儲(chǔ)罐氮封設(shè)計(jì)改進(jìn)

張　燁

(金凌石化工程設(shè)計(jì)有限公司，江蘇　南京　210042)

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儲(chǔ)罐氮封設(shè)計(jì)改進(jìn)

張燁

(金凌石化工程設(shè)計(jì)有限公司，江蘇南京210042)

氮封流程是目前儲(chǔ)罐工藝設(shè)計(jì)的常用流程，用于密閉儲(chǔ)罐氣相空間，隔絕有害氣體溢出，在儲(chǔ)運(yùn)化工領(lǐng)域得到了普遍的應(yīng)用。氮封可有效提高我國石化企業(yè)庫區(qū)節(jié)能環(huán)保工業(yè)水平。在現(xiàn)主流設(shè)計(jì)思路，氮封流程由機(jī)械式調(diào)節(jié)閥控制，對于儲(chǔ)罐氣相流程目前并沒有良好的水力計(jì)算依據(jù)及流程參考參數(shù)。這些問題將導(dǎo)致氮封設(shè)計(jì)無理可依，并可能造成重大安全事故。本文將對上述問題進(jìn)行闡述，通過分析水力模型給予改進(jìn)性意見。

氮封；化工；儲(chǔ)運(yùn)

含硫原油加工過程中不可避免地產(chǎn)生一定的硫化氫及有機(jī)硫化物等惡臭氣體，這些惡臭氣體大量存在于污油儲(chǔ)罐的氣相空間內(nèi)。硫化氫是強(qiáng)烈的神經(jīng)毒物，侵入人體的主要途徑是吸入，極高濃度的硫化氫可在數(shù)秒之內(nèi)致人突然昏迷，呼吸心跳驟停，發(fā)生閃電型死亡，高濃度接觸眼結(jié)膜會(huì)發(fā)生水腫和角膜潰瘍，而低濃度長期接觸，會(huì)引起神經(jīng)衰弱綜合癥和植物神經(jīng)功能紊亂等。罐頂氣內(nèi)還含有大量的揮發(fā)性烴類，其就地排放，隨處擴(kuò)散，高溫季節(jié)更盛，這種高濃度的烴類蒸汽與空氣可形成爆炸性混合物，遇到人體釋放的靜電、雷電產(chǎn)生的火花或其他明火、高熱極易燃燒爆炸。并且油氣污染對職工及其周圍居民的身體健康也會(huì)造成一定傷害。

隨著人們對周圍環(huán)境空氣質(zhì)量要求的進(jìn)一步提高，國家、地方環(huán)保污染控制指標(biāo)日趨嚴(yán)格，國家發(fā)展和改革委員會(huì)與2011年03月27日根據(jù)《國務(wù)院關(guān)于發(fā)布實(shí)施<促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整暫行規(guī)定>的決定》(國發(fā)〔2005〕40號)發(fā)布了《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2011年本)》，按行業(yè)分為鼓勵(lì)類、限制類和淘汰類。其中石油儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施揮發(fā)油氣回收技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用的項(xiàng)目被列為鼓勵(lì)類項(xiàng)目。

而儲(chǔ)罐油氣回收系統(tǒng)須需要完全封閉儲(chǔ)罐氣相空間，為保證儲(chǔ)罐在正常運(yùn)行過程中不吸進(jìn)空氣，防止形成爆炸性氣體。

1　氮封設(shè)計(jì)的現(xiàn)狀

根據(jù)《中國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(試行)》3.7.1.2條加工高硫、含硫原油的企業(yè)，儲(chǔ)存含有直餾石腦油組分的內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐應(yīng)采用氮封措施，而現(xiàn)行國家規(guī)范，并未對氮封系統(tǒng)管路提出明確的設(shè)計(jì)公式依據(jù)。根據(jù)《石油化工儲(chǔ)罐系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》中5.1.6條儲(chǔ)罐呼吸閥通氣量不得小于下列各項(xiàng)的呼出量與吸入量之和：①液體出罐是所造成的罐內(nèi)液體氣體呼出量；②液體進(jìn)入固定頂儲(chǔ)罐是造成的罐內(nèi)液體氣體呼出量；③因大氣最大溫降導(dǎo)致罐內(nèi)氣體收縮所造成儲(chǔ)罐吸入的空氣量和因大氣溫升溫降導(dǎo)致罐內(nèi)氣體膨脹而呼出的氣體[1]。故若要保證儲(chǔ)罐氣相空間封閉，必須考慮《石油化工儲(chǔ)罐系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》中呼吸閥所規(guī)定的通氣量。由此得出，儲(chǔ)罐氣相空間通氣量較高，大于原本設(shè)計(jì)的儲(chǔ)罐液體進(jìn)出量。而現(xiàn)行規(guī)范中對氮封設(shè)計(jì)的管徑，參考流程沒有詳細(xì)的規(guī)定，導(dǎo)致不少儲(chǔ)罐改造后存在儲(chǔ)罐氮?dú)夤┙o量不足，造成儲(chǔ)罐負(fù)壓及氣相空間氧氣含量偏高等安全隱患。

