油罐氮封系統(tǒng)的應(yīng)用及探討

曾偉力

（中國石化九江石化公司油品儲運運行部，江西九江 332000）

0 引言

油品在儲運過程中，不可避免地存在油品損耗。相關(guān)資料表明：油品儲運系統(tǒng)的損耗占加工量的3%～5%，其中蒸發(fā)損耗占50%～60%[1]。因此，尋找安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗的途徑是石油化工企業(yè)發(fā)展過程中的必由之路。多年來，為解決油品蒸發(fā)損耗問題，石油煉化企業(yè)采取了一系列措施，如噴淋水冷卻、絕熱涂料等方式，取得了一定的節(jié)能降耗效果，但并不理想且成本較高，更重要的是并未提高儲罐運行過程中的安全性。

氮封系統(tǒng)在油罐中的應(yīng)用，是石油煉化企業(yè)安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗的有效途徑，其可以保持容器頂部保護(hù)氣（一般為氮氣）的壓力恒定，以避免容器內(nèi)物料與空氣直接接觸，大大降低物料揮發(fā)，防止物料被氧化，從而保證儲罐的安全。

近幾年，很多石油煉化企業(yè)投用氮封系統(tǒng)后，在安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗等方面取得了很好的效果，并且在實際應(yīng)用中不斷地摸索前行。

1 氮封系統(tǒng)工作原理

1.1 氮封系統(tǒng)

氮封系統(tǒng)是利用氮氣補充油罐內(nèi)氣體空間，不但可減少油品損耗、防止空氣污染，而且可以保證油品質(zhì)量（如可以防止加氫原料被氧化）和儲罐安全（含硫油品在罐內(nèi)形成FeS 導(dǎo)致自燃事故發(fā)生）[2]。

1.2 工作原理

氮封裝置由氮封調(diào)節(jié)閥、阻火呼吸閥和緊急泄壓閥組成。

當(dāng)儲罐進(jìn)液閥開啟、向罐內(nèi)添加物料時，液面上升，氣相部分容積減小，壓力升高；當(dāng)罐內(nèi)壓力升至高于呼吸閥呼出壓力設(shè)定值（國內(nèi)多家石化企業(yè)呼吸閥泄氮壓力為1.5 kPa）時，呼吸閥打開，向外界釋放氮氣，使罐內(nèi)壓力下降，壓力降至設(shè)定值時呼吸閥自動關(guān)閉。

當(dāng)儲罐出液閥開啟、儲罐放料時，液面下降，氣相部分容積增大，罐內(nèi)壓力降低。當(dāng)罐內(nèi)壓力降至低于氮封調(diào)節(jié)閥壓力設(shè)定值（九江石化呼吸閥泄氮壓力為-0.3 kPa）時，氮封調(diào)節(jié)閥開啟，向儲罐內(nèi)注入氮氣，使罐內(nèi)壓力上升。當(dāng)壓力升至設(shè)定值時供氮閥自動關(guān)閉。圖1 為儲罐氮封系統(tǒng)組成。

圖1 儲罐氮封系統(tǒng)

2 氮封系統(tǒng)應(yīng)用對儲存損耗量影響的理論依據(jù)

按照美國石油學(xué)會推薦的儲罐儲存損失量計算公式：

式中 Ks——密封系數(shù)，取0.2（傳統(tǒng)二次密封取0.9）

V——儲罐所在地的平均風(fēng)速

n——風(fēng)速指數(shù)

P*——蒸氣壓函數(shù)，一般取0.035

D——油罐直徑

Uy——油蒸氣摩爾質(zhì)量

Kc——油品系數(shù)

Ef——密封系數(shù)

氮封系統(tǒng)投用后，由于儲罐氣相空間保持為壓力1 kPa 以上的氮氣，大大減少油氣揮發(fā)，油蒸氣摩爾質(zhì)量Uy大大減少，由式（1）可以得出儲罐儲存損失量Ls將明顯降低。

3 氮封系統(tǒng)投用效果

3.1 投用前后同一區(qū)域內(nèi)H2S 含量對比

某煉廠對中間料罐區(qū)氮封系統(tǒng)投用前后隨機定點多次監(jiān)測空氣中H2S 含量并作對比，對比結(jié)果顯示空氣中H2S 含量在氮封系統(tǒng)投用后大大降低（表1）。

表1 氮封系統(tǒng)投用前后H2S 監(jiān)測數(shù)據(jù)

3.2 投用前后同一區(qū)域內(nèi)烴含量對比

某煉廠對中間料罐區(qū)氮封系統(tǒng)投用前后罐頂隨機指定點通過有毒氣體分析儀多次監(jiān)測空氣中揮發(fā)性有機氣體（FID）含量并作對比，結(jié)果顯示空氣中烴類含量在氮封系統(tǒng)投用后大大降低（表2）。

表2 氮封系統(tǒng)投用前后烴類含量監(jiān)測數(shù)據(jù)

4 油罐氮封系統(tǒng)應(yīng)用中的問題

4.1 氮封調(diào)節(jié)閥取壓點位置不合理

多數(shù)煉廠在投用氮封系統(tǒng)初期都遇到同樣的問題導(dǎo)致氮封系統(tǒng)無法正常運行，即氮封調(diào)節(jié)閥取壓點位置不合理。原氮封工藝設(shè)計中，氮封調(diào)節(jié)閥取壓點在氮封閥后氮氣進(jìn)罐管道上，而該點壓力P 可以用式（2）[3]計算：

