常壓儲罐氮封系統(tǒng)供氣量計算方法探討

田 甜

(中石化寧波工程有限公司上海分公司，上海 200030)

1 概述

石油化工廠的儲罐儲存的多為易燃、易爆、易揮發(fā)的物料，為防止其和氧氣接觸，避免發(fā)生燃燒爆炸，通常在儲罐的氣相空間充入氮?dú)庖愿艚^空氣。在儲罐內(nèi)充入氮?dú)夂?,不僅可減少避免有毒有害物質(zhì)進(jìn)入大氣污染環(huán)境，同時還可阻止儲罐內(nèi)的物料與空氣接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，減小發(fā)生火災(zāi)的可能性，提高介質(zhì)的儲存安全性。這種用氮?dú)庾鳛閮薜谋Ｗo(hù)氣體的措施稱為氮封。氮封壓力一般維持在0.5～1.5kPa之間。

2 氮封系統(tǒng)的工作原理及組成

氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)就是用氮?dú)鈦硌a(bǔ)充儲罐內(nèi)的氣相空間。有兩種原因?qū)е聝迌?nèi)的氣相空間變化，第一種是：當(dāng)界區(qū)外物料打入儲罐時，隨著罐內(nèi)液位的上升，儲罐內(nèi)的氣體需向外排出以便保證儲罐壓力不會突然增大；當(dāng)儲罐內(nèi)的物料被泵送至下游設(shè)備時，隨著罐內(nèi)液位的下降，需向儲罐內(nèi)補(bǔ)入氮?dú)庖员ＷC儲罐壓力不會突然減少而抽扁儲罐。第二種是：由于儲罐設(shè)置在室外，受氣溫驟然變化而引起罐內(nèi)溫度的變化，熱脹冷縮的效應(yīng)導(dǎo)致儲罐氣相空間出現(xiàn)體積膨脹或收縮，從而引起罐內(nèi)氣體壓力的變化[1]。

在正常的情況下，為防止儲罐出現(xiàn)超壓或負(fù)壓狀態(tài)，使用氮封系統(tǒng)即可維持壓力平衡，在氮封閥事故失靈不能及時開啟關(guān)閉時，呼吸閥能夠起到良好的補(bǔ)充作用，為了確保儲罐事故工況下的安全排放，還應(yīng)在儲罐上設(shè)置緊急泄放閥[2]。詳見圖1。

圖1 氮封系統(tǒng)組成

3 氮封系統(tǒng)供氣量計算方法

由氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)的基本工作原理可知，氮?dú)夤饬恐饕袃刹糠钟猛?，一是由于儲罐向外輸出物料時，泵抽出引起儲罐內(nèi)物料體積減少而通過控制閥A補(bǔ)入氮?dú)?，二是由于儲罐環(huán)境溫度驟然降低而引起罐內(nèi)氣相空間中氣體的冷凝和收縮，此時需補(bǔ)充氮?dú)獗３止迌?nèi)壓力穩(wěn)定。其中，液體出罐時最大出液量所造成的氮?dú)馕肓?，?yīng)按液體最大出液量考慮。環(huán)境溫度導(dǎo)致罐內(nèi)氣體收縮導(dǎo)致的氮?dú)庋a(bǔ)充量可使用SH/T 3007-2014《石油化工儲運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》[3]和美國石油協(xié)會編制的標(biāo)準(zhǔn)API2000-2014《常壓和低壓儲罐的通氣》[4]計算。SH/T 3007-2014和API2000-2014的計算方法有所不同，下面將分別說明兩種計算方法。

3.1 SH/T 3007-2014計算方法

SH/T 3007-2014《石油化工儲運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》中，根據(jù)5.1.6 c)條規(guī)定，因大氣最大溫降導(dǎo)致罐內(nèi)氣體收縮所造成儲罐吸入的空氣量和大氣最大溫升導(dǎo)致罐內(nèi)氣體膨脹而呼出的氣體，宜按表1確定。

表1 儲罐熱呼吸通氣需要量

從表1可知，標(biāo)準(zhǔn)SH/T 3007-2014計算氣溫變化引起的補(bǔ)氮量是根據(jù)儲罐體積選擇的，當(dāng)儲罐容積與列表不一致時，可用內(nèi)插法求的所需氣量。此氣量與儲罐最大出液量相加即為儲罐需要的最大補(bǔ)氮量。

3.2 API2000-2014計算方法

API2000-2014適用于操作壓力為103.4kPaG以內(nèi)的常壓或低壓儲罐，儲罐類型分為制冷儲罐和非制冷儲罐。對于非制冷儲罐，氣溫變化引起的吸氣量可根據(jù)以下公式進(jìn)行計算：