2　氮封管道水力計(jì)算

按以下實(shí)例來說明氮?dú)夤┙o量不足的原因：

南京某石化罐區(qū)以一個(gè)5000 m3儲(chǔ)罐為例，氮封管道公稱直徑為DN80、壁厚為5 mm，儲(chǔ)罐出料量為320 m3。氮封閥為自力式調(diào)節(jié)閥。在儲(chǔ)罐上設(shè)置氮封系統(tǒng)，維持罐內(nèi)氣相空間壓力在1.0 kPa左右，當(dāng)氣相空間壓力高于1.4 kPa時(shí)，氮封閥關(guān)閉，停止氮?dú)夤?yīng)；當(dāng)氣相空間壓力低于0.8 kPa時(shí)，氮封閥開啟，開始補(bǔ)充氮?dú)狻?/p>

由于氮?dú)鉃榭蓧嚎s流體，同時(shí)氮?dú)饬鲃?dòng)時(shí)與管道有充分的熱交換，故可以按國際上的標(biāo)準(zhǔn)都采用的等溫方程式[2]:

式中：f——水力摩擦系數(shù)

L——管道當(dāng)量長度，m

d——管道內(nèi)徑,m

Ma——管道出口馬赫數(shù)

p1——管道入口壓力(絕壓)，kPa

p2——管道出口壓力(絕壓)，kPa

其中馬赫數(shù)及水力摩擦系數(shù):

式中：qm——?dú)怏w質(zhì)量流量,kg/h

Z——?dú)怏w壓縮系數(shù)，取相對分段計(jì)算的平均值

T——?dú)怏w的溫度,K

k——?dú)怏w的絕熱指數(shù)

M——?dú)怏w的平均分子量

式中：e——管道絕對粗糙度,m

Re——雷諾數(shù)

如果調(diào)節(jié)閥安裝于罐底，根據(jù)儲(chǔ)罐高度及彎頭個(gè)數(shù)推算出管道當(dāng)量長度為25 m，管道背壓為氮封壓力1.0 kPa；因此根據(jù)公式計(jì)算得出調(diào)節(jié)閥背壓的壓力曲線

圖1　調(diào)節(jié)閥背壓壓力曲線

僅僅在儲(chǔ)罐出料時(shí)，氮封閥后需要維持2.34 kPa，這個(gè)壓力比氮封壓力高1.34 kPa，甚至高于低壓普通儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力，使得起調(diào)節(jié)作用的自力式調(diào)節(jié)閥根本無法設(shè)置適當(dāng)?shù)拈y后壓力，若調(diào)節(jié)閥按儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力1.96 kPa[3]設(shè)置調(diào)節(jié)壓力，氮封管道的流量為245 Nm3/h，這樣儲(chǔ)罐的氣相空間將會(huì)吸入大量空氣，這對于老舊儲(chǔ)罐來說將存在硫化亞鐵自燃的隱患。同時(shí)如果遇到惡劣性天氣，大氣極端溫降時(shí)，儲(chǔ)罐將直接出憋壓事故。

如果調(diào)節(jié)閥安裝于罐頂，根據(jù)彎頭個(gè)數(shù)推算出管道當(dāng)量長度為3 m，同樣根據(jù)公式得出調(diào)節(jié)閥背壓的壓力曲線。

圖2　調(diào)節(jié)閥背壓壓力曲線

而這種安裝方式氮封管道的壓力曲線較平緩，但根據(jù)《石油化工儲(chǔ)罐系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》儲(chǔ)罐因大氣最大溫降導(dǎo)致罐內(nèi)氣體收縮所造成儲(chǔ)罐吸入的空氣量來看，5000 m3的儲(chǔ)罐，吸入量為787 m3/h(溫度下流量)[1]，氮封閥閥后需要維持1.86 kPa 超過儲(chǔ)罐呼吸閥的設(shè)定壓力。導(dǎo)致呼吸閥頻繁工作，不僅，浪費(fèi)大量氮?dú)赓Y源減少氮封的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)影響周圍環(huán)境的空氣質(zhì)量，損害企業(yè)形象。

