張 鵬 周建文

(九江石化設(shè)計(jì)工程有限公司，江西 九江 332000)

目前，石油化工行業(yè)的儲(chǔ)罐主要儲(chǔ)存易燃易爆、可燃及有毒的油品介質(zhì)。為保證儲(chǔ)罐運(yùn)行安全、減少儲(chǔ)存介質(zhì)對(duì)環(huán)境的污染，國(guó)家及石化行業(yè)出臺(tái)了許多標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，例如：《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》GB50160、《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SH/T3007)、《中國(guó)石油化工股份有限公司煉油輕質(zhì)油儲(chǔ)罐安全運(yùn)行指導(dǎo)意見(jiàn)》(石化股份煉調(diào)(2010)14號(hào)附件)。這些標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范要求儲(chǔ)罐設(shè)置的措施中氮封為主要的安全及環(huán)保措施之一。

1 氮封主要作用

一般情況下，儲(chǔ)罐設(shè)置氮封系統(tǒng)主要是從生產(chǎn)運(yùn)行安全、環(huán)境保護(hù)、產(chǎn)品質(zhì)量等方面考慮，其作用主要為：

(1)防止可燃介質(zhì)儲(chǔ)罐內(nèi)的油氣與空氣接觸形成爆炸性氣體，降低發(fā)出事故的危害性，提高儲(chǔ)罐的運(yùn)行安全。

(2)有效隔絕儲(chǔ)存易氧化、易聚合不穩(wěn)定的物料與氧氣接觸，防止生成聚合物、氧化物。

(3)隔絕空氣，防止儲(chǔ)存含硫量較高的油品產(chǎn)生的FeS自燃。

(4)保持罐內(nèi)正壓，減少油氣蒸發(fā)損耗；氮?dú)獗扔推氛羝p，儲(chǔ)罐呼吸時(shí)有效減少油氣的呼出，保護(hù)環(huán)境。

2 氮封技術(shù)

目前，儲(chǔ)罐氮?dú)饷芊饧夹g(shù)主要分為兩種，一種為壓力控制技術(shù)，另一種為氧含量控制技術(shù)。

2.1 壓力控制技術(shù)

基本原理：在儲(chǔ)罐上設(shè)置氮封系統(tǒng)，主要包括氮封閥、限流孔板、帶阻火器呼吸閥及緊急泄放孔。系統(tǒng)維持罐內(nèi)氣相空間壓力在0.4kPa左右，當(dāng)氣相空間壓力高于0.5kPa時(shí)，氮封閥關(guān)閉，停止氮?dú)夤?yīng)；當(dāng)氣相空間壓力低于0.2kPa時(shí)，氮封閥開(kāi)啟，開(kāi)始補(bǔ)充氮?dú)猓ＷC儲(chǔ)罐在正常運(yùn)行過(guò)程中不吸進(jìn)空氣[1]。

工藝流程：在每臺(tái)儲(chǔ)罐上設(shè)置先導(dǎo)式氮封閥組和限流孔板旁路，正常情況下使用氮封閥組維持罐內(nèi)氣相空間壓力。當(dāng)?shù)忾y需要檢修或故障時(shí)，使用限流孔板旁路給儲(chǔ)罐內(nèi)補(bǔ)充氮?dú)?；?dāng)?shù)忾y事故失靈不能及時(shí)關(guān)閉，造成罐內(nèi)壓力超過(guò)0.9kPa時(shí)，通過(guò)帶阻火器的呼吸閥外排；當(dāng)?shù)忾y事故失靈不能及時(shí)開(kāi)啟時(shí)，造成罐內(nèi)壓力降低至-0.3kPa時(shí)，通過(guò)帶阻火器呼吸閥向罐內(nèi)補(bǔ)充空氣，確保罐內(nèi)壓力不低于儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力低限-0.5kPa。為確保設(shè)置氮封儲(chǔ)罐事故工況下的安全排放，應(yīng)在儲(chǔ)罐上設(shè)置緊急泄放閥，緊急泄放閥定壓不應(yīng)高于儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力上限2.0kPa。

