浮筒式浮盤損失估算及改進

劉 寶,許志剛,張 贊

(中國石油天然氣股份有限公司大慶石化公司煉油廠,黑龍江 大慶163711)

浮筒式浮盤是20世紀80年代初由國外引進的組裝式浮盤,該形式浮盤具有造價低廉、制造安裝周期短、技術(shù)成熟等優(yōu)點,目前仍在大量使用。儲罐配置浮盤后,雖能減少約95%的損耗【1】,但由于安裝及本身結(jié)構(gòu)特點等因素,仍不能滿足日益嚴格的環(huán)保要求。某廠現(xiàn)有在用鋁浮筒內(nèi)浮頂儲罐43臺,經(jīng)過檢測,其中33臺VOCs檢測濃度超過2000μmol/mol【2】;從結(jié)果來看,浮筒式浮盤泄漏點多,檢測合格率低,制約了儲罐無組織排放治理的成效。介質(zhì)的無序揮發(fā),不僅造成了巨大的經(jīng)濟損失,同時也帶來了嚴重的安全隱患及環(huán)境污染問題。因此,對浮筒式浮盤的泄漏部位進行分析并對泄漏量進行估算,有助于解決浮筒式浮盤的損耗問題,可為儲罐的泄漏整治提供方向,并為解決常壓儲罐無組織排放提供決策依據(jù)。

1 浮筒式浮盤結(jié)構(gòu)

浮筒式浮盤為組裝式結(jié)構(gòu),因其具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、制造安裝周期短等優(yōu)勢,因此得到廣泛應用。其主要部件有支柱、人孔裝置、量油裝置、通氣裝置、周邊密封裝置、浮力元件、骨架(結(jié)構(gòu)部分)、蓋板、緊固件等組成。材質(zhì)可選擇鋁合金、全碳鋼、全不銹鋼,還可以選擇3種材質(zhì)混合使用。

骨架設計成蛛網(wǎng)狀、蜂窩狀或六邊形等形狀,將整個浮盤分成若干個小單元(見圖1)。骨架安裝完成后再將蓋板(蒙皮板)固定在骨架上部。蓋板(蒙皮板)由多張拼接而成,接縫位置用壓條固定在骨架梁上,固定一般采用拉鉚釘連接(見圖2)。

圖1 浮筒式浮盤骨架

圖2 安裝完蓋板(蒙皮板)的浮盤

2 浮盤損失分析及估算

浮頂罐的VOCs無組織排放主要包括邊緣密封損失、浮盤附件損失、浮盤盤縫損失和掛壁損失。其中邊緣密封損失、浮盤附件損失、浮盤盤縫損失屬于靜置損失,掛壁損失屬于工作損失。

依據(jù)環(huán)境保護部辦公廳印發(fā)的《石化行業(yè)VOCs污染源排查工作指南》及相關(guān)附件【3】,用公式法對1座位于某市某煉油廠的汽油成品油內(nèi)浮頂罐的各種損失進行估算。儲罐相關(guān)條件如下:儲存容積為10000m3,介質(zhì)為汽油;2020年該罐的年周轉(zhuǎn)量為88066t,密度為0.84t/m3;邊緣密封為囊式密封加舌形密封,浮盤類型為鉚接浮筒式;人孔數(shù)量為1個,量油管1個,雷達液位計導波管1個,邊緣通氣孔8個,中央通氣孔3個,無油氣回收設施。

公式法是參考美國環(huán)保署(EPA)發(fā)布的“污染物排放因子文件”(AP-42)第2版第七章中提供的評價公式、以我國有機液體理化參數(shù)和儲罐構(gòu)造特點為基準的計算方法。

總損耗如式(1)所示:

式中:LT——總損耗,lb/a;

LR——邊緣密封損耗,lb/a;

LWD——掛壁損耗,lb/a;

LF——浮盤附件損耗,lb/a;