從上述計(jì)算可以看出，調(diào)節(jié)閥定壓，很難設(shè)定。而對需要改造的舊儲(chǔ)罐，外部空氣是否會(huì)進(jìn)入儲(chǔ)罐也是個(gè)不小的問題。在某些舊儲(chǔ)罐改造后，由于擔(dān)心儲(chǔ)罐會(huì)吸入空氣，造成自燃的危險(xiǎn)，使用方會(huì)在儲(chǔ)罐設(shè)置在線含氧分析儀[5]，監(jiān)控儲(chǔ)罐氣相空間的含氧量。這樣使儲(chǔ)罐改造的成本上升，影響儲(chǔ)罐改造的經(jīng)濟(jì)效益。

3　存在問題及傳統(tǒng)的方案

如果我們從另外一個(gè)角度來審核管道水力模型，校核管道的流通量，我們?nèi)匀皇褂蒙弦粋€(gè)例子，調(diào)節(jié)閥安裝于罐底，但調(diào)節(jié)閥采取全開狀態(tài)，根據(jù)儲(chǔ)罐高度、彎頭個(gè)數(shù)及閥門阻力推算出管道當(dāng)量長度為60 m，管道背壓仍然1 kPa，而管道氮?dú)鈮毫?00 kPa，通過公式計(jì)算可得出管道的流通流量超過8000 Nm3/h。由此可看出，管道的流通潛力很大，而且完全可以滿足儲(chǔ)罐氮封的完全密閉要求。因此可看出氮封氮?dú)夤┝坎蛔愕闹饕蚓褪怯捎诘夤艿涝谠O(shè)計(jì)中，調(diào)節(jié)閥由其背壓控制，這等同于將氮封壓力與調(diào)節(jié)閥閥后背壓設(shè)為一個(gè)數(shù)值。由此使得氮封調(diào)節(jié)閥后的氮封管道壓降過低，無法獲得較大的流量通過時(shí)的壓降需求。若想加大管道流通流量，就需要加大氮封調(diào)節(jié)閥閥后背壓，但是過大的氮封調(diào)節(jié)閥閥后背壓，無法滿足在儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力或其氣相空間靜止時(shí)的密閉要求。

如果調(diào)節(jié)閥壓力可以自我調(diào)節(jié)，則問題可以迎刃而解。在普通的設(shè)計(jì)思路是使用全自動(dòng)化儀表控制。在儲(chǔ)罐罐頂設(shè)置電子壓力信號儀表，監(jiān)控采集儲(chǔ)罐氣相空間壓力值。再將壓力信號通過系統(tǒng)組態(tài)，反饋給儲(chǔ)罐自動(dòng)化調(diào)節(jié)閥，控制氮?dú)夤┙o量[4]。而此類設(shè)計(jì)思路，對自動(dòng)化儀表的要求較高，同時(shí)需要較高的成本。故一些庫區(qū)為了節(jié)約成本采取多儲(chǔ)罐統(tǒng)一供氮，并設(shè)置平衡線及緩沖罐。而這類的設(shè)計(jì)方案，并不能完全緩解儲(chǔ)罐的供氮問題，反而會(huì)增加儀表組態(tài)時(shí)的難度，且也使的儲(chǔ)罐氣相增加了一路聯(lián)通管道，不利于儲(chǔ)罐在火災(zāi)情況下與事故罐的隔離。