2.2 氧含量控制技術(shù)

基本原理：在儲(chǔ)罐上設(shè)置氮封系統(tǒng)，主要包括氧氣濃度檢測(cè)器、氮?dú)饪刂崎y、限流孔板。系統(tǒng)維持罐內(nèi)氣相空間氧氣濃度不大于5%，消除爆炸條件。

工藝流程：在儲(chǔ)罐內(nèi)安裝氧氣檢測(cè)器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)儲(chǔ)罐內(nèi)氣相空間氧氣濃度，同時(shí)將高濃度報(bào)警與氮?dú)夤艿揽刂崎y門(mén)聯(lián)鎖。當(dāng)氧氣濃度達(dá)到高濃度值時(shí)報(bào)警，聯(lián)鎖打開(kāi)氮?dú)忾y門(mén)，向儲(chǔ)罐內(nèi)補(bǔ)充氮?dú)?，直至檢測(cè)指標(biāo)達(dá)到設(shè)定要求時(shí)聯(lián)鎖關(guān)閉氮?dú)忾y門(mén)。補(bǔ)充氮?dú)獾牧髁靠刂剖褂孟蘖骺装?，流量宜控制不小于油品出罐流?若有聯(lián)通管道，氮?dú)饬髁坎恍∮谝后w流量差)，且Q不應(yīng)小于100m3/h，氮?dú)夤艿赖墓軓綖镈N50，氮?dú)獾牟僮鲏毫?.5MPa。氧氣濃度監(jiān)測(cè)信號(hào)引入控制室，控制室設(shè)氧氣濃度超標(biāo)報(bào)警儀。

3 氮封氣用量計(jì)算

氮封系統(tǒng)設(shè)置需正確計(jì)算氮?dú)庥昧?，為產(chǎn)氮設(shè)備選型或廠區(qū)氮?dú)馄胶馓峁?zhǔn)確的技術(shù)參數(shù)。儲(chǔ)罐氮封用氮量基本由兩部分組成，一部分是由機(jī)泵抽出液體需補(bǔ)充的氣體量，第二部分是由氣溫變化引起罐內(nèi)氣體冷凝所需補(bǔ)充的氣量。

目前，儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)氮?dú)庥昧坑?jì)算主要方法如下。

3.1 計(jì)算方法一

此方法為《石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)》[2]中氣封計(jì)算方法，主要依據(jù)按照美國(guó)石油協(xié)會(huì)API標(biāo)準(zhǔn)2000中規(guī)定進(jìn)行估算。這種估算方法基準(zhǔn)是允許罐內(nèi)氣體每小時(shí)溫度變化37.8℃，是偏于保守的估算方法，且此中估算方法只適用與拱頂罐或其它固定頂罐，不適用內(nèi)浮頂罐。

即：Q=Q1+Q2其中，Q為氮?dú)庀牧?，m3/h；

Q1為泵抽出儲(chǔ)罐內(nèi)液體所需要補(bǔ)充的氣體量，m3/h；

Q2為環(huán)境溫度變化而產(chǎn)生的儲(chǔ)罐內(nèi)氣體熱脹冷縮所需補(bǔ)充的氣量，m3/h。當(dāng)儲(chǔ)罐容積小于3180m3時(shí)，Q2=0.178V；當(dāng)儲(chǔ)罐容量大于3180m3時(shí)，Q2=0.6S。式中V為儲(chǔ)罐最大容積，m3；S為儲(chǔ)罐罐壁和罐頂表面積之和，m2。

此估算方法與《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SH/T3007)[3]規(guī)定儲(chǔ)罐通氣管或呼吸閥的通氣量確定方法基本一致。規(guī)范《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定儲(chǔ)罐呼吸閥的吸氣量不得小于液體出罐時(shí)的最大出液量所造成的空氣吸入量加上因大氣最大溫降導(dǎo)致罐內(nèi)氣體收縮所造成儲(chǔ)罐吸入的空氣量，儲(chǔ)罐吸入或呼出空氣量可按下表確定：

