大型全壓力式液化烴球罐區(qū)設(shè)備及管道布置探討

(中國(guó)五環(huán)工程有限公司，武漢 湖北 430223)

液化烴為15℃的溫度下，蒸汽壓力大于0.1MPa的烴類液體及其他類似的液體，不包括液化天然氣。石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范GB50160[1]上將液化烴火災(zāi)危險(xiǎn)性劃分為甲A類。1m3液化烴可氣化成250～300m3的氣態(tài)烴，與空氣形成3 000～15 000m3的爆炸性混合氣體。而且液化烴的點(diǎn)火能量極低，一般在0.25MJ左右，電話、步話機(jī)、手電筒開關(guān)時(shí)產(chǎn)生的火花即可點(diǎn)燃爆炸性混合氣體，形成爆炸。液化烴介質(zhì)一般有兩種儲(chǔ)存方式：一是常溫下加壓儲(chǔ)存，即選用壓力儲(chǔ)罐，一般用于石油化工廠、煤化工廠的中間、產(chǎn)品罐區(qū)等；二是常壓下低溫儲(chǔ)存，一般用于原料罐區(qū)、船運(yùn)低溫液化烴的接收站等?；S的液化烴罐區(qū)屬于重大危險(xiǎn)源，科學(xué)與規(guī)范的設(shè)計(jì)對(duì)提高液化烴罐區(qū)的本質(zhì)安全性、減少安全事故的發(fā)生率具有十分重大的意義。本文從液化烴球罐區(qū)的設(shè)備布置、管道布置兩個(gè)角度出發(fā)，對(duì)液化烴球罐區(qū)的相關(guān)設(shè)計(jì)問題進(jìn)行了討論，并結(jié)合實(shí)際工程案例進(jìn)行了總結(jié)。

1 球罐區(qū)設(shè)備布置

1.1 球罐分組布置

液化烴儲(chǔ)罐應(yīng)成組布置[1]。每個(gè)液化烴罐組內(nèi)的儲(chǔ)罐不應(yīng)超過2排，每組全壓力式儲(chǔ)罐的個(gè)數(shù)不應(yīng)多于12個(gè)。單個(gè)液化烴罐組四周應(yīng)設(shè)環(huán)形消防通道，消防車道路面寬度應(yīng)不小于6m，路面內(nèi)緣轉(zhuǎn)彎半徑不宜小于12m，而且路面上的凈空不應(yīng)低于5m。

1.2 罐組內(nèi)罐與罐之間間距

按照GB50160第6.3.3條[1]，工藝上有事故排放至火炬的措施為球罐間間距取相鄰較大儲(chǔ)罐直徑的一半；無(wú)事故排放至火炬的措施為球罐間間距取相鄰較大儲(chǔ)罐直徑。這一點(diǎn)要求與建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范GB50016上的要求是不一致的。GB50016上第4.4.2條[2]規(guī)定：液化石油氣儲(chǔ)罐之間的防火間距不應(yīng)小于相鄰較大罐的直徑。GB50016上的液化石油氣專指以C3、C4或由其為主所組成的混合物；而GB50160上的液化烴，定義為“15℃時(shí)的蒸汽壓力>0.1MPa的烴類液體及其他類似的液體，不包括液化天然氣”，不僅包含液化石油氣，還涉及乙烯、乙烷、丙烷等單組分液化烴類。

對(duì)于石油化工企業(yè)內(nèi)的液化石油氣儲(chǔ)罐的布置，是否應(yīng)遵循GB50016的要求存在爭(zhēng)議。GB50016上根據(jù)儲(chǔ)罐區(qū)的總?cè)莘e將液化石油氣儲(chǔ)罐和儲(chǔ)罐區(qū)分為了7檔，在4.4.1條的解釋[2]中指出，第6、7檔主要為特大型灌瓶站、大中型儲(chǔ)配站、儲(chǔ)存站和石油化工廠的儲(chǔ)罐區(qū)。由此可見，GB50016上提到的液化石油氣儲(chǔ)罐區(qū)包括石油化工廠的儲(chǔ)罐區(qū)。但是在GB50016的總則中又指出：石油和天然氣工程、石油化工工程、煤化工等的建筑防火設(shè)計(jì)，當(dāng)有專門的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，宜從其規(guī)定。這就導(dǎo)致了爭(zhēng)議的產(chǎn)生。而且，GB50016上對(duì)液化石油氣儲(chǔ)罐的分組布置也與GB50160的要求不同。GB50016要求數(shù)個(gè)儲(chǔ)罐的總?cè)莘e大于3 000m3時(shí)，應(yīng)分組布置，組內(nèi)儲(chǔ)罐宜采用單排布置。這條對(duì)于石油化工企業(yè)來說，較難執(zhí)行。隨著工藝的不斷進(jìn)步、裝置處理規(guī)模的不斷增大，3 000m3的全壓力式液化烴、液化石油氣儲(chǔ)罐變得十分常見。如果遵循GB50016，那3 000m3的液化石油氣儲(chǔ)罐就要單罐單組，這將極大地增加占地與投資。

