常壓儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

王鑫

摘????? 要： 氮封流程是儲(chǔ)罐工藝設(shè)計(jì)的常用流程，為防止儲(chǔ)罐內(nèi)物料因與進(jìn)入的外界氣體（空氣）接觸而被污染變質(zhì)或與外界進(jìn)入的氣體（空氣）發(fā)生化學(xué)和（或）生物反應(yīng)，常需設(shè)置氣封系統(tǒng)。儲(chǔ)罐設(shè)置氮封系統(tǒng)是降低油品蒸發(fā)損耗必不可少的重要措施。在石油、化工等行業(yè)，儲(chǔ)罐是必不可少的儲(chǔ)存設(shè)備，對(duì)儲(chǔ)罐進(jìn)行氮封可以有效減少油品蒸發(fā)損耗，提高儲(chǔ)罐的使用壽命，避免環(huán)境污染等問題。對(duì)于不同性質(zhì)的物料，氮封系統(tǒng)方案需要根據(jù)物料性質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)。例如，對(duì)于輕質(zhì)油品儲(chǔ)罐，需要增加氮?dú)饬髁?，保持?chǔ)罐內(nèi)部壓力穩(wěn)定，防止油品揮發(fā)；對(duì)于高溫易結(jié)晶的液硫，需要增加氮?dú)饬鲃?dòng)速度，防止液硫結(jié)晶，影響儲(chǔ)罐使用壽命；對(duì)于順酐，需要增加氮?dú)饬髁?，減少順酐受潮，防止產(chǎn)生燃爆事故?；诖耍疚闹饕槍?duì)氮封系統(tǒng)設(shè)計(jì)展開相關(guān)探討分析。

關(guān)? 鍵? 詞：常壓儲(chǔ)罐； 氮封系統(tǒng)； 安全控制

中圖分類號(hào)：TE88???? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A???? 文章編號(hào)： 1004-0935（2024）06-0970-03

儲(chǔ)罐是石油、化工等行業(yè)中廣泛應(yīng)用的一種設(shè)備，用于儲(chǔ)存各種氣體、液體和液化氣體。由于儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存物質(zhì)的特性，在儲(chǔ)存和運(yùn)輸過程中需要采取相應(yīng)的安全措施，以防止泄漏和爆炸等事故的發(fā)生。因此，常壓儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)罐的密封和安全控制中。

1? 常壓儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)的基本概念和設(shè)計(jì)要求

常壓儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)是一種用于確保常壓儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存物質(zhì)安全的先進(jìn)技術(shù)，在這個(gè)系統(tǒng)中，通過不斷地向儲(chǔ)罐內(nèi)充入氮?dú)?，形成一個(gè)高度惰性的氣體環(huán)境，從而防止儲(chǔ)罐內(nèi)物質(zhì)的氧化、腐蝕和污染。該系統(tǒng)工作原理是將當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存的物料被泵抽出和（或）由于外界溫度降低，使儲(chǔ)罐內(nèi)氣體冷凝或收縮時(shí)，氮封系統(tǒng)自動(dòng)補(bǔ)入氮?dú)?，阻止外界氣體進(jìn)入；在向儲(chǔ)罐內(nèi)送料和（或）由于外界溫度升高使儲(chǔ)罐內(nèi)液體汽化而使罐內(nèi)壓力高于氮封壓力時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)氣體可通過泄壓閥自動(dòng)排入大氣。由于氮?dú)馐且环N高度惰性氣體，在常溫常壓下不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此可以有效地保護(hù)儲(chǔ)罐內(nèi)物質(zhì)的完整性。此外，由于氮?dú)獗瓤諝饷芏却?，所以在?chǔ)罐內(nèi)形成了一個(gè)保護(hù)層，可以防止外部雜質(zhì)進(jìn)入儲(chǔ)罐內(nèi)部。常壓儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)具有多種優(yōu)點(diǎn)。首先，它可以有效地保護(hù)儲(chǔ)罐內(nèi)物質(zhì)的完整性，避免氧化、腐蝕和污染。其次，它可以提高儲(chǔ)罐的安全性，防止外部雜質(zhì)進(jìn)入儲(chǔ)罐內(nèi)部，降低儲(chǔ)罐內(nèi)物質(zhì)的損失。最后，它可以節(jié)約能源，因?yàn)榈獨(dú)馐强稍偕模梢酝ㄟ^壓縮空氣或使用氮?dú)獍l(fā)生器等方式來制備。在實(shí)際應(yīng)用中，常壓儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)需要根據(jù)儲(chǔ)罐的尺寸、形狀、儲(chǔ)存物質(zhì)的性質(zhì)和工藝要求等因素進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。此外，還需要選擇合適的氮?dú)獍l(fā)生器、壓縮空氣系統(tǒng)和控制儀表等設(shè)備，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和高效性[1]。

