化工常壓儲罐壓力平衡系統(tǒng)及其聯(lián)鎖保護分析

鄭康迪（中機國能煉化工程有限公司，天津300270）

石油化工廠中不可缺少的設(shè)備便是化工常壓儲罐，在對常壓儲罐進行使用的過程中儲罐內(nèi)的液面會變化，主要原因為外界溫度變化致使儲罐內(nèi)氣體發(fā)生收縮或膨脹，隨之儲罐內(nèi)的氣體的壓力也會隨之變化，氣壓的劇烈變化很容易導(dǎo)致儲罐發(fā)生超壓或真空的情況，如果過于嚴(yán)重可能會形成儲罐低壓癟罐和超壓儲罐。為了能夠有效預(yù)防常壓儲罐出現(xiàn)超壓、低壓等失衡狀態(tài)，這便需要加強工藝設(shè)計，主要做法便是在罐頂安裝呼吸閥進而保持常壓儲罐內(nèi)氣壓的平衡，構(gòu)成了化工常壓儲罐壓力平衡系統(tǒng)，保證常壓儲罐在超壓和真空的狀態(tài)下不受損，確保儲罐的穩(wěn)定性，還能有效降低儲罐內(nèi)物料的遺失，具有一定的安全意義和環(huán)保意義[1]。為了強化對化工常壓儲罐的使用，本文對化工常壓儲罐壓力平衡系統(tǒng)及其聯(lián)鎖保護進行分析。

1 常壓儲罐內(nèi)壓力發(fā)生變化的原因

如果儲罐的運行狀態(tài)和外界環(huán)境兩大因素不出現(xiàn)任何變化，那么常壓儲罐內(nèi)的壓力也不會出現(xiàn)變化，常壓儲罐只有滿足下述清醒儲罐內(nèi)的壓力才會失去平衡[2]。第一，常壓儲罐在對外界輸送物料的過程中會導(dǎo)致儲罐內(nèi)壓力的降低；第二，外界向常壓儲罐提供物料的過程中會導(dǎo)致儲罐內(nèi)壓力的升高；第三，在氣候等外界因素的影響下會導(dǎo)致常壓儲罐內(nèi)物料蒸氣壓變大或變小，進而導(dǎo)致常壓儲罐內(nèi)壓力的提升和降低，也就是常說的熱效應(yīng)；第四，發(fā)生火災(zāi)時常壓儲罐受到熱力的作用，導(dǎo)致蒸發(fā)量的突然增加進而致使常壓儲罐內(nèi)壓力的迅速提高。為了能在以上四種情況中確保常壓儲罐內(nèi)壓力的歐寧恒，所以需要常壓儲罐壓力平衡系統(tǒng)及其聯(lián)鎖保護，并且確保儲罐內(nèi)存在足夠的氣體呼吸量。

2 呼吸量的確定

常壓儲罐內(nèi)需要具有充足的呼吸量，這樣才能保證其能夠在正常的壓力下完成工作，并且不會大于設(shè)計過程中的正壓或負壓，進而能夠?qū)Τ簝扌纬杀Ｗo作用。通常情況下，儲罐的進料量、泵抽出量和熱效應(yīng)所形成的呼吸需求量決定著常壓儲罐呼吸閥的呼吸量[3]。

如果發(fā)生火災(zāi)，常壓儲罐內(nèi)物料會發(fā)生強烈汽化，并形成大量氣體，這時單單憑靠呼吸閥的呼吸量已經(jīng)無法有效滿足常壓儲罐壓力流失的需求，所以便需要強化設(shè)計，主要做法便是將泄入孔和泄壓閥安裝在常壓儲罐上。

3 儲罐內(nèi)壓力保護措施

常壓儲罐的壓力保護系統(tǒng)由以下幾部分組成，分別是氣封系統(tǒng)、呼吸閥系統(tǒng)、緊急釋放閥系統(tǒng)和壓力聯(lián)鎖系統(tǒng)。下面本文將對以上幾種系統(tǒng)分別進行分析。

3.1 氣封系統(tǒng)