在對(duì)液化石油氣的火災(zāi)危險(xiǎn)性論述中，GB50160和GB50016也存在不同之處。GB50160認(rèn)為液化烴壓力儲(chǔ)罐比常壓甲B類液體儲(chǔ)罐安全，液化烴罐因漏氣而著火的火焰并不大，且罐內(nèi)為正壓，空氣不能進(jìn)入，火焰不會(huì)竄入罐內(nèi)而引起爆炸。而GB50016上指出，當(dāng)液化石油氣儲(chǔ)罐破裂時(shí)，罐內(nèi)壓力急劇下降，罐內(nèi)液化石油氣會(huì)立即氣化成大量氣體，并向上空噴出，形成蘑菇云，繼而降至地面，向四周擴(kuò)散，與空氣混合形成爆炸性氣體；一旦被引燃即發(fā)生爆炸，繼之大火以火球形式返回罐區(qū)形成火海，導(dǎo)致儲(chǔ)罐發(fā)生連續(xù)爆炸。GB50160對(duì)火災(zāi)的分析側(cè)重于漏氣，即少量泄漏情況；而GB50016側(cè)重于罐子破裂、大量泄漏的情況。隨著設(shè)計(jì)、制造及檢驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)步，壓力儲(chǔ)罐發(fā)生破裂的概率在減少；而且液化烴壓力儲(chǔ)罐區(qū)內(nèi)均設(shè)置有可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，一旦發(fā)生少量泄漏，即可及時(shí)被發(fā)現(xiàn)和處理，這也減少了儲(chǔ)罐發(fā)生大量泄漏的可能性。

石油天然氣工程設(shè)計(jì)防火規(guī)范GB50183上第6.6.9條[3]規(guī)定，對(duì)于陸上油氣田工程以及海洋油氣田終端工程中的液化石油氣壓力儲(chǔ)罐組，全壓力球罐間的防火間距為相鄰較大罐直徑，且6.6.2條規(guī)定，罐組內(nèi)儲(chǔ)罐個(gè)數(shù)不應(yīng)超過12個(gè)，總?cè)莘e不應(yīng)超過20 000m3。國(guó)外的標(biāo)準(zhǔn)NFPA58及API RP 2510上規(guī)定相鄰液化石油氣儲(chǔ)罐間距取相鄰較大儲(chǔ)罐直徑的一半，與GB50160的要求相同。

在實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中，需執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范應(yīng)根據(jù)具體的項(xiàng)目來確定。石油化工廠、煤化工廠的液化烴及液化石油氣儲(chǔ)罐一般都按照GB50160來設(shè)計(jì)。有的企業(yè)在企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)相應(yīng)內(nèi)容作出了規(guī)定。比如，中國(guó)石油天然氣股份有限公司的企標(biāo)Q/SY TZ 0236就規(guī)定“液化石油氣球罐組內(nèi)球罐之間的防火距離應(yīng)不小于相鄰較大罐的直徑”。筆者認(rèn)為，本著安全第一的原則，如果條件允許，適當(dāng)加大儲(chǔ)罐間間距以及限制儲(chǔ)罐組總?cè)莘e是有必要的。比如，內(nèi)蒙古安監(jiān)局在2014年發(fā)文(內(nèi)安監(jiān)管三字[2014]104號(hào))要求加大危險(xiǎn)化學(xué)品儲(chǔ)罐間距，對(duì)地上立式儲(chǔ)罐之間的距離，按不小于現(xiàn)行國(guó)家、行業(yè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定下限的兩倍確定。

