常低壓儲罐通氣設(shè)計(jì)國內(nèi)外規(guī)范研究

王慶

(中海油石化工程有限公司，山東 濟(jì)南 250101)

0 引言

常低壓儲罐指設(shè)計(jì)壓力不大于0.1 MPa 的儲罐，在石油化工項(xiàng)目中通常用于儲存原料、中間原料和成品。在儲罐運(yùn)行過程中，由于進(jìn)出液、環(huán)境溫度變化、火災(zāi)及其他多種原因會導(dǎo)致儲罐超壓或真空，當(dāng)儲罐壓力波動超出儲罐承受范圍時會對儲罐造成破壞，因此需要在儲罐上設(shè)置通氣裝置或其他設(shè)施對儲罐進(jìn)行保護(hù)[1-2]。

API 2000—2014《Venting Atmospheric and Low-Pressure Storage Tanks》對常低壓儲罐通氣裝置的設(shè)置進(jìn)行了詳細(xì)論述。國內(nèi)規(guī)范SH/T 3007—2014《石油化工儲運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》、HG/T 20570.16—1995《 氣封的設(shè)置》、SY/T 0511.1—2010《石油儲罐的附件 第1 部分：呼吸閥》、GB 50160—2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)(2018版)》等對相關(guān)問題也提出了規(guī)定。國內(nèi)外規(guī)范的要求略有區(qū)別，本文對規(guī)范規(guī)定進(jìn)行對比分析。

1 超壓/真空工況分析

(1)API 規(guī)范要求

API 2000 全面分析了除外浮頂儲罐外的常低壓儲罐發(fā)生超壓或真空的原因，主要包括液體進(jìn)出料、氣溫變化等正常工況，和火災(zāi)、設(shè)備故障或人員誤操作等異常工況[3]，具體工況如表1 所示。

表1 常壓、低壓儲罐超壓/真空工況匯總表

(2)國內(nèi)規(guī)范要求

SH/T 3007 僅考慮了液體進(jìn)出料和氣候影響等正常工況，未考慮火災(zāi)及其他異常工況。在具體計(jì)算時，應(yīng)根據(jù)運(yùn)行時因設(shè)備故障與誤操作可能導(dǎo)致的異常工況進(jìn)行具體分析，并在計(jì)算呼吸量和確定呼吸裝置時予以考慮。

2 儲罐泄壓裝置的選擇

2.1 正常通氣

(1)API 規(guī)范要求

API 2000 規(guī)定常壓儲罐應(yīng)設(shè)置呼吸閥或開放式通氣管來實(shí)現(xiàn)儲罐正常通氣，并根據(jù)儲存介質(zhì)、環(huán)境及其他工程特性判斷呼吸閥和通氣管上是否需要設(shè)置阻火器。對儲存閃點(diǎn)低于60 ℃的液體、儲存溫度可能超過閃點(diǎn)、罐內(nèi)存在易燃蒸汽空間等特殊儲存條件，應(yīng)采取防止外部火焰?zhèn)魅雰迌?nèi)部的措施。

常壓儲罐上通常設(shè)置呼吸閥避免產(chǎn)品損失。當(dāng)設(shè)置開放式通氣管時，對可能存在易燃?xì)庀嗫臻g的儲罐在通氣管上應(yīng)設(shè)置阻火器。當(dāng)儲存粘性較大的介質(zhì)時，為避免由于呼吸閥閥盤粘連或阻火器堵塞導(dǎo)致癟罐，可以采用開放式通氣管。在對無組織排放有嚴(yán)格要求的地區(qū)，不可設(shè)置通氣管，應(yīng)設(shè)置密閉排放或處理后排放。

(2)國內(nèi)規(guī)范要求

GB 50160、SH/T 3007 均對儲罐呼吸閥、阻火器的設(shè)置提出了要求。GB 50160 規(guī)定甲B、乙類液體的固定頂罐應(yīng)設(shè)呼吸閥與阻火器[4]。SH/T 3007 規(guī)定儲存甲B、乙類液體的固定頂儲罐與地上臥式儲罐以及采用惰性氣封系統(tǒng)保護(hù)的儲罐應(yīng)設(shè)呼吸閥。儲存甲B、乙、丙A 類液體的固定頂儲罐和地上臥式儲罐，儲存甲B、乙類液體的覆土臥式儲罐，采用惰性氣體密封保護(hù)系統(tǒng)的儲罐，內(nèi)浮頂儲罐罐頂中央通氣管或呼吸閥上均應(yīng)設(shè)置阻火器[5]。