氣封系統(tǒng)的主要組成部分為氣封閥。其主要作用為將儲罐內(nèi)部氣壓保持在一個確定的微正壓狀態(tài)，該裝置能夠有效預(yù)防儲罐出現(xiàn)負壓，降低風(fēng)險發(fā)生率。

如果常壓儲罐向外界輸送物料，或者因為外界溫度因素的影響導(dǎo)致儲罐內(nèi)壓力下滑時，氣封系統(tǒng)便會自動為儲罐提供相應(yīng)的氣體，多為氮氣，這樣便可以使儲罐內(nèi)保持確定的微正壓狀態(tài)，對儲罐形成一定的保護作用。

如果對儲罐內(nèi)提供的氣體達到氣體閥的標(biāo)準(zhǔn)值，氣封閥便會自動關(guān)閉，并且停止為儲罐提供氮氣，有效預(yù)防因提供氣體較多而導(dǎo)致儲罐內(nèi)壓力升高。

氣封系統(tǒng)行業(yè)內(nèi)主要實現(xiàn)方式有兩種：自力式調(diào)節(jié)閥氣封系統(tǒng)和壓力變送器+氣動調(diào)節(jié)閥的單回路壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

3.1.1 自力式調(diào)節(jié)閥氣封系統(tǒng)：

氣封系統(tǒng)用自力式調(diào)節(jié)閥一般為閥后取壓型，安裝在氣封管線上，一般閥后取壓點為罐頂壓力相對穩(wěn)定位置，能更準(zhǔn)確反應(yīng)儲罐壓力；給一個儲罐安全的壓力值作為自力式調(diào)節(jié)閥的設(shè)定值，儲罐壓力高于此值閥門關(guān)閉停止補氣，儲罐壓力低于此值閥門打開，開始補氣，因此使儲罐壓力始終維持在相對穩(wěn)定范圍。

3.1.2 壓力變送器+氣動調(diào)節(jié)閥的單回路壓力調(diào)節(jié)氣封系統(tǒng)：

此種氣封形式需通過DCS過程控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，罐頂壓力相對穩(wěn)定位置安裝1 臺壓力變送器，氣封管線安裝1 臺氣動調(diào)節(jié)閥，信號均送至DCS系統(tǒng)，在DCS系統(tǒng)內(nèi)完成組態(tài)，設(shè)定一個安全的儲罐壓力給定值，系統(tǒng)會實時自動監(jiān)測儲罐壓力，并實時調(diào)節(jié)閥門開度大小，使儲罐不超壓也不憋壓的同時壓力也相對穩(wěn)定。

3.2 呼吸閥系統(tǒng)

呼吸閥也是常壓儲罐的重要組成部分，通常被安裝在罐頂，控制罐內(nèi)外氣體的開啟和關(guān)閉，保持壓力平衡。當(dāng)儲罐在進料狀態(tài)時，外部溫度提高導(dǎo)致儲罐內(nèi)壓力提高，如果達到呼氣閥的標(biāo)準(zhǔn)值，將會自動打開，并排出多余氣體，確保壓力大于標(biāo)準(zhǔn)值。

如果儲罐內(nèi)壓力下降，并且氣封閥提供的氣體不能夠保持罐內(nèi)壓力，會導(dǎo)致罐內(nèi)降低至吸氣閥的標(biāo)準(zhǔn)值，將會自動打開，并將氣體吸入到儲罐內(nèi)，以防儲罐壓力的持續(xù)下降。

3.3 緊急泄放系統(tǒng)

如果發(fā)生火災(zāi)等意外情況時會導(dǎo)致儲罐發(fā)生劇烈超壓，僅僅使用呼吸閥釋放壓力是遠遠不夠的，無法有效保持儲罐壓力。所以可以使用以下幾種方法將儲罐內(nèi)壓力釋放。第一，可以在常壓儲罐上安裝爆破片或者緊急泄壓閥；第二，可以將弱連接方式應(yīng)用于儲罐的罐頂和罐殼。如果儲罐內(nèi)壓力提高并且打開呼吸閥也不能將壓力釋放，如果儲罐內(nèi)壓力達到緊急泄放閥的標(biāo)準(zhǔn)值，它便會自動打開并向外界噴氣，對于降低儲罐內(nèi)壓力作用明顯，所以該裝置被用來解決事故情形下超壓問題。