LD——浮盤縫隙損耗,lb/a。

注:1lb＝0.4545kg。

2.1 邊緣密封損耗

浮盤周邊密封采用囊式密封加舌形密封(見圖3),該類型邊緣密封為非氣密性密封,密封底部存在氣體空間,無法有效將油氣密封在該空間內(nèi)部;密封最大的工作范圍為(－100/＋100)mm,在浮盤漂浮狀態(tài)或油罐變形時,不能與罐壁緊密貼合,存在極大的揮發(fā)損失。由于其密封材料的摩擦系數(shù)較高,自身磨損也較為嚴重,罐壁上的焊瘤等凸出部位,極易造成囊損壞,導致密封進油,失去密封效果【4】。囊式密封一般要求只有1處接口,但該處接口用膠進行粘接,經(jīng)過一段時間的使用后,易開裂造成密封進油,失去密封效果。從使用經(jīng)驗看,該形式密封使用壽命較短,一般為3～5年。

圖3 浮盤邊緣密封示意

浮頂罐邊緣密封損耗可由式(2)估算得出:

式中:LR——邊緣密封損耗,lb/a;

KRa——零風速邊緣密封損耗因子,lb-mol/(ft·a),查表取為3.3lb-mol/(ft·a);

KRb——有風時邊緣密封損耗因子,lb-mol/(mphn·ft·a),查表取為0.1lb-mol/(ft·a);

v——罐點平均環(huán)境風速,mph,內(nèi)浮頂罐取值為0mph;

n——密封相關(guān)風速指數(shù),無量綱,查表取為3;

D——罐體直徑,ft,本案例為93.25ft;

P*——蒸氣壓函數(shù),無量綱,按式(3)進行估算;

Mv——氣相分子質(zhì)量,lb/lb-mol;

KC——產(chǎn)品因子,原油為0.4,其他有機液體為1.0。

注:1ft＝0.3048m,1mph(邁)＝0.4464m/s。

式中:PVA——日平均液體表面蒸氣壓,psi(絕),按式(4)計算;

PA——大氣壓,取14.54psi(絕)。

注:1psi(絕)＝6.895kPa(絕)。

式中:A——蒸氣壓公式中的常數(shù),無量綱;

B——蒸氣壓公式中的常數(shù),°R;

TLA——日平均液體表面溫度,℃。

對于油品來說

式中:S——10%蒸發(fā)量下恩氏蒸餾曲線斜率,本案例為1.5;

RVP——雷德蒸氣壓,psi(絕),取9.427 psi(絕)。

由式(5)和式(6)計算可得:

由式(4)計算得:PVA＝7.668psi(絕)。

由式(3)進一步計算得:P*＝0.185。由式(2)最終計算得:LR＝4.675t/a。

注:1°R(蘭氏度)＝1℃×1.8＋32＋459.67。

2.2 掛壁損耗

在儲罐運行過程中,發(fā)料會使浮盤隨液位降低而下降,罐壁及支柱等附件會有介質(zhì)殘留而產(chǎn)生工作損耗,即掛壁損耗。掛壁損耗與表面銹蝕程度、液體粘度、密封類型和罐壁材質(zhì)有關(guān),王永強等【5】的研究表明,罐壁的粘油量隨罐壁表面銹蝕程度的增加而增加,隨著液體粘度和密度的增大而增大,邊緣密封性能越好,掛壁損失越小,而罐壁材質(zhì)對掛壁損失的影響不大。即掛壁損失影響的顯著性由大到小依次為表面銹蝕程度、液體粘度、密封類型、罐壁材質(zhì)。

浮頂罐的掛壁損耗LWD由式(7)進行估算:

式中:Q——年周轉(zhuǎn)量,bbl/a;

Cs——罐體油垢因子,考慮邊緣密封貼合程度等因素,取為0.15;

WL——有機液體密度,lb/gal;

NC——固定頂支撐柱數(shù)量,自支撐固定浮頂取0;