1.3 防護(hù)墻/隔墻設(shè)置

GB50160第6.3.5條[1]規(guī)定，液化烴全壓力式儲(chǔ)罐組宜設(shè)不高于0.6m的防火堤，防火堤內(nèi)腳線距儲(chǔ)罐不應(yīng)小于3m，防火堤內(nèi)隔堤不宜高于0.3m。而儲(chǔ)罐區(qū)防火堤設(shè)計(jì)規(guī)范GB50351[4]對(duì)防火堤和防護(hù)墻進(jìn)行了區(qū)分，規(guī)定防火堤主要用于常壓油罐區(qū)及冷凍式儲(chǔ)罐區(qū)，防護(hù)墻主要用于全壓力式球罐區(qū)。防火堤用于儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏時(shí)，防止液體外流和火災(zāi)蔓延；而防護(hù)墻用于儲(chǔ)罐發(fā)生泄漏時(shí)，防止下沉氣體外溢，主要用于通過加壓使氣態(tài)變成液態(tài)的儲(chǔ)罐組。GB50351上對(duì)全壓力式液化烴儲(chǔ)罐組防護(hù)墻和隔墻的高度以及儲(chǔ)罐罐壁到防護(hù)墻的距離的要求與GB50160相同。

對(duì)于是否應(yīng)設(shè)置隔墻的問題，GB50160和GB50351均規(guī)定全壓力式儲(chǔ)罐組總?cè)莘e大于8 000m3時(shí)應(yīng)設(shè)隔墻，隔墻內(nèi)儲(chǔ)罐總?cè)莘e不應(yīng)大于8 000m3，當(dāng)單罐容量大于或等于5 000m3時(shí)應(yīng)每罐一隔。但在2014年7月，國(guó)家安全監(jiān)管總局發(fā)布了《進(jìn)一步加強(qiáng)化學(xué)品罐區(qū)安全管理的通知》 (安監(jiān)總管三 68號(hào))，該通知上要求可燃液體儲(chǔ)罐要按單罐單堤的要求設(shè)置防火堤或防火隔堤。因此，目前對(duì)液化烴球罐區(qū)均按照單罐單堤來設(shè)置。

1.4 儲(chǔ)罐基礎(chǔ)高度

首先，儲(chǔ)罐基礎(chǔ)高度要滿足泵的汽蝕余量要求。泵的有效汽蝕余量NPSHa與必須氣蝕余量NPSHr的差值應(yīng)大于0.6～1.0m。泵的有效汽蝕余量NPSHa等于儲(chǔ)罐最低液位到泵入口的高差減去泵入口管線的當(dāng)量阻力損失。液化烴介質(zhì)因密度小、飽和蒸汽壓高，易產(chǎn)生泵氣蝕問題，因此，在實(shí)際應(yīng)用中通常選用筒袋泵來輸送。筒袋泵屬于液下泵的一種，將葉輪和泵體放進(jìn)筒袋內(nèi)，筒袋位于地面以下，相對(duì)提高了泵的抗氣蝕能力，減少了泵的必須氣蝕余量NPSHr。

其次，儲(chǔ)罐基礎(chǔ)高度要根據(jù)管道敷設(shè)方式(沿管廊敷設(shè)或沿地面低支架敷設(shè))來確定。表1從操作檢修、通行、管道走向及初始投資等角度對(duì)液化烴球罐區(qū)管道沿管廊敷設(shè)與沿地面或低支架敷設(shè)進(jìn)行了對(duì)比。

表1 管道沿管廊敷設(shè)與沿地面或低支架敷設(shè)的對(duì)比

罐區(qū)管廊標(biāo)高一般取EL2.500，除去結(jié)構(gòu)梁高度，底部?jī)艨赵?.2m左右。為了保證從球罐出口到泵入口管線無(wú)袋型，球罐底部管道上靠近管口的緊急切斷閥布置的位置較高，一般中心標(biāo)高在EL3.000左右，閥門下方設(shè)置操作平臺(tái)。緊急切斷閥一般選用可遠(yuǎn)程遙控的氣動(dòng)開關(guān)球閥，執(zhí)行結(jié)構(gòu)較大，閥門比較重，比如DN250，CL300的氣動(dòng)開關(guān)球閥總質(zhì)量約1.3t。這樣的閥門放在罐底的平臺(tái)上，增加了安裝及檢修的難度。而且，為了保證操作和檢修的空間，罐子的基礎(chǔ)要做的較高，比如對(duì)于3 000m3的鋼制球罐，鋼制球形儲(chǔ)罐型式與基本參數(shù)GB/T 17261[5]上球罐支柱底板底面至球殼赤道平面的距離為11 000mm，球罐的直徑為18 000mm，這樣球罐底到支柱底板底面的距離約為2 000mm。如果球罐底部設(shè)置標(biāo)高為EL2.500的操作平臺(tái)，考慮操作平臺(tái)上方2.2m的凈空，球罐基礎(chǔ)標(biāo)高要設(shè)置在EL2.700。這無(wú)疑會(huì)增加結(jié)構(gòu)和管道的費(fèi)用。當(dāng)管道沿地面低支架布置時(shí)，球罐基礎(chǔ)標(biāo)高可以設(shè)置在EL0.600～EL1.000左右。球罐底部?jī)H需設(shè)置人孔操作平臺(tái)，進(jìn)出口管線上的緊急切斷閥均布置在地面。低支架的標(biāo)高一般略高于防護(hù)墻，標(biāo)高取EL0.700較合適，保證管道從防護(hù)墻上方穿越。管線低管架布置的缺點(diǎn)是檢修與逃生通道靠跨橋連接，部分管道難以避免形成袋型。

