常壓可燃液體儲(chǔ)罐氮封工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊建寧

（中國(guó)市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司陜西分院，西安 710000）

1 應(yīng)采用氮封系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)的儲(chǔ)罐類型

1.1 結(jié)構(gòu)類型

當(dāng)前，有2種結(jié)構(gòu)形式的可燃液體儲(chǔ)罐需采用氮封進(jìn)行保護(hù)，即內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐和固定頂儲(chǔ)罐。

1.1.1 內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐

內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐常用于儲(chǔ)存火災(zāi)危險(xiǎn)性為甲、乙類揮發(fā)性比較強(qiáng)的物料或?qū)崈舳纫蟊容^高的物料。浮盤在液體浮力作用下可浮動(dòng)于液面上方，可隨罐內(nèi)液面升降，起到減少物料揮發(fā)物料損失的作用。盡管儲(chǔ)罐液面上方有浮盤的保護(hù)，但浮盤與儲(chǔ)罐壁之間不可避免地存在一定的密封間隙，所儲(chǔ)存的物料在氣溫較高時(shí)容易揮發(fā)，易揮發(fā)的物料有可能沿著空隙溢出聚集于浮盤上部空間。當(dāng)以上物料的蒸汽濃度處于爆炸上下限范圍內(nèi)時(shí)，如遇靜電或其他不可預(yù)見因素產(chǎn)生的火花，就可能發(fā)生爆炸或者火災(zāi)事故而造成損失，因此必須采用氮封系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。

1.1.2 固定頂儲(chǔ)罐

固定頂儲(chǔ)罐作為一種廣泛應(yīng)用的倉(cāng)儲(chǔ)容器，適用于常壓液態(tài)物料的儲(chǔ)存。當(dāng)儲(chǔ)存物料需與空氣隔離或者物料易揮發(fā)產(chǎn)生危險(xiǎn)爆炸危險(xiǎn)性氣體時(shí)，人們就需要采用氮封系統(tǒng)對(duì)這種儲(chǔ)罐進(jìn)行保護(hù)。

1.2 儲(chǔ)罐的使用范圍

一般的常壓儲(chǔ)罐常采用立式圓筒形鋼制儲(chǔ)罐，其頂部結(jié)構(gòu)形式屬于弱頂結(jié)構(gòu)，其頂部與筒體進(jìn)行弱焊連接，它可以在事故工況下發(fā)生爆炸時(shí)起到頂部可掀翻泄壓的作用，以避免筒體破壞造成物料大面積泄露，其設(shè)計(jì)壓力（表壓）限制在-0.5～6.0 kPa范圍內(nèi)。因此，當(dāng)儲(chǔ)存物料的蒸汽壓數(shù)值在6 kPa以上時(shí)，可考慮采用浮頂罐進(jìn)行儲(chǔ)存。

儲(chǔ)存液體物料常壓閃點(diǎn)低于45℃時(shí)，由于物料揮發(fā)性強(qiáng)烈，儲(chǔ)罐可能會(huì)承受一定的內(nèi)壓，可采用壓力儲(chǔ)罐或低溫類保冷效果好的常壓類儲(chǔ)罐。

2 氮封系統(tǒng)的作用、應(yīng)用

氮封閥是氮封系統(tǒng)的主要控制元部件，其作用就是：當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)力受外界因素影響降低時(shí)，氮封閥會(huì)自動(dòng)開啟將氣源管道內(nèi)的氮?dú)庀蚬迌?nèi)補(bǔ)充以維持儲(chǔ)罐微正壓狀態(tài)，防止儲(chǔ)罐由于壓力過低被外界大氣壓壓癟。當(dāng)液面上升或儲(chǔ)存介質(zhì)的蒸發(fā)量過大造成儲(chǔ)罐內(nèi)壓力增大，儲(chǔ)罐上部空間氣相壓力超過儲(chǔ)罐頂部的呼吸閥的開啟壓力時(shí)，呼吸閥開啟，排除儲(chǔ)罐內(nèi)部分氣相介質(zhì)，使儲(chǔ)罐維持在微正壓（400～1 000 Pa），即使儲(chǔ)罐處于可承受的壓力范圍內(nèi)[4-7]。

