常壓立式儲罐氮封系統(tǒng)設計與研究

項楠 李啟運 鮑天宇

1.中國石油天然氣管道工程有限公司天津分公司 天津 300457

2.天津麥克企業(yè)管理服務有限公司 天津 300457

3.中國石油內(nèi)蒙古銷售公司 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010000

在石化企業(yè)液體物料常壓存儲過程中，儲存介質(zhì)的揮發(fā)損耗、氧化變質(zhì)現(xiàn)象尤為常見。不僅浪費資源，還有安全隱患和環(huán)境污染等問題。

根據(jù)GB50160-2008石化企業(yè)防火標準[1]、SH/T3007-2014儲運罐區(qū)設計規(guī)范[2]的要求，對甲B、乙A類的可燃液體儲罐，應設置氮氣密封保護系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)氮氣量使之填充頂部空間，節(jié)能降耗的同時，隔離油品與外界接觸以起到保護作用。

1 氮封系統(tǒng)適用工況

氮氣密封系統(tǒng)的應用主要取決于罐的類型和存儲介質(zhì)的性質(zhì)。常適用于以下幾種工況[1、2]：

（1）采用內(nèi)浮頂罐或固定頂罐儲存沸點在45℃下，或37.8℃時的飽和蒸氣壓＞88KPa的甲B類液體時，應設置氮氣密封保護系統(tǒng)；

（2）采用內(nèi)浮頂儲罐常壓儲存沸點≥45℃、或37.8℃時飽和蒸氣壓≤88KPa的甲B、乙A類液體時，可設置氮氣密封保護系統(tǒng)；另，當有特殊要求而選擇固定頂、低壓儲罐或容量≤100m3的臥式儲罐時，應設置氮氣密封保護系統(tǒng)；

（3）當常壓存儲I、II級毒性的甲B、乙A類液體時，應設置氮氣密封保護系統(tǒng)；

（4）儲存介質(zhì)與空氣接觸，易發(fā)生氧化、聚合等反應，常壓儲存時，應設置氮封保護系統(tǒng)；

（5）儲存介質(zhì)具有水溶性，并對其含水量有嚴格要求，常壓儲存時，應設置氮封保護系統(tǒng)。

2 氮封系統(tǒng)方案

2.1 壓力控制設計方案

此方案基本原理為：氮氣密封系統(tǒng)的設置，旨在控制罐內(nèi)氣體壓力維持在300 Pa（G）上下。當儲罐內(nèi)氣體壓力上升≥500 Pa（G）時，關停氮氣控制閥，暫停氮氣的補充；當內(nèi)壓力≤200 Pa（G）時，氮氣控制閥將打開以補充氮氣，防止吸進空氣形成易燃氣體。值得注意的是，氮氣操作壓力宜為0.5～0.6 MPa[3]。

2.2 氧含量控制設計方案

此方案基本原理為：氮氣密封系統(tǒng)的設計，旨在控制罐內(nèi)氣相空間氧氣濃度不超過5%，從而阻斷可造成爆炸的助燃條件。

（1）在罐內(nèi)設置氧氣濃度監(jiān)測器進行監(jiān)控，將高報與氮氣管路控制閥進行聯(lián)鎖設計。當罐內(nèi)氧含量達到高值時，自動報警，然后通過聯(lián)鎖打開氮氣閥，使氮氣充入罐內(nèi)。當檢測器指標達到設定的正常范圍時，立即聯(lián)鎖關停氮氣閥停止充氮[4]。

（2）在同類介質(zhì)儲罐間設計一組管道將氣相管道貫通，可減少作業(yè)時氮氣的用量，也可降低油氣排放量。聯(lián)通管道的管徑為DN150，流量宜為150m3/h。

3 工程案例淺析

本文以公司某項目中20萬噸/年高等級化工溶劑裝置配套儲運設施的苯罐組為例，從流程和設備布置著手，對氮封系統(tǒng)設計、儲罐附件壓力設置等方面進行探討和分析。

3.1 項目簡述

本裝置以多元烴、輕油及輕烴、粗苯為原料，通過加氫精制，將原料中的不飽和烴類、硫化物氮化物處理，使其成為飽和烴、硫化氫和相應的烴類，氮化物變成氨氣與相應的烴類，將氨氣與硫化氫作環(huán)保處理，加氫后產(chǎn)品，通過分餾及芳烴抽提分離成純苯，200#溶劑等其他組分。產(chǎn)品純苯自裝置來，經(jīng)系統(tǒng)管架，管輸至苯罐組中儲存。利用裝車泵將物料管輸至裝卸車設施定量裝車出廠。

