岳建祥

中石化江蘇油建工程有限公司，江蘇揚(yáng)州 225126

天然氣氣封系統(tǒng)在原油儲(chǔ)罐呼吸中的應(yīng)用

岳建祥

中石化江蘇油建工程有限公司，江蘇揚(yáng)州 225126

通過分析原油儲(chǔ)罐在運(yùn)行過程中出現(xiàn)大小呼吸的原因及原油儲(chǔ)罐罐頂安裝呼吸閥解決大小呼吸時(shí)存在的安全隱患及大氣污染等缺點(diǎn)，提出了利用天然氣氣封系統(tǒng)解決上述問題的方法。當(dāng)儲(chǔ)罐氣體壓力高于氣封壓力時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)氣體通過泄壓閥自動(dòng)排入火炬水封罐內(nèi)；當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)氣體冷凝或收縮導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)壓力下降并低于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，通過補(bǔ)氣系統(tǒng)中的旋風(fēng)分離器分離出的天然氣對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行補(bǔ)氣封，以阻止外界氣體進(jìn)入。該系統(tǒng)已在中石化加蓬A(yù)KONDO油田儲(chǔ)罐中成功應(yīng)用，有效解決了傳統(tǒng)罐頂安裝呼吸閥導(dǎo)致的排氣對(duì)周圍空氣的污染和吸氣造成罐內(nèi)空氣和油蒸氣混合的情況，避免了儲(chǔ)罐的脹罐和癟罐的發(fā)生，為儲(chǔ)罐吸氣、排氣現(xiàn)象引起的安全和環(huán)保問題提供了一種新的解決思路。

原油儲(chǔ)罐；吸氣；排氣；天然氣氣封系統(tǒng)

原油儲(chǔ)罐在運(yùn)行過程中由于收、發(fā)油或環(huán)境溫度、壓力變化會(huì)出現(xiàn)補(bǔ)氣、排氣現(xiàn)象（俗稱大小呼吸），國(guó)內(nèi)通常采用在原油儲(chǔ)罐罐頂安裝呼吸閥的方式。而這種方式在排氣過程中對(duì)大氣造成污染，在吸氣過程中會(huì)形成空氣和油蒸氣的混合氣體，存在一定的危險(xiǎn)性。本文通過分析大小呼吸的成因，提出采用天然氣氣封系統(tǒng)解決原油儲(chǔ)罐的補(bǔ)氣、排氣問題，并已在中石化加蓬A(yù)KONDO油田生產(chǎn)儲(chǔ)罐設(shè)施中成功應(yīng)用。

1 原油儲(chǔ)罐出現(xiàn)大小呼吸的原因

1.1 儲(chǔ)罐大呼吸

大呼吸是指在原油儲(chǔ)罐收、發(fā)油作業(yè)時(shí)的呼吸。原油儲(chǔ)罐進(jìn)油時(shí)，由于油面逐漸升高，氣體空間逐漸減小，罐內(nèi)壓力增大，當(dāng)壓力超過呼吸閥控制壓力時(shí)，一定濃度的油蒸氣開始從呼吸閥呼出，直至罐內(nèi)壓力低于呼吸閥控制壓力時(shí)停止。原油儲(chǔ)罐向外發(fā)油時(shí)，由于油面不斷降低，氣體空間逐漸增大，罐內(nèi)壓力減小，當(dāng)壓力小于呼吸閥控制值時(shí)，原油儲(chǔ)罐開始吸入新鮮空氣，由于油面上方空間油氣沒有達(dá)到飽和，促使油品蒸發(fā)加速，使其重新達(dá)到飽和，罐內(nèi)壓力再次上升，造成部分油蒸氣從呼吸閥呼出。

1.2 儲(chǔ)罐小呼吸

小呼吸是指在原油儲(chǔ)罐沒有收、發(fā)油作業(yè)情況下的呼吸，由于外界氣溫、壓力在一天內(nèi)會(huì)有周期性升降，因而罐內(nèi)氣體空間溫度、油品蒸發(fā)速度、油氣濃度和蒸氣壓力也隨之變化，這種變化會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)油蒸氣的呼出和空氣的吸入[1]。