2.1 氮封系統(tǒng)的作用

2.1.1 保護(hù)儲(chǔ)罐

當(dāng)氣溫驟降引起物料蒸汽大量冷凝或者物料大量外輸引起液面迅速降低等因素造成儲(chǔ)罐內(nèi)力降低時(shí)，氮封閥開啟，及時(shí)向儲(chǔ)罐內(nèi)補(bǔ)充氮?dú)?，避免常壓?chǔ)罐因真空度過大被外界大氣壓壓癟。

2.1.2 保護(hù)儲(chǔ)存物料

如只采用呼吸閥，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力降低時(shí)，外界空氣會(huì)吸入儲(chǔ)罐內(nèi)；如采用氮封系統(tǒng)，氮?dú)庾鳛閮?chǔ)罐降壓時(shí)的補(bǔ)氣氣源，可控制物料上層氣相的空氣含量，以防止物料被外界氣體污染，提高物料長(zhǎng)期存儲(chǔ)的安全性。

2.1.3 減少大氣環(huán)境污染

氮封系統(tǒng)維持儲(chǔ)罐內(nèi)微正壓可減少物料的蒸發(fā)量，從而起到減少物料揮發(fā)的作用。

2.2 氮封系統(tǒng)的應(yīng)用

儲(chǔ)罐是否需要氮封，主要根據(jù)物料的物性來(lái)決定，通常在以下幾種工況下，儲(chǔ)罐需要用氮封：

儲(chǔ)存揮發(fā)性大或毒性大，對(duì)環(huán)境污染較大的液體儲(chǔ)罐；儲(chǔ)存物料容易發(fā)生氧化或本身吸水性或水溶性比較強(qiáng)的儲(chǔ)罐；儲(chǔ)存物料閃點(diǎn)較低的液體儲(chǔ)罐[8-9]。

3 氮封系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

考慮到氮封閥需要檢修，為保證儲(chǔ)罐或者物料安全，應(yīng)給氮封系統(tǒng)設(shè)置備用氮?dú)庋a(bǔ)充裝置，通常采用氣動(dòng)直通薄膜調(diào)節(jié)閥旁路與供應(yīng)氮?dú)獾闹鞴苓B接，正常工況下可使用氮封系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)；當(dāng)?shù)忾y失靈或者處于檢修校正狀態(tài)下不能正常工作時(shí)，備用的旁路相應(yīng)調(diào)節(jié)閥開啟，給儲(chǔ)罐內(nèi)補(bǔ)充氮?dú)?；?dāng)因氣溫升高引起物料大量揮發(fā)或者物料大量進(jìn)入儲(chǔ)罐使儲(chǔ)罐壓力高于設(shè)計(jì)值時(shí)，先通過呼吸閥排放罐內(nèi)氣體，當(dāng)呼吸閥無(wú)法滿足降壓要求時(shí)，通過緊急泄壓閥開啟排除氣相降低壓力，這兩種系統(tǒng)可通過電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行連鎖，分別設(shè)定相應(yīng)的工作壓力級(jí)別進(jìn)行控制。緊急泄壓閥設(shè)置定壓不應(yīng)高于儲(chǔ)罐的可承受的最高工作壓力，以確保儲(chǔ)罐的安全排放。

3.2 常用的氮封系統(tǒng)

3.2.1 氮封閥控制的氮封系統(tǒng)

氮封閥一般采用自力式氮封閥，可通過自反饋系統(tǒng)自動(dòng)控制氮?dú)饬髁?，使閥后壓力保持恒定范圍內(nèi)[1]。該種閥門的特點(diǎn)包括：可控制精度高，可進(jìn)行自反饋矯正；調(diào)節(jié)壓差比大，特別適合微壓氣體控制；壓力設(shè)定在執(zhí)行器上實(shí)現(xiàn)，可在運(yùn)行狀態(tài)下連續(xù)設(shè)定。