苯罐組配有1臺3000m3內(nèi)浮頂儲罐和1臺500m3內(nèi)浮頂儲罐，設計正壓=+1960Pa（G），設計負壓=－490 Pa（G）。兩個儲罐之間的安全防火間距為7m，罐組東西向為46.5m，南北向為37m，泵房布置于罐組的西側，火災危險性為甲B類，設備布置見圖1。

圖1 苯罐組布置示意圖

3.2 氮封系統(tǒng)設計

兩儲罐頂部均設置氮氣密封系統(tǒng)和油氣收集系統(tǒng)。采用上文中壓力控制設計方案，高壓排放油氣，集中回收至油氣回收裝置，低壓補充氮氣，同時設置阻火呼吸閥和泄壓人孔等泄壓措施。簡易工藝流程見圖2所示。

圖2 氮封系統(tǒng)簡易流程圖

3.2.1 充氮量計算

一般來說，充氮量Q等于儲罐物料的排出量Q1與由溫度變化導致的吸氣量Q2之和。SH/T3007-2014中表5.1.6雖已列出不同容量儲罐熱呼吸通氣量，其值卻遠大于實際吸氣量Q2。作為一種資源，有效控制氮氣用量，降低氮氣消耗，可切實提高石化企業(yè)的經(jīng)濟效益，故合理計算充氮量較為必要。下面以罐區(qū)中3000m3苯罐所需充氮量的計算為例進行說明。

根據(jù)化工部“鋼制立式圓筒形內(nèi)浮頂罐系列”HG21502.2-1992可查表得[5]，3000m3儲罐內(nèi)徑D=17m，罐壁高度H1=15.85m，拱頂球冠高度H2=1.841m，本次計算按照浮盤沉底考慮，即取設計最低液位h=1.8m來計算儲罐內(nèi)最大氣體的體積Vm。Vm等于罐體圓柱部分氣相空間體積V1與罐頂球冠空間體積V2之和。其中：

得：3000m3儲罐內(nèi)氣體體積最大值Vm=3400 m3

當儲罐內(nèi)部氣體溫度T（35℃）隨外界氣溫變化一小時內(nèi)降至T'（20℃），罐內(nèi)操作壓力由1000Pa（G）降至0Pa（G）時，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程：

式中：P0：標準大氣壓（取0.101325MPa（A））；

P1：操作壓力（MPa（A））；

V0：標準狀態(tài)下的氣體體積（Nm3）；

V1：操作狀態(tài)下的氣體體積（m3，我們?nèi)∫何蛔畹蜁r的Vm值）；

T0：標準狀態(tài)下的氣體溫度（273.15K）；

T1：操作狀態(tài)下的氣體溫度（K）。

得：在儲罐內(nèi)最低液位，標準狀態(tài)下，35℃時，罐內(nèi)氣體體積V0為3044Nm3；同理可得25℃時，罐內(nèi)氣體體積V0'為3168Nm3。因此，此降溫過程內(nèi)需要補充的氮氣量Q為124m3/h，與SH/T3007-2014表5.1.6中推薦的氣量507m3/h相差較大。因此，為避免浪費氮氣資源，可在參考規(guī)范值的基礎上根據(jù)實際工況進行計算。

3.2.2 氮氣控制閥壓力設置

溫度驟降或物料外輸使罐內(nèi)壓力降低至200 Pa（G）時，氮氣控制閥打開，并根據(jù)罐內(nèi)壓力情況，調(diào)整控制閥（100～0%）的開度，向儲罐內(nèi)充氮，提高罐內(nèi)壓力；當罐內(nèi)壓力升至500 Pa（G）時，關閉氮氣控制閥以停止充氮；此過程使儲罐內(nèi)維持在200～500 Pa（G）的微正壓環(huán)境。