(3)比較

國內(nèi)外規(guī)范都要求對常低壓儲罐需設(shè)置呼吸閥，既能維持儲罐內(nèi)壓力穩(wěn)定，防止儲罐內(nèi)出現(xiàn)較大壓力波動而導(dǎo)致儲罐超壓或真空，又可以利用儲罐本身的承壓能力維持儲罐內(nèi)微正壓，減少儲罐內(nèi)介質(zhì)的揮發(fā)和損耗[6-7]。根據(jù)GB 50160 中關(guān)于可燃液體火災(zāi)危險性的劃分，甲類、乙類液體為閃點(diǎn)小于60 ℃的可燃液體。API 2000 與國內(nèi)規(guī)范對可燃液體儲罐設(shè)置泄壓保護(hù)裝置的要求一致。

2.2 緊急通氣

(1)API 規(guī)范要求

API 2000 規(guī)定當(dāng)火災(zāi)等事故工況發(fā)生時需進(jìn)行緊急泄放，常規(guī)的呼吸閥無法滿足緊急泄放量的要求時，可以采用以下方法進(jìn)行緊急通氣。

①增大通氣管與呼吸閥的尺寸或增加通氣管與呼吸閥的數(shù)量；②改進(jìn)量油口蓋與人孔蓋結(jié)構(gòu)，當(dāng)內(nèi)壓異常時，量油口蓋與人孔蓋自動打開進(jìn)行泄壓；③儲罐采用弱頂殼連接結(jié)構(gòu)，當(dāng)正常通氣設(shè)備泄放能力不足時，頂殼連接焊口等連接處會優(yōu)先破裂進(jìn)行超壓泄放，弱頂殼連接儲罐無需考慮緊急通氣的額外要求；④設(shè)置爆破片；⑤其他有效結(jié)構(gòu)形式。

(2)國內(nèi)規(guī)范要求

SH/T 3007 中規(guī)定采用惰性氣封系統(tǒng)的儲罐需設(shè)事故泄壓設(shè)備，當(dāng)惰性氣封系統(tǒng)或呼吸閥發(fā)生故障時，事故泄壓設(shè)備應(yīng)滿足儲罐所需緊急通氣要求，該規(guī)范推薦設(shè)置直徑大于等于DN 500 的呼吸人孔或緊急泄壓人孔蓋作為緊急泄放設(shè)備。除設(shè)置泄壓人孔等事故泄壓設(shè)備外，GB 50160 中規(guī)定常壓固定頂罐的罐頂應(yīng)設(shè)置弱頂結(jié)構(gòu)形式或采取其他泄壓措施，當(dāng)儲罐超壓時壓力優(yōu)先從罐頂泄放，從而確保罐體不被破壞。

(3)比較

API 2000 給出了常低壓儲罐火災(zāi)工況下泄放量的計(jì)算方法，而GB 50160 未對弱頂結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)說明且沒有規(guī)定泄壓人孔和呼吸人孔的計(jì)算方法，SH/T 3007 規(guī)定了緊急放空人孔蓋或呼吸人孔的經(jīng)驗(yàn)尺寸不小于DN 500，但未介紹計(jì)算方法。因此當(dāng)計(jì)算常低壓儲罐火災(zāi)工況下需要的呼吸量時可根據(jù)API 2000 計(jì)算。常低壓儲罐通常采用氮封系統(tǒng)、呼吸閥與緊急泄壓人孔組合的形式，滿足儲罐大小呼吸與火災(zāi)等需要緊急泄放的工況的通氣要求[8]。

3 呼吸量選取原則

為保證儲罐運(yùn)行安全，計(jì)算儲罐呼吸量應(yīng)考慮所需正常呼出量、正常吸入量、緊急泄放量和惰性氣密封量4 個參數(shù)。在確定儲罐通氣要求時，應(yīng)將最大的單一工況通氣要求或可能出現(xiàn)的多種通氣組合作為設(shè)計(jì)依據(jù)。在確定總的正常吸氣或呼氣量時，至少應(yīng)不小于液體輸送與儲罐熱效應(yīng)通氣量的組合[9]。