2 罐頂安裝呼吸閥存在的問題

不管是大呼吸還是小呼吸，都是罐內(nèi)壓力與罐頂呼吸閥的控制壓力平衡的結(jié)果。當(dāng)出現(xiàn)罐內(nèi)壓力超過罐頂呼吸閥控制壓力時(shí)，此過程中排放出的油蒸氣會(huì)造成周圍大氣的環(huán)境污染[2]。而當(dāng)原油儲(chǔ)罐內(nèi)壓力小于呼吸閥控制值時(shí)，此過程會(huì)造成原油儲(chǔ)罐上部氣相空間形成空氣和油蒸氣的混合氣體，如當(dāng)混合氣體濃度處于爆炸極限時(shí)可能會(huì)由于靜電作用或者操作不當(dāng)造成的明火導(dǎo)致油罐爆炸。

當(dāng)罐頂呼吸閥呼氣和排氣設(shè)置壓力失靈時(shí)，也可能造成呼吸閥動(dòng)作不靈敏從而導(dǎo)致脹罐癟罐的發(fā)生：當(dāng)罐內(nèi)壓力大于呼吸閥設(shè)置的排氣壓力時(shí)呼吸閥未動(dòng)作會(huì)造成脹罐，當(dāng)罐內(nèi)壓力小于呼吸閥設(shè)置的吸氣壓力時(shí)呼吸閥未動(dòng)作會(huì)造成癟罐。

3 天然氣氣封系統(tǒng)的應(yīng)用

針對(duì)傳統(tǒng)采用罐頂安裝呼吸閥解決儲(chǔ)罐大小呼吸的方式存在的不足，結(jié)合加蓬A(yù)KONDO油田生產(chǎn)設(shè)施項(xiàng)目環(huán)保和安全要求較高的實(shí)際情況，在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行分析和論證，最終提出了在加蓬項(xiàng)目中應(yīng)用天然氣氣封系統(tǒng)來解決傳統(tǒng)呼吸閥的不足之處。

3.1 天 然氣氣封系統(tǒng)工作原理

天然氣氣封系統(tǒng)主要由火炬水封罐、旋風(fēng)分離器、對(duì)應(yīng)的低壓管網(wǎng)、補(bǔ)氣系統(tǒng)和排氣系統(tǒng)等組成。當(dāng)儲(chǔ)罐進(jìn)油或由于外界溫度升高使儲(chǔ)罐內(nèi)液體氣化而使罐內(nèi)氣體壓力高于氣封壓力時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)氣體通過泄壓閥自動(dòng)排入火炬水封罐內(nèi)。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)原油被泵抽出或由于外界溫度降低，儲(chǔ)罐內(nèi)氣體冷凝或收縮導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)壓力下降并低于系統(tǒng)設(shè)定值時(shí)，通過旋風(fēng)分離器分離出的天然氣對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行氣封氣的補(bǔ)入，阻止外界氣體進(jìn)入。常用的氣封氣包括氮?dú)?、天然氣等，考慮到儲(chǔ)罐內(nèi)原油的性質(zhì)以及進(jìn)站原油分離出的伴生氣較多，天然氣作為氣封氣較為安全和經(jīng)濟(jì)，本項(xiàng)目采用天然氣作為氣封氣。

3.2 天然氣氣封系統(tǒng)在儲(chǔ)罐排氣中的應(yīng)用

本項(xiàng)目共涉及3座1 000 m3原油儲(chǔ)罐，設(shè)計(jì)壓力為（-600 Pa，+2 160 Pa）。其排氣系統(tǒng)工藝流程見圖1（以其中1座儲(chǔ)罐為例）。

圖1 原油儲(chǔ)罐排氣系統(tǒng)工藝流程

當(dāng)由于進(jìn)油或環(huán)境溫度、壓力變化引起儲(chǔ)罐內(nèi)壓力出現(xiàn)正壓時(shí)（如為微正壓時(shí)則保持其罐內(nèi)壓力），如罐內(nèi)壓力繼續(xù)上升并達(dá)到突破火炬水封罐水封壓力時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)氣體則通過罐頂?shù)姆趴展艿琅欧胖粱鹁嫦到y(tǒng)的水封罐內(nèi)并同時(shí)突破水封壓力至火炬筒體燃燒。本項(xiàng)目水封罐設(shè)計(jì)水封高度為80～110 mm，實(shí)際運(yùn)行中為100 mm。因此當(dāng)罐內(nèi)壓力繼續(xù)上升至980 Pa左右時(shí)，罐內(nèi)氣體開始突破水封罐至火炬筒體燃燒。如出現(xiàn)事故工況，導(dǎo)致突破水封也無法使原油儲(chǔ)罐的壓力正常泄放而致使儲(chǔ)罐內(nèi)壓力繼續(xù)上升，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力上升至+1 960 Pa時(shí)，罐頂安裝的液壓安全閥則會(huì)動(dòng)作，罐頂壓力將使液壓安全閥內(nèi)部分液壓油被頂出，從而使罐內(nèi)壓力得到釋放。