表1 罐熱呼吸通氣需要量

3.2 計(jì)算方法二

根據(jù)關(guān)于印發(fā)《石油化工儲(chǔ)運(yùn)罐區(qū)罐頂油氣連通安全技術(shù)要求(試行)》的通知(中國(guó)石化安技(2018)33號(hào))[4]的有關(guān)規(guī)定，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)存儲(chǔ)的物料被泵抽出和(或)由于外界溫度降低時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)氣體冷凝或收縮，需要補(bǔ)入氮?dú)?。氮?dú)庋a(bǔ)充速率根據(jù)氮封采取的不同措施分為三種級(jí)別。

1)三種氮封級(jí)別的補(bǔ)氮速率計(jì)算公式如下：

V1=0.1C×Ri×Vtk0.7+Vpe

V2=0.2C×Ri×Vtk0.7+Vpe

V3=0.5C×Ri×Vtk0.7+Vpe

其中，V1、V2、V3分別為級(jí)別1、2、3的氮封流量，m3/h；

C為儲(chǔ)存因子，與物料的蒸汽壓、儲(chǔ)存溫度和儲(chǔ)罐地理緯度相關(guān)，見(jiàn)表2：

表2 儲(chǔ)存因子C

Ri為儲(chǔ)罐絕熱消減因子，與儲(chǔ)罐采取的保溫(保冷)方式相關(guān)；

-當(dāng)儲(chǔ)罐無(wú)保溫時(shí)：Ri=1；

-當(dāng)儲(chǔ)罐整體采用保溫時(shí)：Ri=1/(1+h·lin/λin)；

其中，h是是內(nèi)部熱傳導(dǎo)系數(shù)，單位：W/m2·k；對(duì)于典型儲(chǔ)罐通常取4W/(m2·k)；lin是保溫層厚度，單位m；λin是保溫層的熱導(dǎo)率，W/(m·k)。

-當(dāng)儲(chǔ)罐部分采用保溫時(shí)：Ri=(Ainp/ATTS)·[1/(1+h·lin/λin)]+(1-Ainp/ATTS)；

其中，ATTS是儲(chǔ)罐的總表面積(罐壁及罐頂)，單位：m2；Ainp是儲(chǔ)罐保溫層面積，單位：m2；

Vtk為儲(chǔ)罐容積，單位：m3；

Vpe為最大泵出量，單位：m3/h。

2)三種氮封級(jí)別配套安全措施

對(duì)于采用第一級(jí)別補(bǔ)氮速率的儲(chǔ)罐，應(yīng)采取以下安全措施：

(1)設(shè)置儲(chǔ)罐氣相空間壓力低報(bào)警，報(bào)警值為呼吸閥設(shè)定負(fù)壓；

(2)設(shè)置在線(xiàn)氧含量監(jiān)測(cè)；

(3)呼吸閥阻火器應(yīng)為長(zhǎng)時(shí)間耐燒型大氣爆燃阻火器，阻火等級(jí)為ⅡA，耐燒時(shí)間不低于2小時(shí)。

對(duì)于采用第二級(jí)別補(bǔ)氮速率的儲(chǔ)罐，應(yīng)采取以下安全措施：

(1)設(shè)置儲(chǔ)罐氣相空間壓力低報(bào)警，并聯(lián)鎖切斷儲(chǔ)罐出料；

(2)呼吸閥應(yīng)安裝大氣爆燃阻火器，阻火等級(jí)為ⅡA型。

對(duì)于采用第三級(jí)別補(bǔ)氮速率的儲(chǔ)罐，應(yīng)采取以下安全措施：

(1)補(bǔ)氮速率應(yīng)能確保儲(chǔ)罐壓力處于大氣壓力以上；

(2)應(yīng)設(shè)置儲(chǔ)罐壓力低報(bào)警，并聯(lián)鎖切斷儲(chǔ)罐出料，聯(lián)鎖壓力應(yīng)高于大氣壓；

(3)壓力監(jiān)測(cè)報(bào)警聯(lián)鎖系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)；