3.4 壓力聯(lián)鎖系統(tǒng)

常壓儲罐壓力變化的主要原因為液位的變化，所以應(yīng)使用儲罐的壓力聯(lián)鎖系統(tǒng)，該系統(tǒng)的主要作用為防止儲罐內(nèi)液位發(fā)生改變，進而達到控制壓力變化的效果，同時也是一種預(yù)防儲罐超壓和負壓的一種裝置。

當(dāng)外界向儲罐輸送物料時，如果儲罐頂部的壓力變送器發(fā)現(xiàn)儲罐內(nèi)壓力大于呼吸閥的標(biāo)準(zhǔn)值并且小于緊急釋放閥的標(biāo)準(zhǔn)值，這就表明呼吸閥的排氣能力較弱，聯(lián)鎖系統(tǒng)便會將進料泵關(guān)閉，從源頭防止儲罐內(nèi)壓力升高。

當(dāng)儲罐向外界輸送物料時，如果儲罐頂部的壓力變送器發(fā)現(xiàn)儲罐內(nèi)壓力小于呼吸閥的標(biāo)準(zhǔn)值并且大于緊急釋放閥的標(biāo)準(zhǔn)值，這就表明氣封閥不具備一定的補氣能力聯(lián)鎖系統(tǒng)便會將出料泵關(guān)閉，從源頭防止儲罐內(nèi)壓力降低[4]。

此壓力聯(lián)鎖系統(tǒng)需要通過裝置DCS過程控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，需要將所有檢測信號、狀態(tài)信號及停泵、關(guān)閥等命令信號均引入DCS系統(tǒng)，并將控制、聯(lián)鎖關(guān)系、PID流程圖及相關(guān)控制、聯(lián)鎖值均在DCS系統(tǒng)內(nèi)進行組態(tài)和設(shè)定。

4 常壓儲罐壓力聯(lián)鎖設(shè)定值

上述的全部儲罐壓力調(diào)控裝置相互關(guān)系密切，不同裝置的標(biāo)準(zhǔn)值也具有一定的關(guān)系，本文對石化行業(yè)使用較為廣泛的常壓儲罐進行分析，分別從負壓控制、超壓控制對其設(shè)計過程中常壓儲罐各裝置的標(biāo)準(zhǔn)值進行闡述。

4.1 負壓控制

正常操作壓力的范圍在1kPa-3kPa 之間，如果儲罐的壓力值小于1kPa時，應(yīng)將氣封閥打開，并為儲罐提供壓力，保持罐內(nèi)壓力的平衡，這也是負壓保護的第一步。打開氣封閥之后，如果儲罐內(nèi)壓力仍處于下降狀態(tài)，通過罐頂?shù)膲毫z測儀發(fā)現(xiàn)罐內(nèi)壓力值等于0kPa 時，聯(lián)鎖系統(tǒng)會自動將出料泵關(guān)閉，進而從源頭防止管內(nèi)壓力繼續(xù)降低，這便是負壓保護的第二步。如果將出料泵關(guān)閉后，管內(nèi)壓力降至-0.1kPa，會自動打開呼吸閥，將空氣吸入罐內(nèi)，保持壓力平衡，這是負壓保護的第三步[5]。

4.2 超壓控制

如果罐內(nèi)壓力大于3kPa時，呼吸閥會自動打開，完成排氣，釋放壓力。打開呼吸閥后，如果罐內(nèi)壓力仍處于上升狀態(tài)，將進料泵關(guān)閉，從源頭防止壓力提高。將進料泵關(guān)閉后，罐內(nèi)壓力升至8kPa使，打開緊急釋放閥，大量排氣，將壓力釋放。

5 結(jié)語

近些年來化工儲罐導(dǎo)致的安全事故較多，所以加強工藝設(shè)計，優(yōu)化平衡系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，達到安全設(shè)計的目標(biāo)。并且在其運行過程中要做好維護工作，有效控制風(fēng)險，確保常壓儲罐的安全穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。