在實(shí)際的設(shè)計(jì)中，筆者認(rèn)為球罐底部進(jìn)出管道低支架敷設(shè)相對(duì)較好，可以節(jié)省投資；而且儲(chǔ)罐基礎(chǔ)低，能減少風(fēng)載或地震載荷的不良影響。在布置上可以采取措施來規(guī)避低管墩布置的缺點(diǎn)，比如通過增加跨橋的數(shù)量、將臨近的跨橋用通道連接等方法來減少管道對(duì)通行和逃生的影響；通過對(duì)管道標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整，保證泵入口管道等主要工藝管線無(wú)袋型。

1.5 球罐頂部平臺(tái)及通道設(shè)置

球罐頂部設(shè)置圓形或方形平臺(tái)，對(duì)雙排布置的球罐，每?jī)蓚€(gè)球罐間設(shè)置聯(lián)合梯子，這樣能保證每個(gè)球罐頂平臺(tái)有兩個(gè)處于不同方位的逃生梯。對(duì)于單排儲(chǔ)罐，每?jī)蓚€(gè)球罐間設(shè)置聯(lián)合梯子，靠邊的儲(chǔ)罐上設(shè)置旋梯，保證每個(gè)球罐頂部平臺(tái)有兩個(gè)逃生通道。

2 球罐區(qū)管道布置

按照石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范SH/T 3007—2014第6.3.5條[6]的要求：與壓力儲(chǔ)罐相連的管道應(yīng)采用柔性連接方式，并應(yīng)滿足抗震和防止儲(chǔ)罐沉降的要求，不宜采用軟管連接。對(duì)于液化烴球罐，一般不設(shè)置金屬軟管，防止產(chǎn)生泄漏。為了滿足抗震和防止儲(chǔ)罐沉降的要求，管道布置時(shí)應(yīng)盡可能增加柔性，并將結(jié)構(gòu)專業(yè)提供的沉降量數(shù)值作為應(yīng)力分析的輸入條件。

2.1 火炬管道的布置

按火炬氣的來源，液化烴球罐區(qū)火炬管可以分成兩類：一類是球罐放空管線，即球罐頂部安全閥、放空閥出口管線；另一類是熱膨脹安全閥(設(shè)置在兩端有可能關(guān)閉且因外界影響可能導(dǎo)致升壓的液化烴管道上)出口及切水罐安全閥出口管線。火炬總管一般沿罐頂平臺(tái)及通道布置，在每個(gè)罐頂平臺(tái)處沿平臺(tái)做π形補(bǔ)償?；鹁婵偣芷孪蚧鹁娣忠汗?，大罐罐頂平臺(tái)相對(duì)較高，宜布置在最遠(yuǎn)端。球罐頂?shù)陌踩y及放空閥均布置在高于火炬總管的位置，出口管線順介質(zhì)流向45°接入火炬總管。而對(duì)于熱膨脹安全閥和切水罐安全閥，因被保護(hù)管道及切水罐的位置相對(duì)較低，如果罐區(qū)內(nèi)未設(shè)置火炬分液罐，難以高于火炬總管布置。對(duì)于這一類火炬管線，考慮其排放量較小，可以設(shè)置一根支總管，熱膨脹安全閥及切水罐安全閥均布置在高于支總管的位置，保證安全閥后不會(huì)局部積液；所有排放氣在支總管會(huì)合后，再上翻至火炬總管上方，斜45°順介質(zhì)流向匯入火炬總管。支總管低點(diǎn)宜設(shè)置積液包和液位計(jì)，監(jiān)測(cè)積液情況。安全閥出口支架設(shè)置時(shí)，要考慮排放反力的影響，出口管線第一個(gè)支架宜設(shè)置限位支架，避免排放反力傳遞到設(shè)備管口。