此方案在加蓬A(yù)KONDO現(xiàn)場(chǎng)接近2年的應(yīng)用表明，當(dāng)罐內(nèi)壓力上升至980 Pa左右時(shí)，便通過突破水封至火炬筒體燃燒，并將罐內(nèi)壓力穩(wěn)定在980 Pa以下，而液壓安全閥基本無需動(dòng)作。因而在儲(chǔ)罐正壓過程中不會(huì)有油蒸氣排出罐外，避免了儲(chǔ)罐安裝呼吸閥的頻繁排氣對(duì)周圍大氣環(huán)境的污染，同時(shí)避免了脹罐事故。

3.3 天然氣氣封系統(tǒng)在儲(chǔ)罐補(bǔ)氣中的應(yīng)用

針對(duì)儲(chǔ)罐由于發(fā)油或溫度、壓力變化導(dǎo)致罐內(nèi)壓力下降的情況，通過旋風(fēng)分離器分離出的天然氣對(duì)儲(chǔ)罐系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)氣。補(bǔ)氣系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有自力式調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)切斷閥和罐頂液壓安全閥等。

3.3.1 補(bǔ)氣量的計(jì)算

對(duì)于極端工況下儲(chǔ)罐系統(tǒng)需要的補(bǔ)氣量，根據(jù)SY/T 0511.1-2010《石油儲(chǔ)罐附件第1部分》附錄A.5.1中呼吸閥通氣量的計(jì)算方法計(jì)算[3]。

3座1 000 m3的原油儲(chǔ)罐放空管道是聯(lián)通的，儲(chǔ)罐總?cè)莘e為3 000 m3，放空管容積約100 m3，SY/T 0511.1-2010中容積小于3 200 m3油罐的通氣量變化計(jì)算公式為：

式中：Q為由于氣溫變化（包括驟降大雨致使油氣溫度下降）引起的通氣量變化，m3/h；V為儲(chǔ)罐總?cè)莘e，按氣相空間總?cè)莘e考慮，m3。

本文按最不利工況，即3座罐都為空罐時(shí)加上放空管道體積考慮，則有：

Q=0.178×3 100=552（m3/h）

因此在3座儲(chǔ)罐都為空罐，同時(shí)又驟降暴雨的極端工況下，儲(chǔ)罐的補(bǔ)氣量取值為600 m3/h。

3.3.2 補(bǔ)氣系統(tǒng)

原油儲(chǔ)罐補(bǔ)氣系統(tǒng)工藝流程見圖2（以其中1座儲(chǔ)罐為例）。

圖2 原油儲(chǔ)罐補(bǔ)氣系統(tǒng)工藝流程

儲(chǔ)罐補(bǔ)氣系統(tǒng)中自力式調(diào)節(jié)閥補(bǔ)氣調(diào)節(jié)范圍為0～600 m3/h，電動(dòng)切斷閥開啟、關(guān)閉壓力為200 Pa、600 Pa，罐頂液壓安全閥補(bǔ)氣動(dòng)作壓力為-490 Pa。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力下降至200 Pa以下時(shí)，電動(dòng)切斷閥自動(dòng)打開，隨后自力式調(diào)節(jié)閥通過閥后取壓管取壓使閥門動(dòng)作并打開對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行補(bǔ)氣。當(dāng)補(bǔ)氣壓力上升至600 Pa以上時(shí)，電動(dòng)切斷閥關(guān)閉，停止對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行補(bǔ)氣。當(dāng)出現(xiàn)事故工況導(dǎo)致儲(chǔ)罐系統(tǒng)壓力繼續(xù)下降，下降至-490 Pa時(shí)，罐頂液壓安全閥動(dòng)作，部分液壓油吸入罐內(nèi)使罐內(nèi)壓力得到補(bǔ)充。