在設(shè)計(jì)常壓儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)時(shí)，需要滿足以下三個(gè)主要要求：首先，系統(tǒng)應(yīng)具有可靠的安全性能，能夠有效地防止泄漏和爆炸等事故的發(fā)生。這是由于常壓儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存的物質(zhì)通常具有易燃、易爆、有毒等危險(xiǎn)特性，一旦發(fā)生泄漏或爆炸事故，將會(huì)對(duì)操作人員和設(shè)備造成嚴(yán)重危害[2]。因此，在設(shè)計(jì)常壓儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)時(shí)，必須確保系統(tǒng)的安全性能，通過采用可靠的氮?dú)獍l(fā)生器和壓縮空氣系統(tǒng)，以及安裝高精度的監(jiān)測(cè)儀表，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)，從而防止泄漏和爆炸等事故的發(fā)生[3]。其次，系統(tǒng)應(yīng)具有良好的密封性能，能夠保證儲(chǔ)罐內(nèi)的儲(chǔ)存物質(zhì)不受外界環(huán)境的影響。這是由于儲(chǔ)罐內(nèi)的儲(chǔ)存物質(zhì)往往容易受到外界環(huán)境的影響，如溫度、濕度、氧氣等，從而導(dǎo)致物質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生變化，甚至發(fā)生氧化、腐蝕和污染等現(xiàn)象。因此，在設(shè)計(jì)常壓儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)時(shí)，必須確保系統(tǒng)的密封性能，通過采用優(yōu)質(zhì)的密封材料和先進(jìn)的密封技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐內(nèi)環(huán)境的有效保護(hù)，從而保證儲(chǔ)存物質(zhì)的完整性和安全性。最后，系統(tǒng)應(yīng)具有高效的經(jīng)濟(jì)性能，能夠在保證安全的前提下，降低運(yùn)行成本和維護(hù)費(fèi)用。這是由于常壓儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)是一種長期運(yùn)行的設(shè)備，其運(yùn)行成本和維護(hù)費(fèi)用直接影響到企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。因此，在設(shè)計(jì)常壓儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)時(shí)，必須考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性能，通過采用節(jié)能型的氮?dú)獍l(fā)生器和壓縮空氣系統(tǒng)，以及優(yōu)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)降低系統(tǒng)運(yùn)行成本和維護(hù)費(fèi)用的目的。

2? 常壓儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)原理及應(yīng)用

2.1? 氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)原理

氮封系統(tǒng)在石化、化工等行業(yè)中廣泛應(yīng)用，其主要作用是維持儲(chǔ)罐內(nèi)部的壓力穩(wěn)定。氮封系統(tǒng)主要由調(diào)壓閥、壓力表、相連管線等組成，設(shè)置位置一般在固定頂儲(chǔ)罐或內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐罐頂。在使用氮封系統(tǒng)時(shí)，需要根據(jù)儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力確定控制壓力范圍。一般來說，常壓儲(chǔ)罐控制在0.5～1.5 kPa（G）。在維護(hù)儲(chǔ)罐的正常運(yùn)行中，氮封系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用[4]?？梢员ＷC儲(chǔ)罐內(nèi)部的壓力不會(huì)過高或過低，從而保護(hù)儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行，氮封系統(tǒng)的操作方式也很簡(jiǎn)單。當(dāng)儲(chǔ)罐的壓力低于設(shè)定壓力時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行氮?dú)庋a(bǔ)氣；當(dāng)儲(chǔ)罐的壓力高于設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行排氣。如果發(fā)生火災(zāi)或者氮封閥出現(xiàn)故障時(shí)，需要進(jìn)行緊急泄放，以確保儲(chǔ)罐內(nèi)部的安全。