3.1 進(jìn)出料量所造成的通氣量

(1)API 規(guī)范要求

API 2000 根據(jù)液體閃點(diǎn)37.8 ℃或沸點(diǎn)148.9 ℃將液體分為非揮發(fā)性液體、揮發(fā)性液體與閃蒸液體。非揮發(fā)性液體的氣體呼出量按最大進(jìn)液量計(jì)算；揮發(fā)性液體的氣體呼出量按最大進(jìn)液量的2 倍計(jì)算；閃蒸液體可能因高溫或溶解氣而閃蒸出氣體，應(yīng)根據(jù)平衡閃蒸計(jì)算提高呼氣要求。液體出罐導(dǎo)致的空氣吸入量，按最大出液量計(jì)算。進(jìn)罐液體蒸發(fā)率以泵入空罐的汽油為基礎(chǔ)，估算為0.5%；若入罐液體的進(jìn)料溫度高于儲罐液體工作壓力下的沸點(diǎn)，液體的蒸發(fā)率會顯著提高[10]。

(2)國內(nèi)規(guī)范要求

SH/T 3007 在計(jì)算液體進(jìn)入固定頂儲罐導(dǎo)致的罐內(nèi)氣體呼出量時，按照閃點(diǎn)45 ℃將液體分為兩類，當(dāng)液體閃點(diǎn)高于45 ℃時，氣體呼出量按最大進(jìn)液量的1.07 倍計(jì)算；當(dāng)液體閃點(diǎn)低于或等于45 ℃時，氣體呼出量按最大進(jìn)液量的2.14 倍計(jì)算。液體出罐導(dǎo)致的空氣吸入量應(yīng)按最大出液量計(jì)算。根據(jù)GB 50160，低于或等于45 ℃的可燃液體為甲B 或乙A 類可燃液體。

(3)比較

API 2000 與SH/T 3007 對液體出料導(dǎo)致的最大吸氣量計(jì)算要求一致。對液體進(jìn)料導(dǎo)致的最大呼氣量，API 2000 中所提出呼出量按照閃點(diǎn)高于37.8 ℃或沸點(diǎn)高于148.9 ℃劃分，SH/T 3007 的取值按照閃點(diǎn)低于45 ℃劃分。同一種工況下按照SH/T 3007 計(jì)算得出的呼吸量略大于API 2000 的計(jì)算結(jié)果[11]。

3.2 環(huán)境熱效應(yīng)所造成的熱呼吸量

(1)API 規(guī)范要求

API 2000 對環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的氣相呼出量與吸入量計(jì)算進(jìn)行了規(guī)定：

(2)國內(nèi)規(guī)范要求

SH/T 3007 對容積為100～30 000 m3的儲罐所需的熱呼吸通氣需要量列表，供設(shè)計(jì)人員直接按儲罐容積與液體閃點(diǎn)選取相應(yīng)的熱通氣量。該表的儲罐熱呼吸通氣需要量摘自API STD 2000 ( 2009 年11 月第六版[12])。

(3)比較

SH/T 3007 基本引用了API 2000 第五版中表2B的相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)，計(jì)算中未考慮儲罐建設(shè)地點(diǎn)、儲存介質(zhì)蒸氣壓、儲存溫度等因素的影響。新版的API 2000 中優(yōu)化了呼吸量的計(jì)算方法，增加緯度因子，在計(jì)算中考慮了儲罐建設(shè)地點(diǎn)緯度對呼吸量的影響。SH/T 3007 中考慮環(huán)境熱效應(yīng)影響的液體閃點(diǎn)劃分界限與API 2000 相同，均為37.8 ℃，該值與SH/T 3007 中進(jìn)出液導(dǎo)致氣相呼吸量的劃分閃點(diǎn)值不同。

3.3 外部火災(zāi)暴露(緊急通氣)所需流量

API 2000 規(guī)定火災(zāi)工況下儲罐所需泄放流量由火災(zāi)暴露熱量輸入、環(huán)境因素、液體蒸發(fā)潛熱、釋放蒸汽的物性參數(shù)計(jì)算得到：

式中：Q為火災(zāi)暴露的熱量輸入，與儲罐火災(zāi)中的潤濕面積和儲罐設(shè)計(jì)壓力有關(guān)，其中立式儲罐潤濕面積為高出地面9.14 m 范圍內(nèi)的儲罐表面積，罐底板是否包含潤濕面積需根據(jù)儲罐設(shè)置情況進(jìn)行判斷；F為環(huán)境因素(詳見API 2000 表9)；L為儲存液體在釋放壓力和溫度下的蒸發(fā)潛熱；T為釋放蒸汽的絕對溫度；M為蒸汽的相對分子質(zhì)量。