氮封是采用氮封閥本身的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制控制相應(yīng)閥門開關(guān)度，從而達(dá)到調(diào)整儲(chǔ)罐內(nèi)壓力的目的。儲(chǔ)罐上設(shè)置的壓力變送器為氮封閥提供連鎖信號(hào)反饋，壓力低于系統(tǒng)設(shè)定壓力值且持續(xù)降低時(shí)，氮封閥接收到儲(chǔ)罐壓力變送器連鎖信號(hào)后打開，氮?dú)饨?jīng)氮封閥進(jìn)入罐內(nèi)直到儲(chǔ)罐內(nèi)壓力達(dá)到正常范圍。罐內(nèi)壓力高時(shí),氣相通過呼吸閥或者緊急泄壓閥排出[10-11]。

3.2.2 氮封閥配水封的氮封系統(tǒng)

當(dāng)儲(chǔ)存物料對(duì)水蒸氣含量要求不嚴(yán)格時(shí)，可采用氮封閥配水封的氮封系統(tǒng)，如圖1所示。

水封的作用：當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力超過設(shè)氮封系統(tǒng)的定值時(shí)，通過水封裝置向外排放氣體，達(dá)到泄壓的目的；當(dāng)?shù)忾y和機(jī)械呼吸閥同時(shí)失靈，罐內(nèi)產(chǎn)生負(fù)壓時(shí)，可通過水封系統(tǒng)吸入空氣，保護(hù)儲(chǔ)罐不發(fā)生變形損壞[2]。

圖1 配套水封的氮封系統(tǒng)

3.3 氮封系統(tǒng)供氣量的計(jì)算

氮封裝置的供氣量可根據(jù)物料的外輸量、氣溫因素引起的氣象冷凝或收縮量來(lái)確定。氮?dú)庥?jì)算用量應(yīng)大于或等于物料外輸時(shí)儲(chǔ)罐需要的補(bǔ)充氣量與氣溫驟降（如暴雨天氣）而引起的罐內(nèi)氣體收縮或者迅速冷凝引起氣相減少所需的補(bǔ)充氣量之和。

物料的外輸補(bǔ)充氣量等于最大輸出能力。當(dāng)氣溫因素引起罐內(nèi)氣體收縮或迅速冷凝造成氣相減少時(shí)，需要補(bǔ)充氣量，人們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)可參靠美國(guó)石油學(xué)會(huì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)?！冻汉偷蛪簝?chǔ)罐的放空》（API 2000）有如下規(guī)定：對(duì)有效容積不小于3 180 m3的常壓液體儲(chǔ)罐，補(bǔ)充氣量與儲(chǔ)罐殼體面積和罐頂?shù)谋砻娣e呈比例關(guān)系，每單位面積（殼體面積和罐頂?shù)谋砻娣e）每小時(shí)需要補(bǔ)充0.6 m3氮?dú)?；?duì)有效容積小于3 180 m3的儲(chǔ)罐，每單位容積每小時(shí)需要補(bǔ)充的氣量為0.78 m3。設(shè)計(jì)時(shí)，上述兩項(xiàng)所需氣量之和再加一定量的損耗，就是單個(gè)儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)所需消耗的氮?dú)饬縖3]。

4 結(jié)語(yǔ)

人們應(yīng)根據(jù)儲(chǔ)罐儲(chǔ)存的物料物性要求來(lái)確定氮封系統(tǒng)使用的氮?dú)饧兌龋洳灰说陀?9.96%，一般來(lái)說(shuō)，化工項(xiàng)目都有相應(yīng)的空分系統(tǒng)，空分裝置生產(chǎn)的氮?dú)饣蛘邆}(cāng)儲(chǔ)項(xiàng)目使用的制氮機(jī)制取的氮?dú)饨?jīng)系統(tǒng)調(diào)壓后即可滿足使用條件。

儲(chǔ)罐設(shè)置氮封系統(tǒng)可以防止罐內(nèi)氣相空間形成爆炸性混合物，同時(shí)可防止和避免可燃有毒介質(zhì)的揮發(fā)對(duì)環(huán)境造成污染；減少吸水性物料對(duì)水分的吸收；降低易氧化物料的氧化反應(yīng)。儲(chǔ)罐設(shè)置氮封系統(tǒng)是原料儲(chǔ)存環(huán)節(jié)至關(guān)重要的保護(hù)性措施。