常壓及低壓儲(chǔ)罐安全泄放系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

邢銀全

(重慶化工設(shè)計(jì)研究院有限公司，重慶 400039)

石油化工企業(yè)在生產(chǎn)中經(jīng)常會(huì)涉及到一些常壓及低壓儲(chǔ)罐的使用，用以進(jìn)行諸多液體產(chǎn)品和原料的貯存。石油化工行業(yè)中大部分原料和產(chǎn)品屬于易燃易爆危險(xiǎn)化學(xué)品。因此一旦設(shè)計(jì)泄放系統(tǒng)不合理，將會(huì)造成重大的安全環(huán)保事故，從而危及到人體健康與安全，導(dǎo)致無法估量的經(jīng)濟(jì)損失和人身財(cái)產(chǎn)安全。所以工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)全面準(zhǔn)確的理解石油化工過程中安全泄放系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)，從而實(shí)質(zhì)性的起到安全保護(hù)作用。

1 概述

一直以來，我國(guó)缺少專用標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范對(duì)常壓、低壓儲(chǔ)罐安全泄放系統(tǒng)工藝流程設(shè)計(jì)、安全泄放設(shè)施選型及工藝計(jì)算等方面的介紹及設(shè)計(jì)規(guī)定。由于石油化工安全泄放工況通常比較復(fù)雜，以至于工藝系統(tǒng)工程師在安全泄放系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面難于準(zhǔn)確理解及使用相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，安全泄放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力不能滿足多工況下生產(chǎn)系統(tǒng)安全泄放要求，給工廠的安全生產(chǎn)埋下了安全隱患。本文按照《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB50160-2008(2018版)、《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》SH/T3007-2014、《化工裝置工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)規(guī)定》HG/T 20570.1～ HG/T 20570.24-1995、《石油儲(chǔ)罐附件 第1部分：呼吸閥》SY/T 0511.1-2010、《卸壓和減壓系統(tǒng)指南》SY/T10043-2002、《爆破片安全裝置》GB 567.1～ GB567.4-2012、《石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》SH3009-2013、《Venting Atmospheric and Low-pressure Storage Tanks》API 2000-2014、《Sizing, Selection, and Installation of Pressure-relieving Devices》API 520-2014、《Pressure-relieving and Depressuring Systems》API 521-2014、《Welded Tanks for Oil Storage》API 650-2016、《Design and Construction of Large, Welded,Low-pressure Storage Tanks》 API 620-2014等規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)，與相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn)結(jié)合起來，綜合研究石油化工行業(yè)常壓及低壓儲(chǔ)罐安全泄放附屬設(shè)備設(shè)計(jì)運(yùn)用，供罐區(qū)以及儲(chǔ)罐等系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作者參考。

2 常壓及低壓儲(chǔ)罐安全泄放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)用

安全泄放系統(tǒng)包括呼吸閥管道、氣封系統(tǒng)、緊急泄放閥門等，本文對(duì)這些系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用的方法及難點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.1 呼吸閥通氣量

基于石油化工產(chǎn)品而言，常壓及低壓儲(chǔ)罐發(fā)揮著儲(chǔ)存作用，其中非常關(guān)鍵的保護(hù)措施就是呼吸閥：①通過呼吸閥通氣作用(呼氣或吸氣)，使儲(chǔ)罐在進(jìn)出物料或溫度變化時(shí)，保持罐內(nèi)正常的壓力狀態(tài)，防超壓或真空致使儲(chǔ)罐受損；②常壓及低壓儲(chǔ)罐安裝呼吸閥，有利于減少物料的蒸發(fā)，并降低火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生概率。根據(jù)《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SH/T3007-2014)第5.1.3條規(guī)定：①儲(chǔ)存甲B、乙類液體的固定儲(chǔ)罐和地上臥式儲(chǔ)罐;②采用氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w密封保護(hù)系統(tǒng)的儲(chǔ)罐。均應(yīng)使用呼吸閥。