此方案在加蓬A(yù)KONDO油田接近2年的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，當(dāng)罐內(nèi)壓力下降至200 Pa以下時(shí)，通過此套補(bǔ)氣系統(tǒng)完全滿足儲(chǔ)罐補(bǔ)氣需求，使儲(chǔ)罐維持在微正壓，而液壓安全閥基本無需動(dòng)作。因而在儲(chǔ)罐發(fā)油過程和環(huán)境溫度、壓力變化過程引起儲(chǔ)罐內(nèi)壓力下降過程中，避免了儲(chǔ)罐安裝呼吸閥的頻繁吸入空氣造成罐頂氣相空間存在空氣和油蒸氣，同時(shí)避免了儲(chǔ)罐由于補(bǔ)氣不足可能造成的癟罐事故。

4 結(jié)束語

在中石化加蓬A(yù)KONDO油田原油儲(chǔ)罐項(xiàng)目中天然氣氣封系統(tǒng)已安全穩(wěn)定地運(yùn)行了近2年，有效解決了傳統(tǒng)罐頂安裝呼吸閥導(dǎo)致的排氣對(duì)周圍空氣的污染和吸氣造成罐內(nèi)空氣和油蒸氣混合的情況，并最大限度地避免了由于事故工況造成的儲(chǔ)罐的脹罐和癟罐情況的發(fā)生，得到了加蓬當(dāng)?shù)厥途值母叨日J(rèn)可。

天然氣氣封系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，要加強(qiáng)對(duì)流程中涉及到的如自力式調(diào)節(jié)閥、電動(dòng)閥的維護(hù)保養(yǎng)，并加強(qiáng)對(duì)罐頂液壓安全閥油位的檢查。對(duì)于排氣系統(tǒng)水封罐的液位高度，雖然設(shè)置為自動(dòng)補(bǔ)水，但也要加強(qiáng)檢查。希望通過此實(shí)例能夠?qū)υ蛢?chǔ)罐的“大小呼吸”現(xiàn)象造成的空氣污染和可燃混合氣體情況的解決提供一種新的思路和啟示。

[1]SY/T 0511.1-2010，石油儲(chǔ)罐附件第1部分：呼吸閥[S]．

[2]何小珍.淺談?dòng)绊憙?chǔ)罐有機(jī)廢氣大小呼吸的因素及減緩措施[J].廣東化工，2006，33（7）：97-98．

[3]戴小平，徐俊.有機(jī)溶劑儲(chǔ)罐呼吸氣的計(jì)算及防治措施[J].浙江化工，2010，41（7）：27-30.

Application ofnaturalgas sealing system in crude oilstorage tank breathing

YUE Jianxiang

Sinopec Engineering&Construction Jiangsu Corporation，Yangzhou 225126，China

Based on the investigation on reasons causing working loss and standard storage loss in crude oil tanks and the analysis on shortcomings causing potentialhazards or air pollution in the resolution of installing breathing valves at the roof of crude oiltanks，we put forward an approach of using naturalgas sealing system to solve the aforesaid problems.When gas pressure in the crude oil tank is higher than that of the natural gas seal，gas will freely flow into water sealed tank of flare system through pressure relief valve.In the event of gas condensation or contraction in the crude oil tank which causing gas pressure dropping below the set value，natural gas cyclone separator will supplement gas into crude oil tank to prevent gas to flow in from outside.The natural gas sealing system has been applied in storage tanks in Sinopec Gabon AKONDO Oilfield，and has effectively solved the problem of exhaust gas pollution caused by traditional method of installation breathing valves at crude oiltank roof and the mixture problem of air and oilgas caused by crude oiltank suction.The naturalgas sealing system has also been proven effective in avoiding crude oiltank sunken or expanded.It provides a new solution for issues in terms of storage tank safety and environmentalproblems caused by the gas suction and exhaust of crude oiltank.

crude oiltank；suction；exhaust；naturalgas sealing system

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.01.017

岳建祥（1986-），男，陜西西安人，工程師，2010年畢業(yè)于西安石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，長(zhǎng)期從事油氣田地面工程建設(shè)技術(shù)管理工作。Email：358204796@qq.com

2016-07-23；

2016-11-21