2.2? 儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)的應(yīng)用

氮封系統(tǒng)+呼吸閥+緊急泄放人孔

從圖1可以看出，在儲(chǔ)罐的氮封形式中，使用的是氮?dú)庹{(diào)壓閥+呼吸閥+呼吸人孔（或緊急泄放閥）。因?yàn)樵趦?chǔ)罐壓力較高的時(shí)候，這種形式的氮封可以直接通過呼吸閥排入大氣，所以它的應(yīng)用范圍主要是在對(duì)環(huán)境危害不大、規(guī)范允許直接排入大氣的介質(zhì)中，黏度大，易結(jié)晶，易引起氣門阻塞，應(yīng)謹(jǐn)慎選用。

圖2為該組合通用流程，當(dāng)壓力低于設(shè)置值時(shí)，就會(huì)打開補(bǔ)氣閥（自動(dòng)調(diào)節(jié)閥或調(diào)壓閥）來補(bǔ)充氮?dú)?，?dāng)壓力持續(xù)處于較低水平時(shí)，呼吸閥自動(dòng)開啟吸入空氣，如果還是無法解決這個(gè)問題，緊急泄放人孔自動(dòng)開啟；當(dāng)大量的空氣被吸入時(shí)，快速地將儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力補(bǔ)滿，當(dāng)壓力恢復(fù)到正常水平時(shí)，操作員需要用氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w來緩慢地替換進(jìn)的空氣[5]。為了避免由于空氣進(jìn)入而引起的大量材料的劣化（與空氣接觸時(shí)容易劣化材料），并排除了可能有危險(xiǎn)的爆炸性環(huán)境。當(dāng)儲(chǔ)罐超壓時(shí)，開啟排氣管線閥門，排出廢氣處理系統(tǒng)，持續(xù)超壓后開啟吸氣管線閥門吸入氮封氣體，使之保持壓力正常。這種氮封系統(tǒng)可以適用于大部分的物質(zhì)體系，確保了儲(chǔ)罐的安全。在黏度較大、易發(fā)生結(jié)晶的介質(zhì)中，很可能會(huì)導(dǎo)致呼吸閥的堵塞，因此，建議采用帶夾套的呼吸閥，并對(duì)補(bǔ)氣管線、排氣管線進(jìn)行伴隨熱處理，以減少材料的黏結(jié)和結(jié)晶對(duì)閥門和管線的影響，從而提升安全系數(shù)。

圖3所示為一種由氮密封+液體密封+呼吸人孔組成的正負(fù)壓力防止罐+呼吸人孔組成的結(jié)合系統(tǒng)，這種氮密封系統(tǒng)可用于大部分材料體系，以確保容器的安全性[6]。

其顯著特點(diǎn)用一個(gè)正負(fù)壓力防止罐來取代一個(gè)呼吸器，在某些小型油庫中，這種裝置還能取代應(yīng)急排氣口或應(yīng)急排氣門。在正壓防止罐和負(fù)壓防止罐中，氣體相平衡管路都要被伸入到密封液體中，并且要有一個(gè)固定的深度，這個(gè)深度可以按照項(xiàng)目的儲(chǔ)罐控制壓力以及密封液體的類型來決定。

3? 氮封系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1? 案例概述

某石化公司有一座容量為5 000 m3的常壓儲(chǔ)罐，用于儲(chǔ)存易燃易爆液體。經(jīng)過調(diào)查分析，該儲(chǔ)罐采用了上述常壓儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行，取得了良好的安全性和經(jīng)濟(jì)性。經(jīng)過檢測(cè)，儲(chǔ)罐內(nèi)氮?dú)鈮毫Ψ€(wěn)定，儲(chǔ)存物質(zhì)不受外界環(huán)境影響。同時(shí)，由于采用了高效的安全控制系統(tǒng)和壓縮機(jī)，系統(tǒng)的運(yùn)行成本和維護(hù)費(fèi)用也得到了降低。

3.2? 氮封系統(tǒng)壓力設(shè)計(jì)

對(duì)于儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)的壓力設(shè)定，必須綜合考慮物料特性和儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力，目的是確保系統(tǒng)運(yùn)行的安全和穩(wěn)定。常壓儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力一般位于0.5～