VIT=C*Vtk0.7*Ri

(1)

C-系數(shù)(由儲存溫度計緯度決定)，詳見表2；

Vtk-儲罐容積，m3；

Ri-保溫系數(shù)(無保溫時，Ri=1；部分保溫Ri=Rinp見公式(2)；全保溫Ri=Rin見公式(3))

(2)

ATTS-儲罐總表面積(包括罐體和罐頂)，m2；

Ainp-儲罐保溫層表面積，m2；

(3)

h-通常取4W/(m2·K)；

lin-保溫層厚度，m；

λin-保溫層導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)。

表2系數(shù)C

4 舉例

本例為地處新疆的某聚合加氫樹脂原料罐罐頂?shù)饬坑嬎?。如圖2所示，聚合加氫樹脂原料罐由三個完全相同的儲罐(全保溫)T-1001/1002/1003組成，原料雙環(huán)戊二烯由卸車站臺卸車泵送入，并由原料輸送泵送至主裝置。雙環(huán)戊二烯液體易燃易爆易聚合，密度980 kg/m3，閃點(diǎn)32℃，自燃點(diǎn)503℃。儲罐設(shè)計參數(shù)如下：

圖2 聚合加氫樹脂原料罐

儲罐設(shè)計壓力：2/-0.49kPaG；工作壓力：常壓；設(shè)計溫度：60℃；工作溫度：40℃。儲罐直徑/高度：11500/9600 mm；容積：1000 m3。

卸車泵送來流量(max)55 m3/h；

輸送泵送至主裝置流量(max)：6 m3/h。

儲罐選用固定頂儲罐，安全措施選擇：氮封；呼吸閥；緊急泄放閥。氮封量計算結(jié)果如下：

(1)按照SH/T 3007-2014計算，氮封量分為兩部分，一部分為輸送泵將物料送往主裝置引起罐內(nèi)液位下降所造成的氮?dú)庋a(bǔ)入量，為輸送泵的最大流量6 m3/h；另一部分為環(huán)境氣溫變化引起儲罐內(nèi)氣體收縮造成儲罐吸入氮?dú)饬?，由于單臺儲罐容積為1000 m3，對照表1，可得氮?dú)庋a(bǔ)入量為169 m3/h，因此，單臺儲罐的氮?dú)庾畲笱a(bǔ)入量為6+169=175 m3/h≈175Nm3/h，由于充入氮?dú)鉁p壓至1kPaG,約等于標(biāo)況下大氣壓。

(2)按照API2000-2014計算，氮封量依舊分為兩部分，一部分為輸送泵引起的儲罐液位下降，為6 m3/h；另一部分按照公式(1)計算：

VIT=C*Vtk0.7*Ri

=C*10000.7*Ri

儲罐全保溫，此時Ri=Rin，按照公式(3)

根據(jù)統(tǒng)一規(guī)定，保溫材料為巖棉制品，求得導(dǎo)熱系數(shù)λin=0.042，W/(m·K)，保溫厚度為60 mm，Rin=0.146。由于裝置處于新疆地區(qū)，介質(zhì)性質(zhì)蒸汽壓接近正己烷，儲存溫度≥25℃，查表2可得C=5，帶入公式(1)，VIT=92 Nm3/h，因此，單臺儲罐的氮?dú)庾畲笱a(bǔ)入量為6+92=98 Nm3/h。

5 結(jié)論

由計算結(jié)果可以看出，按照API2000-2014計算出的氮封量大大少于SH/T 3007-2014。因此，氮封設(shè)計過程中，在介質(zhì)及工藝操作情況允許的條件下，可采取儲罐增加保溫層的方式，減少環(huán)境溫度上升或下降對儲罐氣體的影響，從而減少密封氮?dú)獾挠昧浚瑥亩?jié)省設(shè)備投資及能耗。在設(shè)計中應(yīng)注意，儲罐保溫分為全保溫(罐體罐頂均設(shè)置保溫層)和部分保溫(僅罐體保溫)。對于同一儲罐全保溫比部分保溫所需氮封量更少，但須注意罐頂做保溫后的防滑措施。

參考文獻(xiàn)

[1]張 華,陳莉莉.工藝設(shè)計中的氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)研究[J].安徽化工,2014,41(9):194.

[2]住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB 50160-2008 石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范[S].北京:中國計劃出版社,2008.

[3]工業(yè)和信息化部.SH/T 3007-2014 石油化工儲運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國石化出版社,2014.

[4]API.API 2000-2014 Venting Atmospheric and Low-pressure Storage Tanks[S].Washington:[s.n.],2014.