式中 Po——罐內(nèi)混合氣體靜壓力，MPa

Pv——氮氣在管道中流動的動壓力，MPa

Pf——進(jìn)氣管道中的壓力降，MPa，正常情況下應(yīng)為0.01～0.02 MPa

其中Pv與Pf之和一般在0.2～0.4 MPa，故取壓點取到的壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氮封調(diào)節(jié)閥停止工作的設(shè)定壓力，故氮封控制閥應(yīng)瞬間處于停止補氮狀態(tài)；停止補氮后，氮封調(diào)節(jié)閥再次測到取壓點壓力低于設(shè)定值時，氮封控制閥再次補氮。因此造成氮封調(diào)節(jié)閥一直處于“開啟—關(guān)閉—開啟”的狀態(tài)。

4.2 氮封調(diào)節(jié)閥取壓點位置合理但連接方式有誤

以九江石化輕質(zhì)油儲罐氮封系統(tǒng)為例：將取壓點位置取在罐頂透氣口擋板上，取壓點管線有橫向以及彎曲等配管方式，在氮封系統(tǒng)試投用過程中發(fā)現(xiàn)：由于氣溫變化導(dǎo)致油氣冷凝為液態(tài)，使取壓點橫向管線或彎頭處管線堵塞，氮封裝置由于無法采集到罐內(nèi)準(zhǔn)確壓力（取壓值低于氮封調(diào)節(jié)閥停止補氮的設(shè)定值），致使氮封裝置一直處于補氮狀態(tài)（圖2）。

圖2 氮封調(diào)節(jié)閥取壓管線錯誤連接方式

5 解決措施

5.1 現(xiàn)場糾偏法

設(shè)定合理的氮封調(diào)節(jié)閥取壓點位置。氮封調(diào)節(jié)閥取壓點位置必須取在罐頂板上，且取壓管線不能出現(xiàn)橫向或彎曲的情況，這樣可確保取壓管內(nèi)暢通，且取壓管反映的壓力為罐內(nèi)氣相空間的真實壓力，保證氮封調(diào)節(jié)閥的準(zhǔn)確取壓。

5.2 變更設(shè)備選型法

目前先導(dǎo)自力式氮封閥型式可分為兩大類：①外取壓型：取壓點在外部罐頂，取壓后傳輸至先導(dǎo)系統(tǒng)運作控制氮封閥；②內(nèi)取壓型：氮封閥主體安裝內(nèi)置取壓點，無需在外部罐頂開孔取壓?，F(xiàn)場受生產(chǎn)條件限制而無法重新設(shè)置外部取壓點時，可采取重新選型的方式，變換先導(dǎo)自力式氮封閥型式以解決問題。

6 改進(jìn)設(shè)想

由于目前氮封技術(shù)仍然處于未成熟階段，氮封系統(tǒng)投用后，罐內(nèi)超出設(shè)計壓力后罐頂呼吸閥及緊急泄壓閥應(yīng)處于開啟狀態(tài)撤壓至設(shè)計壓力；相反，罐內(nèi)低于設(shè)計壓力后氮封閥應(yīng)處于開啟狀態(tài)補充氮氣至設(shè)計壓力。若罐內(nèi)超出設(shè)計壓力后呼吸閥及緊急泄壓閥出現(xiàn)故障未開啟，或罐內(nèi)低于設(shè)計壓力后氮封閥處于故障狀態(tài)未開啟時，儲罐將處于危險狀態(tài)。且氮封系統(tǒng)中的阻火式呼吸閥、緊急泄壓閥都需要每年進(jìn)行專業(yè)校驗，罐頂拆卸困難且風(fēng)險性高。故設(shè)想將氮封系統(tǒng)增加“爆破片”，以絕對保證儲罐投用氮封系統(tǒng)的安全性。

爆破片是防止壓力設(shè)備發(fā)生超壓破壞的重要安全裝置，廣泛應(yīng)用于化工、石油、輕工等行業(yè)。爆破片能在規(guī)定的溫度和壓力下爆破以泄放壓力，且便于安裝更換。根據(jù)GB 567—1999 相關(guān)規(guī)范，建議每年更換罐頂爆破片，以保證其正常工作。

可選用0.02 bar（2 kPa）的正拱形爆破片（圖3a））及0.005 bar（0.5 kPa）的反拱形爆破片（圖3b））分別安裝于儲罐罐頂四周（圖4）。當(dāng)罐內(nèi)壓力為常壓儲罐設(shè)計壓力2 kPa 時，正拱形爆破片破裂泄壓；當(dāng)罐內(nèi)壓力為常壓儲罐設(shè)計真空-0.5 kPa 時，反拱形爆破片破裂補壓。

圖3 拱形爆破片

圖4 爆破片安裝位置

7 結(jié)束語

氮封系統(tǒng)應(yīng)用于儲罐可有效降低油品蒸發(fā)損耗，保證安全生產(chǎn)，提高經(jīng)濟(jì)效益。同時，氮封系統(tǒng)必須合理配置系統(tǒng)附件并合理布置取壓位置，氮封系統(tǒng)投用后會有一定量的氮氣損耗，為確保氮封系統(tǒng)投用后的安全性，還需要繼續(xù)探索更合理的配置。