FC——有效柱直徑,ft,取1.0ft。

由式(7)計算可得:LWD＝3.181t/a。

注:1bbl/a＝0.137t/a,1lb/gal＝0.1185g/m3。

2.3 浮盤附件損耗

鋁浮筒浮盤的附件一般有1個人孔、1個量油管、1個雷達液位計導波管、8個邊緣通氣孔、3個真空閥、1個量油柱/導向柱,此外,還有導向鋼絲繩、自動通氣閥等附件。這些附件密封結(jié)構(gòu)多數(shù)存在缺陷,如儲罐量油柱外側(cè)密封不嚴(見圖4)、人孔密封不嚴(見圖5),油氣就會通過有缺陷的密封部位,揮發(fā)到浮盤上方,產(chǎn)生浮盤附件損耗。

圖4 量油管柱外側(cè)密封缺陷

圖5 人孔密封缺陷

浮盤附件損耗LF由式(8)估算得出:

式中:FF——總浮盤附件損耗因子,lb-mol/a。

FF可由式(9)計算得到:

式中:NFi——特定規(guī)格的浮盤附件數(shù),無量綱,

其中,i＝1,2,…,n;

KFi——特定規(guī)格的附件損耗因子,lb-mol/a,其中,i＝1,2,…,n。

計算時,查表選擇各附件的最大損耗系數(shù)。該浮盤人孔數(shù)量為1個,系數(shù)選為36;量油管和雷達液位計導波管各1個,系數(shù)選為12;真空閥3個,系數(shù)選為7.8;支腿90個,系數(shù)選為7.9。

將上述各系數(shù)代入式(9),最終計算得到浮盤附件損耗LF＝4.492t/a。

2.4 盤縫損耗

由于浮筒式浮盤為非全接液浮盤,浮筒本體只有約1/3～1/2的體積浸沒在液面之下,且僅能覆蓋15%左右的揮發(fā)面積,浮筒無法覆蓋部位在蒙皮板下方形成油氣空間。由螺栓或鉚釘固定的蒙皮板之間都存在縫隙,導致油氣從接縫處揮發(fā)至浮盤上方,產(chǎn)生盤縫損耗(見圖6)。

圖6 浮筒式浮盤接觸面積示意

盤縫損耗可用式(10)進行估算:

式中:KD——盤縫損耗單位縫長因子,lb-mol/(ft·a),對于螺栓連接的浮盤,取0.14;

SD——盤縫長度因子,ft/ft2,查表取為4.8ft/ft2。

最終計算得出:盤縫損耗LD＝33.334t/a。

4類損耗估算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1 浮盤損耗量及效益損失匯總

從表1可以看出:對于浮筒式浮盤,4類損耗由大到小依次為盤縫損耗、邊緣密封損耗、浮盤附件損耗、掛壁損耗;全部損耗約45.682t/a,汽油價格按5500元/t計算,年損失費用約25.124萬元。

3 改進措施

3.1 針對盤縫損耗的改進措施

從估算數(shù)據(jù)來看,盤縫損耗數(shù)值最大,占總揮發(fā)量的72.97%,是浮筒式浮盤密封性差的最主要原因,因此在不改變浮盤形式的前提下,對盤縫進行密封是重中之重。除加強施工過程管控的常規(guī)措施(鋁皮中間增加密封墊、保持蒙皮板平整、縮小鉚釘間距等)外,還應在上表面壓條外增加無紡布、涂刷專用密封膠進行盤縫加強密封(見圖7)。施工時,一般先在盤縫處涂刷專用密封膠,再鋪設無紡布,待膠固化后,在無紡布上表面再涂刷一層專用密封膠。

