浮頂儲罐設置PVV的必要性與計算方法探討

王 建

(中石化石油工程設計有限公司,山東 東營262700)

我國從70年代開始建造5萬m3浮頂油罐,80年代中后期開始建造10萬m3浮頂油罐【1】,之后又自主設計建造了12．5萬m3和15萬m3兩種規(guī)格的浮頂油罐.經過近40年的發(fā)展和改進,大型浮頂儲罐的材料選用、設計計算、施工方法、附件設置等趨于成熟,但是浮頂邊緣呼吸閥(以下簡稱PVV)的設置原則和計算方法等方面尚存爭議,尤其是當海外項目的儲罐規(guī)格、介質特性、環(huán)境條件、配套設施等與國內工程存在較大差異時,無法照搬國內經驗,必須綜合考慮安全性、經濟性等因素,科學合理地評估設置PVV的必要性以及確定其規(guī)格和數(shù)量等.

1 浮頂PVV簡介

1．1 設置PVV的必要性

運行狀態(tài)下,環(huán)形間隙的上部被浮頂密封隔離,下部被介質液封,從而形成一個比較封閉的氣相空間.隨著運行時間的延長,原油介質中的揮發(fā)性氣體、進油管線泵入的氣體逐漸積聚而形成壓力.該空間保持一定的正壓有助于抑制油氣揮發(fā),但是壓力超出允許范圍則可能對罐壁、浮頂和密封造成損害.另外,環(huán)境溫度驟降等特殊工況下可能使該氣相空間形成負壓,也存在損壞罐體、浮頂或密封的風險.通過設置一定規(guī)格和數(shù)量的PVV,可以使氣相空間的壓力維持在安全的范圍,減少油氣揮發(fā)損耗,并實現(xiàn)可燃性氣體的集中排放.

1．2 PVV安裝位置及相關浮頂附件介紹

通常情況下,PVV安裝位置如圖1所示,其通過導通管與浮頂環(huán)形間隙連接,使氣相空間的壓力保持在適當?shù)姆秶鷥?

圖1 PVV安裝示意

與PVV相關的浮頂附件介紹如下:

1)浮頂密封,安裝在環(huán)形間隙的頂部.性能良好的密封產品可以減少99%以上的原油揮發(fā)損耗.

2)自動通氣閥,安裝在浮頂上.當浮頂落至檢修高度時,自動通氣閥自動打開,氣體得以排出或補充;當浮頂升起后通氣閥關閉,以防止油氣揮發(fā)損耗.

1．3 PVV的設置依據(jù)

GB 50341【2】和 API 650【3】是應用較為廣泛的國內和國際儲罐設計建造標準,然而這兩個標準中都只要求在浮頂安裝自動通氣閥,未提及PVV.API 2000【4】和ISO 28300【5】是國際通用的儲罐泄放標準,然而這兩個標準也都明確規(guī)定不適用于外浮頂儲罐的泄放計算.

盡管在主要標準中沒有強制要求安裝PVV,但是世界各地建造的外浮頂原油儲罐大都安裝有PVV.近年來我國10萬m3和12．5萬m3儲罐大都安裝8個4″的PVV,15萬m3儲罐安裝9個4″的PVV;殼牌公司規(guī)定直徑不大于50 m的浮頂罐至少安裝2個4″的PVV,直徑大于50 m的至少安裝3個.可見,世界各國都認可浮頂儲罐設置PVV的必要性,但是由于缺少通用的計算方法,導致PVV設置的數(shù)量出現(xiàn)了較大差異.

2 浮頂環(huán)形空間工況分析

以支柱是否與罐底接觸為基準,把浮頂分為支撐狀態(tài)和漂浮狀態(tài).當浮頂處于支撐狀態(tài)時,自動通氣閥全開,浮頂內外壓力平衡;當浮頂處于漂浮狀態(tài)時,自動通氣閥關閉,環(huán)形空間的壓力需要通過PVV進行調節(jié).

2．1 正壓工況

環(huán)形空間出現(xiàn)正壓的工況主要有兩個:

1)工況一,支撐狀態(tài)下原油液位從圖2所示的狀態(tài)達到圖3所示的液封臨界狀態(tài)后,氣相被封于邊緣環(huán)形空間,繼續(xù)泵入原油至浮頂浸液深度C(如圖4所示)后,浮頂轉為漂浮狀態(tài).該過程中浸液深度C所對應容積的空氣被壓縮,導致環(huán)形空間壓力升高.