2 kPa（G），氮封壓力則應(yīng)該在0.5～1.5 kPa（G），這樣才能達(dá)到理想的密封效果[8]。常壓儲(chǔ)罐各級(jí)壓力泄放值會(huì)受到多種因素的影響，包括儲(chǔ)罐型號(hào)、最大允許工作壓力、呼吸閥及緊急泄放人孔類型以及系統(tǒng)背壓等。緊急泄放人孔的設(shè)定應(yīng)該大于呼吸閥的設(shè)定正壓力及排氣壓力，同時(shí)小于儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)正壓力。氮封閥的開啟壓力為正常儲(chǔ)罐的維持壓力，在各級(jí)正壓保護(hù)系統(tǒng)中壓力最低。

3.3? 氮封系統(tǒng)氣量設(shè)計(jì)

氮?dú)獾难a(bǔ)充和排放問題在實(shí)際操作中尤為重要，需要進(jìn)行科學(xué)合理地管理。首先，補(bǔ)氣或排氣量的大小主要取決于環(huán)境溫度和物料輸出造成的空間或體積變化。環(huán)境溫度的變化直接影響到氮?dú)獾捏w積，當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，氮?dú)獾捏w積也會(huì)隨之增加。因此，在高溫環(huán)境下，需要補(bǔ)充一定量的氮?dú)庖员３治锪系姆忾]狀態(tài)[9]。另外，物料的輸出也會(huì)導(dǎo)致氮?dú)怏w積的變化，當(dāng)物料輸出時(shí)，隨著物料體積的變化，氮?dú)獾目臻g也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，此時(shí)需要排放一定量的氮?dú)?。其次，在選取氣體空間變化量時(shí)，需要參照相應(yīng)的規(guī)范或計(jì)算方法，并根據(jù)物料的性質(zhì)進(jìn)行選擇。不同的物料對(duì)氮?dú)獾男枨罅坎煌?，例如易氧化、易腐蝕的物料需要更多的氮?dú)鈦磉M(jìn)行保護(hù)。因此，在實(shí)際操作中，需要根據(jù)物料的性質(zhì)和工藝要求，合理調(diào)整氮?dú)獾难a(bǔ)充和排放量。保證氮封系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

4? 結(jié) 論

氮封系統(tǒng)中的氮?dú)庋a(bǔ)充和排放問題是一個(gè)需要綜合考慮多方面因素的復(fù)雜過程。在實(shí)際操作中，需要根據(jù)環(huán)境溫度、物料輸出以及物料的性質(zhì)等因素，合理調(diào)整氮?dú)獾难a(bǔ)充和排放量，確保儲(chǔ)罐內(nèi)物料的安全。同時(shí)，在緊急情況下，要確保氮封系統(tǒng)能夠及時(shí)、有效地進(jìn)行泄放，保護(hù)人員和設(shè)備的安全。

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Design of Nitrogen Sealing System for Atmospheric Storage Tank

WANG Xin

（Liaoning Province Petroleum-chemical Industry Planning & Designing Institute Co.， Ltd.， Shenyang Liaoning 110000， China）

Abstract：? Nitrogen sealing process is a common process of storage tank process design， which is used to seal the gas phase space of storage tank and isolate harmful gas overflow. Nitrogen sealing system is an essential measure to reduce oil evaporation loss. In the petroleum， chemical and other industries， storage tanks are essential storage equipment， nitrogen sealing of storage tanks can effectively reduce oil evaporation loss， improve the service life of storage tanks， and avoid environmental pollution and other problems. For materials with different properties， the nitrogen sealing system scheme needs to be improved according to the properties of the materials. For example， for light oil storage tanks， it is necessary to increase the nitrogen flow rate to keep the internal pressure of the tank stable and prevent oil volatilization. For liquid sulfur which is easy to crystallize at high temperature， it is necessary to increase the nitrogen flow speed to prevent liquid sulfur crystallization and affect the service life of the storage tank. For maleic anhydride， it is necessary to increase the nitrogen flow to reduce the moisture of maleic anhydride and prevent ignition and explosion accidents. Based on this， the design of nitrogen sealing system was mainly discussed and analyzed.

Key words： Atmospheric storage tank; Nitrogen sealing system; Safety control