2.2 儲(chǔ)罐間氣相平衡管

同種儲(chǔ)罐之間、儲(chǔ)罐和專用切水罐之間應(yīng)設(shè)置氣相平衡管。氣相平衡管走向和火炬管類似，一般也沿罐頂平臺(tái)及通道布置，在每個(gè)罐頂平臺(tái)處沿平臺(tái)做π形補(bǔ)償，在靠近切水罐的地方沿聯(lián)合梯子框架下翻，與切水罐氣相管線連接。

2.3 儲(chǔ)罐底部管道

儲(chǔ)罐底部接管主要有儲(chǔ)罐進(jìn)出口管線、輸送泵的回液管線、注水管線以及切水管線等。因液化烴飽和蒸汽壓高、易汽化，儲(chǔ)罐出口至輸送泵入口管線應(yīng)保證步步低，且設(shè)置一定的坡度。儲(chǔ)罐底部管線應(yīng)適當(dāng)設(shè)置柔性，增加水平段，吸收儲(chǔ)罐的沉降量。

3 工程實(shí)例

某15萬(wàn)t/a聚丙烯項(xiàng)目配套的罐區(qū)包括3個(gè)3 000m3的丙烯儲(chǔ)罐、4個(gè)3 000m3的不飽和LPG儲(chǔ)罐以及3個(gè)1 000 m3的飽和LPG儲(chǔ)罐。儲(chǔ)罐詳細(xì)參數(shù)見表2。該液化烴球罐區(qū)的布置見圖1。

表2 儲(chǔ)罐詳細(xì)參數(shù)

圖1 液化烴球罐組設(shè)備布置

該罐區(qū)占地174m(東西向)×57m(南北向)。罐組防護(hù)墻內(nèi)布置了3臺(tái)丙烯球罐(T40101A/B/C)、4臺(tái)不飽和LPG球罐(T40201A/B/C/D)、3臺(tái)飽和LPG球罐(T40301A/B/C)、3臺(tái)切水罐(V40102/V40202/V40302)。10臺(tái)球罐呈2排5列布置，防護(hù)墻內(nèi)設(shè)置隔墻，每罐一隔。球罐間凈距大于相鄰較大罐直徑的一半，球罐到隔墻和防護(hù)墻距離大于3m。防護(hù)墻外東側(cè)布置與儲(chǔ)罐配套的泵區(qū)和雨淋閥室。泵露天布置，泵到球罐外壁的凈距大于15m。丙烯汽化器(E40101)緊挨泵區(qū)南側(cè)布置。在罐組中間設(shè)置5m寬的管廊，自西向東，穿過泵區(qū)，與全廠外管的管架相連。為方便操作與逃生，罐頂設(shè)置平臺(tái)，并相互連通，2臺(tái)儲(chǔ)罐間設(shè)置聯(lián)合梯子。防護(hù)墻高0.6m，隔墻高0.3m，防護(hù)墻和隔墻四周設(shè)置人行臺(tái)階，確保生產(chǎn)操作的方便和安全可靠。 該布置存在的缺點(diǎn)為球罐進(jìn)出口管線上的緊急切斷閥均布置在球罐底EL2.500m的操作平臺(tái)上，安裝與檢修比較困難。

4 結(jié)語(yǔ)

本文參照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范并結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)液化烴球罐區(qū)的設(shè)備及管道布置進(jìn)行了詳細(xì)的討論，并得出以下結(jié)論供相關(guān)設(shè)計(jì)人員參考。

(1)石油化工廠、煤化工廠的液化烴球罐布置一般參考GB50160，但當(dāng)?shù)胤揭?guī)定或企標(biāo)有更嚴(yán)格要求時(shí)，應(yīng)遵照?qǐng)?zhí)行。如果條件允許，適當(dāng)加大儲(chǔ)罐間間距以及限制儲(chǔ)罐組總?cè)莘e是有必要的。

(2)液化烴球罐區(qū)管道采用低支架敷設(shè)能降低球罐的支撐點(diǎn)標(biāo)高，并方便球罐底部緊急切斷閥的安裝與檢修。

(3)與液化烴球罐連接的管道一般不使用金屬軟管，配管時(shí)要增加管道柔性，吸收儲(chǔ)罐的沉降量，應(yīng)力分析時(shí)應(yīng)將儲(chǔ)罐沉降量作為設(shè)計(jì)輸入。