2)工況二,浮頂處于漂浮狀態(tài)后,原油中夾帶或蒸發(fā)的油氣逐漸在環(huán)形空間積聚,加之環(huán)境溫度升高等因素影響,導致壓力升高.

2．2 負壓工況

環(huán)形空間出現(xiàn)負壓的工況也主要有兩個:

1)工況一,浮頂處于漂浮狀態(tài)時,由于雨、雪等原因導致環(huán)形空間溫度急降,從而形成負壓.如泰國石油公司要求考慮15 min降溫20℃的工況.

圖2 自動通氣閥呼出階段

圖3 液封臨界狀態(tài)

圖4 PVV呼出階段

2)工況二,浮頂從漂浮狀態(tài)向支撐狀態(tài)過渡的過程中,支柱與罐底接觸的瞬間環(huán)形空間依然保持浸液深度C,如圖5所示.此后,繼續(xù)泵出原油直至圖3所示臨界狀態(tài),環(huán)形空間體積膨脹、壓力降低;當壓力達到PVV的吸氣開啟壓力時,PVV開啟,外界空氣得以補充.液位繼續(xù)降低,自動通氣閥解除液封,PVV關閉,如圖6所示.

3 基于風險分析安裝PVV的必要性

如第2節(jié)所述,浮頂儲罐運行過程中難免出現(xiàn)正壓和負壓,此壓力主要施加于罐壁、一次密封和浮頂外邊板.

圖5 PVV吸入階段

如表1所示,環(huán)形空間存在壓力時的危險工況主要有兩個:一是正壓工況下罐壁應力超標;二是正、負壓工況下一次密封損壞.具體分析如下:

1)浮頂儲罐雖然常被稱為常壓儲罐,但是環(huán)形空間的正壓是實實在在存在的.以泰國某項目為例,該項目擬儲存的21種原油和凝析油在60℃下的飽和蒸氣壓最高可達82．6 k Pa,如果不及時泄壓,很可能造成罐壁的變形或開裂.

圖6 自動通氣閥吸入階段

2)常用的一次密封有彈性填充密封和機械密封,其中彈性填充密封一般有很好的變形性,而機械密封的密封膜與Shoe Plate和外邊板的螺栓固定處往往容易發(fā)生撕裂.采用厚度為0．25 mm的聚四氟乙烯密封膜進行50 k Pa耐壓試驗,保壓10 min,試驗結果顯示,在螺栓孔處普遍出現(xiàn)撕裂(如圖7和圖8所示).所以采用機械密封的浮頂尤其應設置PVV以保護密封膜.

表1 正、負壓工況分析

圖7 聚四氟乙烯密封膜壓力試驗

圖8 聚四氟乙烯密封膜撕裂

4 PVV相關計算

API 2000用于固定頂儲罐泄放量計算時,一般是基于儲罐的全容積或全接液面積選用相關參數(shù).與固定頂不同,浮頂處于漂浮狀態(tài)時,始終與油面接觸,油氣僅存在于環(huán)形間隙且容積相對較小,所以API 2000特別注明,不適用于外浮頂儲罐的泄放計算.本文的解決思路是,基于各工況所對應的液相和氣相空間確定計算模型的容積和接液面積,進而在API 2000中選用合適的參數(shù)和計算公式.下面以某海外項目12萬m3原油儲罐為例,探討PVV的相關計算.

4．1 儲罐設計參數(shù)

某海外項目12萬m3原油儲罐設計參數(shù)見表2.

4．2 PVV額定通氣量

PVV的額定通氣量一般由廠家提供,國內項目也可按照SY/T 0511．1【6】選取適合開啟壓力等級的PVV之后得到對應的額定通氣量.國際采購時,各供貨商的產品往往自成體系,而且大都采用“定壓＋超壓限度”的參數(shù)組合計算PVV的泄放能力.本例中選用美國EMERSON公司定壓0．75 k Pa的PVV,超壓限度30%(0．225 k Pa),額定呼氣通氣量(標準狀態(tài))815．6 m3/h,額定吸氣通氣量(標準狀態(tài))253．2 m3/h.