1)分類研究。呼吸閥按作用原理可分為直接荷載重力式呼吸閥、直接荷載彈簧式呼吸閥和先導(dǎo)式呼吸閥。①直接荷載重力式：設(shè)定壓力范圍正壓(G)200 Pa～6.9 kPa, 負(fù)壓(G)-200 Pa～-430 Pa。②直接荷載彈簧式：設(shè)定壓力范圍正壓(G)6.9～103.4, 負(fù)壓(G)-430～-480 Pa。③先導(dǎo)式呼吸閥：設(shè)定壓力范圍正壓(G)500～103.4 Pa, 負(fù)壓(G)-200～-430 Pa。

2)通氣量研究。設(shè)計(jì)運(yùn)用的呼吸閥通氣量需超過計(jì)算需要的吸入與呼出量，且由于呼吸閥的精度不高，工程上呼吸閥通氣余量選擇需要相對(duì)大些才滿足通氣要求。吸入量與呼出量的計(jì)算公式如下：

GO=GOF+GOT

(1)

G1=GIF+GIT

(2)

公式中GO、G1分別為由于最大化進(jìn)料量導(dǎo)致的罐內(nèi)氣體呼出量，m3/h；GOT為由于環(huán)境溫度上升造成的罐內(nèi)氣體發(fā)生膨脹導(dǎo)致的最大化呼出量，m3/h；GIT為由于環(huán)境溫度下降造成的罐內(nèi)氣體收縮導(dǎo)致的最大化呼入量，m3/h。

值得注意是：最大進(jìn)出物料導(dǎo)致的呼吸量并非直接按最大進(jìn)出物料液體的體積流量進(jìn)行取值，而是需要按物料閃點(diǎn)來考查物料揮發(fā)的影響，這是設(shè)計(jì)工作者最易忽略之處。

《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SH/T 3007-2014)規(guī)定，最大進(jìn)料引起的罐內(nèi)氣體呼出量為：①當(dāng)液體的閃點(diǎn)(閉口)高于 45 ℃ 的時(shí)候，取呼出量為最大進(jìn)料體積流量的1.07倍；②當(dāng)液體的閃點(diǎn)(閉口)≤45 ℃ 的時(shí)候，取呼出量為最大進(jìn)液量的2.14倍考慮；③液體進(jìn)入采用氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w密封保護(hù)系統(tǒng)的內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐時(shí)所引起的罐內(nèi)氣體呼出量，應(yīng)按最大進(jìn)液體積流量考慮。

API 2000-2014規(guī)定最大進(jìn)料引起的罐內(nèi)氣體呼出量為：①對(duì)于飽和蒸汽壓≤5 kPa 的非揮發(fā)性液體，取呼出量為最大進(jìn)料體積流量；②對(duì)于飽和蒸汽壓>5 kPa 的揮發(fā)性液體，取呼出量為最大進(jìn)料體積流量的2.0倍;③對(duì)于飽和蒸汽壓更大的蒸汽性液體，呼出量可以達(dá)到最大進(jìn)料體積流量的很多倍。當(dāng)進(jìn)料壓力高于儲(chǔ)罐的操作壓力時(shí)，進(jìn)料就會(huì)發(fā)生閃蒸，這時(shí)需要進(jìn)行物料的閃蒸平衡計(jì)算確定呼出量，并取一定的余量，以便儲(chǔ)罐的安全操作。

3)定壓研究。呼吸閥定壓應(yīng)根據(jù)綜合多方面考慮：①儲(chǔ)罐在維持正常的操作下，設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐負(fù)壓<呼吸閥負(fù)啟動(dòng)壓<儲(chǔ)罐操作壓<呼吸閥正啟動(dòng)壓<儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)正壓。②按照《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SH/T 3007-2014)要求，采用的事故泄壓設(shè)施啟動(dòng)壓力應(yīng)該比通氣管排氣壓高一些，并比儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)正壓低；事故泄壓設(shè)施吸氣壓應(yīng)該比通氣管進(jìn)氣壓低，并超過儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)的負(fù)壓。③對(duì)呼吸閥需要注意：重力呼吸閥結(jié)構(gòu)特征決定著呼吸閥定壓>70%才能符合其限定的流量點(diǎn)，所以選型工作既要對(duì)呼吸閥定壓加以關(guān)注，還需對(duì)其泄放壓力進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)其進(jìn)行合理控制；先導(dǎo)式的呼吸閥負(fù)壓>10%的時(shí)候即可滿足限定的流量[1]。