3.2.3 油氣泄放控制閥壓力設置

氮氣密封通常與油氣回收裝置配套使用。一般，常壓儲罐的油氣泄放壓力很低，要將其泄放至油氣回收裝置，需考慮沿程壓損。因此，在油氣回收裝置中，會提供引風機或真空泵用于油氣回收的動力源。故油氣泄放控制閥的參數(shù)設定，通常會將油氣回收裝置和儲罐作為一個系統(tǒng)整體考慮。當儲罐壓力升高至900 Pa（G）時，油氣泄放控制閥開啟，并根據(jù)罐內(nèi)壓力調(diào)整控制閥開度（100～0%），同時進行聯(lián)鎖啟動和停止油氣回收裝置引風機或真空泵，將儲罐內(nèi)油氣吸入回收系統(tǒng)；罐內(nèi)壓力降低至200 Pa（G）時，打開氮氣控制閥，同樣依據(jù)罐內(nèi)壓力情況，調(diào)節(jié)控制閥（100～0%）的開度，向罐內(nèi)補充氮氣，此過程使儲罐內(nèi)維持在200～900 Pa（G）的微正壓環(huán)境。

3.2.4 阻火呼吸閥壓力設置

呼吸閥作為儲罐安全的第一道保護線，其根據(jù)儲罐內(nèi)壓力變化，開啟或關閉，維持罐內(nèi)壓力平衡。當儲罐內(nèi)壓力降低至-300 Pa（G）時，打開呼吸閥吸收空氣，避免儲罐被真空吸癟；當儲罐壓力升高至1350 Pa（G）時，呼吸閥開啟，向儲罐外呼出多余油氣，避免罐頂?shù)慕Y構失穩(wěn)。

3.2.5 壓力變送器壓力設置

由于氮封系統(tǒng)的目的是需要讓常壓儲罐內(nèi)維持微正壓環(huán)境，因此常設置壓力變送器，聯(lián)鎖氮氣控制閥的啟閉；同時設置高低壓力報警值，可遠傳至中控室進行監(jiān)控。報警值的設置，介于阻火呼吸閥和緊急泄壓設備動作壓力值之間，其動作先于緊急泄壓設備，后于呼吸閥。當儲罐內(nèi)壓力降低至-300Pa（G）或壓力升高至1350 Pa（G）時，則證明儲罐呼吸閥作用失效，壓力變送器即進行高低壓報警，此時立即停止對儲罐的任何操作，待排除故障后，方可再次操作。

3.2.6 緊急泄壓設備壓力設置

緊急泄壓設備是儲罐安全的第二道保護線。本罐組儲罐選用防爆阻火泄壓人孔，主要應對儲罐呼吸閥失效時，罐內(nèi)壓力急劇升高或降低的工況。當儲罐內(nèi)壓力急劇降低至-333 Pa（G）時，泄壓人孔開啟，向儲罐內(nèi)大量吸入空氣，使儲罐內(nèi)壓力迅速上升至安全范圍；當儲罐壓力升高至1980 Pa（G）時，泄壓人孔自動打開，向外呼出氣體，使罐內(nèi)壓力迅速降低至安全范圍。另外，在儲罐維修時，可以作為人孔和透光孔使用，手動打開泄壓人孔，可進入儲罐進行清洗或檢修。

4 結束語

（1）工程意義

①安全性。設置氮氣密封系統(tǒng)后，罐內(nèi)的上部空間為可燃氣體和氮氣這一惰性氣體的混合氣，降低了儲罐發(fā)生燃燒和爆炸的可能，切實提高儲罐安全性。

②節(jié)能性。氮封系統(tǒng)會使儲罐內(nèi)維持微正壓環(huán)境，一般氮氣會輕于罐內(nèi)有機可燃氣體，充填于儲罐的最高部位。因此，在正常工況下，儲罐呼入和呼出的主要氣體仍為氮氣。這樣可有效的抑制介質(zhì)揮發(fā)，降低能源損耗。

③環(huán)保性。目前，揮發(fā)性有機物引起的光化學污染已成為我國城市范圍面臨的重要環(huán)境問題。在無控制的情況下，廢氣排放對環(huán)境影響變得愈發(fā)嚴重。氮封儲罐呼出的氣體主要為氮氣，可較大程度的減少有毒有害廢氣揮發(fā)和排放，有效的保護了環(huán)境。

（2）本文所述的兩種氮封系統(tǒng)方案，均常運用于化工、環(huán)保等行業(yè)。二者各有優(yōu)劣，具體方案如何選擇，需綜合考慮物料特性、項目投資、國家以及當?shù)丨h(huán)保部門相關規(guī)定等因素。

（3）氮封系統(tǒng)設置需合理選定設備型號和參數(shù)，合理設定儲罐附件壓力范圍，保證各其動作壓力區(qū)間沒有交集，才能充分的發(fā)揮氮封系統(tǒng)的作用，體現(xiàn)其安全、節(jié)能、環(huán)保的工程意義。