表2 儲罐設計參數(shù)

4．3 環(huán)形空間呼吸量計算

4．3．1 正壓工況一

從空罐到液封臨界狀態(tài)的時間:

從液封臨界狀態(tài)到浸液深度C的時間:

由式(1)和式(2)可見,原油充滿浸液深度C的過程只有12．4 s,遠小于其從空罐到HMin的2．34 h.因此,可以假設液位到達液封臨界狀態(tài)之前環(huán)形空間的氣體溫度已經穩(wěn)定,只考慮由于體積壓縮而引起的壓力升高.參考API 2000,該過程中的呼氣量可近似等于原油的泵入流量(標準狀態(tài))4 620 m3/h.

4．3．2 正壓工況二

當環(huán)境溫度升高時,儲罐溫度隨之升高,一方面加劇了原油的揮發(fā),另一面會使環(huán)形空間的壓力升高.罐內液位越低,則響應環(huán)境溫度的速度越快,所以可使用液封臨界液位HMin計算VThermal outGbreathing.

參考API 2000,有

式中:VThermaloutGbreathing——由于溫度升高氣體膨脹或加速揮發(fā)引起的呼氣量,m3/h;

Y——與儲罐所在緯度相關的參數(shù),取0．32;

Vtk——用于計算的儲罐容積,取HMin所對應的容積;

Ri——保溫減弱系數(shù),該罐無保溫所以系數(shù)取1．0.

則

4．3．3 負壓工況一

環(huán)境溫降主要影響氣相空間的溫度和壓力.當浮頂處于支撐狀態(tài)時,空氣可以通過自動通氣閥進入罐內,所以不需要考慮該狀態(tài);當浮頂處于漂浮狀態(tài),且氣相空間處于負壓或微正壓時遭遇環(huán)境溫度驟降,則氣體收縮壓力下降,PVV吸氣以維持壓力平衡.

參考API 2000,有

式中:VThermalinGbreathing——由于溫度降低氣體收縮或冷凝引起的吸氣量,m3/h;

Z——與儲罐所在緯度和介質溫度相關的參數(shù),取6．5;

V′tk——環(huán)形氣相空間所對應容積,約49 m3;

則

4．3．4 負壓工況二

參考API 2000,滿足介質溫度低于40℃或者蒸氣壓力小于5 k Pa的條件時,該工況下的吸氣量可近似等于原油的泵出流量(標準狀態(tài))1 870 m3/h.

4．4 PVV數(shù)量確定

綜合4．3節(jié)的4種工況,PVV的需求數(shù)量如表3所示.

表3 PVV需求數(shù)量匯總

由表3可見,該儲罐PVV的數(shù)量應不少于8個.

5 優(yōu)化建議

5．1 PVV與自動通氣閥連通

如4．3和4．4節(jié)所述,環(huán)形空間通氣量最大的兩個工況是支撐狀態(tài)與漂浮狀態(tài)相互轉換的兩個過程.這兩個過程中雖然自動通氣閥是完全打開的,但是因為液封的存在無法工作.通過設置如圖9所示的連通管將環(huán)形空間與自動通氣閥連通,可使其參與壓力調節(jié),甚至可以借此減少PVV的數(shù)量,提高項目經濟性.

圖9 帶連通管的PVV設計

5．2 減小低液位時的流量

從2．1和2．2節(jié)的工況分析可以看出,最大呼吸量均出現(xiàn)在液封臨界狀態(tài).如果在此狀態(tài)適當減小泵的流量,則可進一步優(yōu)化PVV的數(shù)量,以實現(xiàn)更好的經濟性.同時,由于此狀態(tài)下罐內液位較低,減小流量也是滿足防靜電和輸油泵氣蝕余量的共同要求(一般情況下,由于輸油泵汽蝕余量的限制,在罐內液位較低時需要降低泵的流量來保證有效汽蝕余量).

6 結論

1)環(huán)形空間的壓力如果不加以限制可能會對罐體和密封造成損壞,所以非常必要在浮頂安裝PVV.

2)通過對環(huán)形空間的4種正、負壓工況進行分析和計算發(fā)現(xiàn),最大呼吸量均出現(xiàn)在浮頂支撐狀態(tài)與漂浮狀態(tài)的轉換過程,分別約等于泵入流量和泵出流量.最大呼吸量確定后,根據(jù)所選PVV的額定呼吸量即可確定所需PVV的數(shù)量.

3)在PVV與自動通氣閥之間設置連通管有利于氣相空間壓力調節(jié).

4)罐內液位低于液封臨界狀態(tài)時,適當降低泵的流量可以減少PVV的數(shù)量,同時也可滿足防靜電和防氣蝕的要求.