火災(zāi)工況所需最大泄放量通常作為儲罐的緊急泄放量。SH/T 3007 與GB 50160 中均未涉及火災(zāi)等事故工況的緊急泄放量計(jì)算。

4 惰性氣封

4.1 氣封目的

API 2000 中闡述設(shè)置惰性氣封系統(tǒng)的目的是避免儲罐在真空工況下吸入空氣，降低儲罐內(nèi)形成爆炸性環(huán)境的可能性，從而降低危險區(qū)域劃分級別。HG/T 20570.16 中介紹設(shè)置氣封的目的是為防止外界空氣進(jìn)入儲罐污染所存儲介質(zhì)，防止介質(zhì)與外界進(jìn)入的氣體發(fā)生化學(xué)和(或)生物反應(yīng)。通過氣封系統(tǒng)使儲罐內(nèi)維持微正壓，防止儲罐內(nèi)物料與外界氣體接觸[13]。就設(shè)置惰性氣封系統(tǒng)的目的來看，API 2000 側(cè)重于降低儲罐內(nèi)形成氣相爆炸空間的可能性，HG/T 20570.16 側(cè)重于防止儲罐內(nèi)液體被外界氣體污染，或者阻止發(fā)生化學(xué)或生物反應(yīng)。

4.2 供氣量計(jì)算

(1)API 規(guī)范要求

由于天氣變化導(dǎo)致氣相空間收縮或冷凝及儲罐出液時，儲罐內(nèi)應(yīng)補(bǔ)充氮?dú)?。對惰性氣體供應(yīng)，需確定可用惰性氣體體積流量和備用惰性氣體體積的最小值。每級系統(tǒng)要求的氣體供應(yīng)量計(jì)算如下：

式(4)～式(6)中：C為一個取決于蒸汽壓、平均儲存溫度和緯度的因素；為液體排出的最大速率。

(2)國內(nèi)規(guī)范要求

根據(jù)HG/T 20570.16 規(guī)定：儲罐氣封裝置所需要的氣量為泵的額定流量與環(huán)境熱效應(yīng)導(dǎo)致的氣相冷凝和收縮所需要的補(bǔ)氣量。其中，因氣溫變化而引起的氣體冷凝和收縮需補(bǔ)充的氣量根據(jù)API 2000 規(guī)定進(jìn)行選?。簩θ莘e≥3 180 m3的儲罐，每平方米外殼和罐頂面積需補(bǔ)充氣封氣量0.600 m3/h；對容積＜3 180 m3的儲罐，每立方米容積需補(bǔ)充氣封氣量0.178 m3/h。

(3)比較

兩個規(guī)范關(guān)于惰性氣補(bǔ)氣用量計(jì)算值不同的原因在于在計(jì)算中環(huán)境熱效應(yīng)所需補(bǔ)氣量的計(jì)算系數(shù)選取有所不同，HG/T 20570.16 公式中系數(shù)為1[3,14]，而API 2000 的三級氣封方案公式中環(huán)境氣溫變化導(dǎo)致的補(bǔ)氣量整體分別乘以系數(shù)0.1、0.2 和0.5。因此HG/T 20570.16 中的方法計(jì)算出的補(bǔ)氣量大于API 2000 計(jì)算值，增大運(yùn)營成本。

5 結(jié)語

API 2000 中詳細(xì)論述了常低壓儲罐超壓和真空的原因分析、通氣裝置的選擇、通氣量的計(jì)算、惰性氣封的設(shè)置等，與國內(nèi)規(guī)范要求略有不同。國內(nèi)外規(guī)范關(guān)于儲罐進(jìn)出液和熱效應(yīng)導(dǎo)致的儲罐通氣要求基本一致，但國內(nèi)規(guī)范未考慮儲罐發(fā)生火災(zāi)工況及其他異常工況，沒有要求常低壓儲罐火災(zāi)工況下泄放量及泄壓裝置尺寸的計(jì)算方法，當(dāng)分析常低壓儲罐火災(zāi)工況可根據(jù)API 2000 的要求進(jìn)行分析和計(jì)算。國內(nèi)外規(guī)范對惰性氣封的設(shè)置目的和補(bǔ)氣量計(jì)算要求不同，API 2000 在計(jì)算補(bǔ)氣量時考慮了儲罐保溫與建設(shè)地緯度的影響，并且根據(jù)項(xiàng)目具體工況進(jìn)行三級氣封設(shè)置，計(jì)算結(jié)果更經(jīng)濟(jì)合理。