā)展方向之一。

2 結(jié)束語

為了保證植物油長期儲(chǔ)存的品質(zhì)和安全，對(duì)大型儲(chǔ)油罐以及各個(gè)輔助系統(tǒng)提出了更高的要求。應(yīng)針對(duì)當(dāng)?shù)貧夂颉⑼恋匾约坝蛶熳鳂I(yè)要求，因地制宜，合理地設(shè)計(jì)儲(chǔ)油罐，節(jié)省儲(chǔ)油罐占地，避免儲(chǔ)存油脂發(fā)生氧化，延長油脂保存時(shí)間，保證植物油品質(zhì)，降低儲(chǔ)存損耗，便于生產(chǎn)管理。另外，智能化機(jī)器作業(yè)將成為油脂儲(chǔ)備行業(yè)的發(fā)展方向之一。