4 實(shí)例

江西某煉化廠成品罐組布置了2臺(tái)5000m3的儲(chǔ)存苯乙烯的內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐操作溫度為13℃，罐整體保溫(泡沫玻璃，50mm厚)，直徑為22.5m，壁高為14m，拱高2.46m，罐頂曲率半徑27m。儲(chǔ)罐設(shè)置氮封設(shè)施，氮封設(shè)置采用壓力控制方案，主要設(shè)施包括氮封閥、呼吸閥、單呼閥、緊急泄放孔。氮封閥開(kāi)啟壓力為0.2kPa，關(guān)閉壓力為0.5kPa。罐組儲(chǔ)罐設(shè)置氣相聯(lián)通管。罐組配套機(jī)泵最大輸送量為360m3/h。當(dāng)?shù)厝昶骄鶜鉁貫?7.2℃，夏季極端最高氣溫40.9℃，冬季極端最低氣溫-9.7℃，歷年最熱月平均溫度(7月)29.4℃，歷年最冷月平均溫度(1月)4.1℃。

4.1 采用計(jì)算方法一

氮?dú)庥昧浚篞=Q1+Q2

其中：Q1=360m3/h；

Q2=2×0.6S=2×0.6×(3.14×22.5×14+2×3.14×27×2.46)=1687.46m3/h

則：Q=Q1+Q2=360+1687.46=2047.46m3/h

4.2 采用計(jì)算方法二

根據(jù)儲(chǔ)罐附件配置情況，采用第二級(jí)別補(bǔ)氮速率進(jìn)行計(jì)算：

V2=2×0.2C×Ri×Vtk0.7+Vpe

其中：儲(chǔ)存因子C據(jù)表查得為6.5

儲(chǔ)罐整體采用保溫：Ri=1/(1+h·lin/λin)

其中：h取常規(guī)值4W/m2·k；lin為保溫層厚度0.05m；λin是保溫層的熱導(dǎo)率0.058W/(m·k)

則：Ri=1/(1+4×0.05÷0.058)=0.225

Vtk為儲(chǔ)罐容積5000m3；

Vpe為最大泵出量360m3/h；

則：V2=2×0.2C×Ri×Vtk0.7+Vpe=2×0.2×6.5×0.225×50000.7+360=587.2m3/h

根據(jù)實(shí)例計(jì)算結(jié)果可知，方法一中氮封用量計(jì)算值比方法二計(jì)算值大。方法一為估算值，未考慮儲(chǔ)罐保溫、儲(chǔ)存溫度及環(huán)境溫度等因素的影響，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏大?，F(xiàn)實(shí)中，工廠企業(yè)所需氮?dú)鈱?shí)際用量也遠(yuǎn)小于方法一計(jì)算值。因此，如需選配制氮設(shè)施時(shí)，建議采用方法二進(jìn)行計(jì)算。

5 結(jié)語(yǔ)

儲(chǔ)罐設(shè)置氮封既能有效減少油氣的揮發(fā)、提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，也能保證產(chǎn)品的質(zhì)量及生產(chǎn)運(yùn)行安全、保護(hù)環(huán)境，符合國(guó)家環(huán)保政策。

儲(chǔ)罐選配需從經(jīng)濟(jì)、安全及實(shí)用等方面統(tǒng)籌考慮，對(duì)于可通過(guò)選用內(nèi)浮頂罐滿(mǎn)足要求的，盡量選用內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐；對(duì)于需設(shè)置氮封設(shè)施的，必須合理配置氮封閥、呼吸閥、緊急泄放孔等儲(chǔ)罐附件且準(zhǔn)確確定各附件技術(shù)參數(shù)。儲(chǔ)罐可通過(guò)設(shè)置保溫、噴淋設(shè)施、氣相連通管等設(shè)施減少油氣蒸發(fā)損耗，節(jié)約氮?dú)庥昧俊?/p>