圖7 盤縫加強密封

3.2 針對邊緣密封損耗和掛壁損耗的改進措施

由估算數(shù)據(jù)可知,邊緣密封損耗和掛壁損耗合計占比17.2%,而浮盤在上下浮動過程中,中心會發(fā)生偏移,加之儲罐罐壁變形、罐壁搭接焊接等情況的存在,邊緣密封損耗和掛壁損耗會更大。前文提到,掛壁損耗除與儲存介質(zhì)特性、罐壁腐蝕程度相關(guān)之外,也受到邊緣密封的影響。因此在儲罐存儲介質(zhì)固定的前提下,可采取降低罐壁內(nèi)銹蝕程度(如涂刷防腐涂層)、選用補償性能好的密封形式【6】、增強刮油效果等方式降低損耗。圖8所示為目前比較流行的邊緣高效密封,一般稱為大補償高效密封或高效彈片式密封。這種密封具有使用壽命長、補償范圍大等優(yōu)點。隨著浮盤上下浮動,浮盤中心會偏離儲罐中心軸,受壓的彈片在儲罐半徑R方向上的變形量x可達到－100mm(負號表示彈片受壓縮),對稱方向的彈片(相對于浮盤中心點)變形量為3x,最大可達＋300mm。本次浮盤改造,受浮筒式浮盤強度及浮力的影響,未對密封部位進行改造,仍延用囊式密封加舌形密封。

圖8 邊緣高效密封

3.3 針對浮盤附件的改進措施

由估算數(shù)據(jù)可知,浮盤附件損耗占比9.83%。浮盤附件類型較多,減少附件損耗可從兩方面采取措施,一是減少附件數(shù)量,如可使用無纜雷達液位計配套單法蘭液位計顯示儲罐液位,替代有纜雷達液位計,這樣改造之后,可取消雷達液位計導波管;二是加強密封,如使用螺栓及墊片進行人孔密封(見圖9)、制作小浮子對帶孔量油導管內(nèi)部進行封堵(見圖10)、對量油導管外部密封進行加強改造(見圖11和圖12),改造后,不僅可增強密封性能,同時也可減少量油管和雷達液位計導波管等附件的掛壁損耗。

圖9 螺栓、墊片密封的人孔

圖10 量油導管封堵裝置

圖11 量油導管加強密封上表面

圖12 量油導管加強密封下表面

4 改造效果

本次安裝的鋁浮筒浮盤,仍采用囊式密封加舌形密封,只對盤縫、浮盤附件進行了密封加強改造。該罐投用后,于2021年12月8日進行了檢測,檢測時環(huán)境溫度－1℃,儲罐為付油狀態(tài),液位11.21m,介質(zhì)溫度18℃。使用紅外熱像儀進行掃描檢測,沒有發(fā)現(xiàn)罐壁通氣口和罐頂排放口有氣體呼出。使用便攜式FID檢測儀檢測各項指標,結(jié)果顯示,氣相空間采樣口數(shù)值為1144 mg/L,量油導管數(shù)值為1554mg/L,罐頂通氣孔數(shù)值為1 081 mg/L,滿足VOCs檢測濃度＜2000μmol/mol的要求。由此可判定,本次檢測結(jié)果為合格。上述數(shù)據(jù)證明,本次針對浮筒式浮盤的改進措施有效。

5 結(jié)論

綜上所述,傳統(tǒng)的浮筒式浮盤,因其固有的結(jié)構(gòu)形式,浮盤及密封的效果欠佳,已不能滿足日益嚴格的環(huán)保要求。本文依據(jù)環(huán)境保護部辦公廳印發(fā)的《石化行業(yè)VOCs污染源排查工作指南》及相關(guān)附件,估算出浮盤各部位的泄漏損失,可為解決浮盤泄漏問題提供參考。具體結(jié)論如下:

1)浮筒式浮盤4類損耗由大到小依次為盤縫損耗、邊緣密封損耗、浮盤附件損耗、掛壁損耗,其中盤縫損耗數(shù)值最大。

2)通過加強密封,可有效改善浮筒浮盤泄漏狀況,降低浮盤損耗。

3)加強密封后,浮盤損耗會降低,但浮筒式浮盤整體剛度不足、耐工藝介質(zhì)沖擊能力較差的特性不會改善。

4)囊式密封的密封效果欠佳,使用壽命較短,不建議采用。若改用補償性能更好的密封,需對浮盤進行設計核算,并依據(jù)結(jié)果,對浮盤進行改造或更換浮盤。

5)隨著浮盤使用時間的增加,加強密封的浮筒式浮盤的密封效果會變差,若想從源頭上治理儲罐的VOCs,建議選用全接液浮盤,配套使用高效彈片式密封。