由于呼吸閥的泄放壓力范圍通常為定壓的110%～200%，甚至更高(泄放壓力范圍因呼吸閥類型不用而不同，也因制造廠家不同而不同。先導(dǎo)式呼吸閥精度較高，可以做到110%)。例如，某儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力為(G)2 kPa，若所選用呼吸閥的泄放壓力是其定壓的180%，則其定壓就不宜超過(G)1111 Pa，否則泄放壓力將超過儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力，參照SY/T 0511.1-2010，可選用定壓為 980 Pa(G)的呼吸閥，則不會(huì)造成儲(chǔ)罐超壓。因此，工程師在確定呼吸閥的定壓及泄放壓力時(shí)一定要小心，必須控制最高泄放壓力不超過常壓及低壓儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力。另外，由于安全的開關(guān)精度不高，建議工程設(shè)計(jì)中對(duì)泄放壓力取一定的安全余量。當(dāng)同一儲(chǔ)罐上同時(shí)設(shè)置有呼吸閥和緊急呼吸人孔或緊急泄壓人孔時(shí)，呼吸閥的定壓及泄放壓力取值更需要小心，若取值不當(dāng)，很容易造成儲(chǔ)罐在正常運(yùn)行壓力范圍內(nèi)發(fā)生緊急呼吸人孔或緊急泄壓人孔開啟而引起不必要的事故。

2.2 氮封系統(tǒng)

1)原理分析。氮封裝置(氮封閥)常規(guī)情況是由供氮閥、泄氮閥和呼吸閥三大部份組成。當(dāng)罐內(nèi)壓力升高超過設(shè)定值時(shí)，供氮閥關(guān)閉，泄氮閥打開，將罐內(nèi)多余壓力快速泄放。在儲(chǔ)罐內(nèi)壓力降低時(shí)，泄氮閥處于關(guān)閉狀態(tài)，供氮閥打開，向罐內(nèi)注入氮?dú)獠⒈ＷC儲(chǔ)罐處于微正壓的狀態(tài)[2]。供氮閥氮?dú)庠磯毫Ρ３衷?0.2 ～0.8 MPa(G) 之間的一個(gè)固定值，氣源壓力較高時(shí)，可在供氮閥前安裝一臺(tái)自力式調(diào)壓閥將壓力減至 0.8 MPa(G) 以下，以提高可靠性和使用效果。

2)過程研究。以往氣封體系的操作過程屬于一套分程壓力控制系統(tǒng)，

流程的組成部分一般通過兩組調(diào)整，一組發(fā)揮著待氣溫下降或者出料引發(fā)罐內(nèi)壓力下降時(shí)可以自動(dòng)吸入氮?dú)獾淖饔?，避免罐?nèi)因產(chǎn)生真空而發(fā)生抽癟。另外，一組發(fā)揮著待氣溫上升或者進(jìn)料導(dǎo)致罐內(nèi)壓上升時(shí)氣體排出氣體的作用，避免儲(chǔ)罐因超壓而被損壞。此類氣封過程特征如下：①通常壓力調(diào)節(jié)閥為氣動(dòng)控制閥，切斷閥門較多，兩組調(diào)節(jié)閥應(yīng)置于儲(chǔ)罐的頂端，閥門較多、管道較大、支架較多，還需進(jìn)行壓力變送器等相關(guān)控制儀表以及控制回路設(shè)置；②待氣封氣源的壓力過高的時(shí)候，通常需合理降低壓力至0.2～0.25 MPa(G)，通?？刂茐毫Φ木_度很低，氣封氣積累的耗量也很大。