4　改進(jìn)建議

在《中國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(試行)》附件的氮封設(shè)計(jì)推薦中提出，儲(chǔ)罐在儲(chǔ)罐罐頂增加氮?dú)饨尤肟诤鸵龎嚎?。此條可以很大程度上解決上述問題。如果氮封調(diào)節(jié)閥的引壓管道由儲(chǔ)罐氣相空間引出，調(diào)節(jié)閥的控制開度就可以由儲(chǔ)罐氣相壓力確定，調(diào)節(jié)閥閥后氮?dú)夤艿罏閯?dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)，管道背壓控制管道流量。當(dāng)氣相空間通氣量加大時(shí)，罐頂氣相壓力下降，氮封管道調(diào)節(jié)閥開啟開始提供氮?dú)?，若氮?dú)饬髁坎蛔銜r(shí)，罐頂氣相壓力會(huì)持續(xù)下降使調(diào)節(jié)閥減小調(diào)節(jié)量，直至氮?dú)夤艿懒髁颗c氣相空間通氣量相等；當(dāng)氣相空間通氣量減小并趨于靜止時(shí)，罐頂氣相壓力上升，氮封管道調(diào)節(jié)閥逐漸關(guān)閉減少氮?dú)夤?yīng)，直至氮封管道調(diào)節(jié)閥閥后背壓與儲(chǔ)罐氣相空間壓力相同。這樣工藝流程設(shè)計(jì)，可以盡可能減少氮?dú)饫速M(fèi)，同時(shí)滿足儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力及其氣相空間靜止時(shí)的密閉要求。這類設(shè)計(jì)方案在實(shí)施時(shí)，對于改造庫區(qū)可以利用現(xiàn)有的機(jī)械自力式調(diào)節(jié)閥，只需在將罐頂增加一個(gè)取壓口引入調(diào)節(jié)閥，并適當(dāng)調(diào)整調(diào)節(jié)閥的安裝位置，使調(diào)節(jié)閥后管道壓力曲線趨于平緩，減少壓力傳播延遲即可。對于新建的庫區(qū)可以在每個(gè)儲(chǔ)罐上均設(shè)置機(jī)械自力式調(diào)節(jié)閥，減少罐區(qū)儲(chǔ)罐的電子壓力信號儀表。從而降低庫區(qū)設(shè)計(jì)成本，提高庫區(qū)改造及建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益。

5　結(jié)　論

對于氮封管道來說，氮封管道的水力壓降對于儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力數(shù)值來說，不能忽略且是一個(gè)會(huì)根據(jù)工況條件而變化的數(shù)值。故單純的維持氮封壓力的機(jī)械式調(diào)節(jié)閥無法滿足儲(chǔ)罐運(yùn)行的通氣量需求。因此設(shè)計(jì)氮封流程時(shí)，機(jī)械式氮封調(diào)節(jié)閥的引壓管道可以由罐頂取壓口接入，這樣調(diào)節(jié)閥的工作狀態(tài)可以和儲(chǔ)罐運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)聯(lián)，根據(jù)儲(chǔ)罐運(yùn)行時(shí)的通氣量改變氮封調(diào)節(jié)閥的工作狀態(tài)，才能保證儲(chǔ)罐在一定密閉條件下的儲(chǔ)罐氣相空間的供氣平衡。

[1]中華人民共和國工業(yè)和信息化部 SH/T3007-2014 石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范.中國石化出版社,2015.

[2]中華人民共和國工業(yè)和信息化部 SH3009-2013石油化工可燃性氣體排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范.中國石化出版社,2014.

[3]中華人民共和國建設(shè)部 GB50341-2014立式圓筒形鋼制焊接油罐設(shè)計(jì)規(guī)范.中國計(jì)劃出版社,2015.

[4]王風(fēng)軍.氮封技術(shù)在輕質(zhì)油儲(chǔ)罐中的應(yīng)用.科技風(fēng),2009(15):164.

[5]王宴.內(nèi)浮頂輕污油罐氮封系統(tǒng)改造.中國化工貿(mào)易,2015(17):150.

Improved Design of Nitrogen Sealed Tank

ZHANG Ye

(Jinling Petrochemical Engineering Co.,Ltd.,Jiangsu Nanjing 210042,China)

Nitrogen sealing process is the common process of storage tank design.It is widely used in the field of storage and transportation of chemical industry,which is used to seal the gas phase space and to isolate the harmful gas.Nitrogen sealing can effectively improve the level of energy saving and environmental protection industry in the reservoir area of China’s petrochemical enterprises.In the current mainstream design ideas,nitrogen sealing process by mechanical valve control for tank gas phase process there is no good hydraulic calculation basis and process parameters for reference.These problems will lead to unreasonable design of nitrogen sealing laws,and may cause major accidents.The above problems were elaborated on,through the analysis of the hydraulic model,some opinions were given.

nitrogen; chemical storage; transportation

張燁(1988-)，男，助理工程師，本科學(xué)歷，現(xiàn)從事油氣儲(chǔ)運(yùn)設(shè)計(jì)工作。

TQ062+.2

A

1001-9677(2016)011-0193-03