氣封閥氣封的使用流程具體如下：①氣封閥帶有的特殊銜接結(jié)構(gòu)，直接通過罐內(nèi)的壓力來推動(dòng)；②集取壓和控制融為一體，無需使用壓力變送器，系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單可靠，安裝也非常便捷；③壓力的設(shè)置面較寬，合理設(shè)定壓力可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行微調(diào)；④氣封氣不需要進(jìn)行多級(jí)減壓；⑤控制壓力的靈敏度較高，氣封閥可以滿足氣泡級(jí)的密封標(biāo)準(zhǔn)，可以有效減少儲(chǔ)存物料蒸發(fā)損耗，而且氣封氣積累的損耗量很低。

2.3 阻火呼吸人孔或緊急泄壓人孔

對(duì)于儲(chǔ)存物料揮發(fā)性較強(qiáng)、飽和蒸汽壓較高、高危險(xiǎn)性物料的大型常壓儲(chǔ)罐，通常需要設(shè)置多個(gè)呼吸閥、緊急呼吸人孔或緊急泄壓人孔。

1)緊急泄放量。對(duì)于較大型的儲(chǔ)罐，一般情況下，在外部火災(zāi)工況下的泄放量比常規(guī)工況下大得多。儲(chǔ)罐外部火災(zāi)工況緊急泄放量是設(shè)計(jì)計(jì)算常壓及低壓儲(chǔ)罐緊急呼吸人孔、緊急泄壓人孔選型的基礎(chǔ)。確定了儲(chǔ)罐外部火災(zāi)工況緊急泄放量，也就相當(dāng)于確定了緊急呼吸人孔、緊急泄壓人孔的泄放量，從而指導(dǎo)確定緊急呼吸人孔、緊急泄壓人孔的形式、泄放面積及安裝數(shù)量。SH/T 3007-2014沒有就儲(chǔ)罐外部火災(zāi)工況下緊急泄放量的計(jì)算進(jìn)行規(guī)定。API 2000-2014規(guī)定儲(chǔ)罐外部火災(zāi)工況下的緊急泄放量Fdr按公式(3)進(jìn)行計(jì)算。另外API 2000-2014還規(guī)定了類似正己烷流體儲(chǔ)罐外部火災(zāi)工況緊急泄放量計(jì)算，詳見API 2000-2014第3.3.3.3.3節(jié)表5及表7。

(3)

式中：Q是儲(chǔ)罐外部火災(zāi)工況下吸入的熱量，單位W；F是儲(chǔ)罐的環(huán)境因子，取值參見 API 2000-2014第3.3.3.3.3節(jié)表9；L是儲(chǔ)存物料在泄放溫度與壓力下的蒸發(fā)潛熱，單位為,J/kg；T是泄放蒸汽的絕對(duì)溫度，單位為K；M是泄放蒸汽的相對(duì)分子質(zhì)量。

2)泄放壓力。泄放設(shè)備從達(dá)到定壓，開啟閥門，儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力上升至可控標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，我國(guó)尚無明確的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該選擇保守設(shè)計(jì)方式。常規(guī)做法為控制泄放壓力最高不能大于設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐的壓力。具體操作方法應(yīng)該按照以下標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行：①呼吸閥泄放壓不能大于設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐壓110%。②緊急泄放閥泄放壓不能大于儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓120%。

3 結(jié)語

總而言之，石油化工行業(yè)的常壓及低壓儲(chǔ)罐在設(shè)計(jì)安全閥、呼吸閥等安全泄放設(shè)施的同時(shí)也必須對(duì)呼入量和吸入量進(jìn)行明確計(jì)算,并從多角度、多工況、全方位采用多重和分級(jí)保護(hù)措施，為石油化工行業(yè)的常壓及低壓儲(chǔ)罐安全泄放系統(tǒng)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性與安全性提供保障。