海上平臺儲罐呼吸系統通氣量計算研究

郭健

摘 要 本文通過對不同規范中儲罐呼吸系統通氣量計算方法進行分析，以埕島油田EDC DPB平臺開排罐呼吸系統計算為例，闡明了在實際工程中，尤其是海上平臺小型儲罐呼吸系統設計中，計算儲罐緊急通氣量的重要性。

關鍵詞 儲罐；安全；呼吸系統；正常通氣量；緊急通氣量

1、前言

為了保證儲罐的安全生產和各項作業的正常操作，儲罐在設計和安裝過程中，必須配置完善的儲罐附件。同時對防火安全問題也應高度重視。據統計，石化行業發生的火災中因儲罐引起的火災最多，造成的損失也最大。儲罐的防火安全性大小主要取決于儲罐內油氣空間的大小，油氣空間越大，越容易形成易爆的混合氣體。由于儲罐通氣，必然產生石油和石油產品的蒸發損耗和儲罐通氣時的安全問題。儲罐呼吸系統就是針對這兩個問題而設置的[1]。儲罐呼吸系統是控制儲罐大小呼吸的專用附屬設備，可以保護儲罐在超壓或超真空時免遭損壞，它主要由通氣管、呼吸閥、阻火器等組成，通常安裝于儲罐通氣管路上。只有選用合適的油罐呼吸系統，同時正確的對油罐呼吸系統加以檢查和維護，使之正常處于良好狀態，才能為整套油罐系統提供可靠的安全保證。

2、儲罐呼吸系統設計規范分析

正確計算儲罐通氣量是設計儲罐呼吸系統的前提。我國標準SH/T 3007-2007《石油化工儲運系統罐區設計規范》[2]和美國API Std2000《常壓及低壓通氣儲罐》中對儲罐的通氣都有一定的要求，儲罐正常通氣所需通氣量（以下稱為正常通氣量）一般由下列條件確定：1）儲罐在最大出液量時的吸氣量；2）在氣溫降至最低時，罐內氣體收縮時的吸氣量；3）儲罐在最大進液量時，又在罐內最大蒸發時的呼出量；4）在氣溫升至最高時，罐內液體膨脹和蒸發時的呼出量。除此之外，API Std2000還規定了一種緊急情況下的呼出量，即由于外部發生火災，儲罐吸收外部火源來的熱量而造成液體汽化以及氣體膨脹，導致的通氣量，以下稱為緊急通氣量。緊急通風能力是任何儲罐的最大通風要求。任何壓力容器或帶壓設備，在處理或加工易燃液體或氣體的生產平臺上，在其使用期間內都可能受熱，即使容器內介質不易燃燒，這種危險依然存在。當含油烴類液體的容器暴露在周圍明火時，容器將吸引熱量。如果這種吸熱持續到足夠長的時間，容器內壓力將上升，若不進行緊急通氣放空，罐內壓力超過其設計壓力，從而引起容器內出現應力破壞。

陸上儲罐通氣放空一般選擇在通氣口位置就近排放至大氣中，且設有事故泄壓設備，緊急通氣量造成的管路及阻火器損失影響較小。但對于海上通氣放空，根據《海上固定平臺安全規則》[4]規定，通常來自壓力低的釋放源，且通常是間歇釋放源，需要在一個安全位置排放至大氣中。由于海上平臺設施布局緊湊，儲存易燃物品的設備通常被集中布置，安全排放點一般距離儲罐較遠，常需要由管路接至排放點，且開排罐、柴油罐之類的小型常壓低壓儲罐上一般不設置安全泄壓裝置，緊急通氣量將全部通過通氣管路進行排放。因此，若通氣管路及阻火器按照正常通氣量進行確定，則放空開口可能不適合處理緊急通氣排放，導致罐中氣體無法排出，影響儲罐安全。以埕島油田EDC DPB平臺用開排罐為例，進行通氣量計算，來分析采用正常通氣量與緊急通氣量計算的區別。

3、儲罐通氣量計算應用舉例

以下均根據美國API Std2000《常壓及低壓通氣儲罐》[2]標準進行計算。1）正常通氣量計算。

① 吸氣量計算（液體移動的吸氣量和熱效應產生的通氣量之和）a）液體移動產生的吸氣量計算。

吸氣量Q1=0.94q1=33GPM=264SCFHair（見API Std2000表1） 儲罐最大出液量按開排泵排量考慮，DPB平臺共設有1臺開排泵，q1=35GPM；b）熱效應產生的通氣量計算。開排罐尺寸：17ft（長）×6ft（寬）×5ft（高）；根據API Std 2000 表2，吸氣量在數量上等于儲罐容積，開排罐容積V=17×6×5=510ft3=91bbl，則熱效應產生的吸氣量Q2為91SCFHair。因此吸氣量Q3=Q1+Q2=281+91=355SCFHair；② 呼出量計算（液體移動的呼出量和熱效應產生的通氣量之和）。a）液體移動產生的呼出量計算。呼出量Q4=1.01q2=154GPM=1232SCFHair（見表1）。 儲罐在最大進液量按甲板收集的含油雨水量及撬塊排水量考慮，q2=152GPM；b）熱效應產生的通氣量，同吸氣量計算，Q5=91SCFHair。因此呼出量Q6=Q4+Q5=1232+91=1323SCFHair。

2）緊急通氣量計算。儲罐緊急通氣量應按下式計算：SCFH =3.091×（QF/L）×（T/M）1/2=95362 SCFHair；SCFH = 放空要求， 標準立方英尺空氣/小時；A = 罐的潤濕表面， 用ft2表示；潤濕面積等于到地上高度為30ft（9.14m）那部分立式殼體的總表面積。對于安裝在地面上的立式儲罐，底板面積不包括在潤濕面積內；A=2×（17×5+6×5）+17×6=332 ft2；Q = 火災輸入的熱量， Btu/hr；Q=199300×A0.566 （200

3）計算結果討論。DPB平臺開排罐緊急通氣量為95362SCFHair，其值遠大于正常通氣量1323SCFHair（吸入量與呼出量的最大值）。按正常通氣量計算選擇管徑及阻火器，則管路及阻火器損失見下表1。可見選擇4寸管徑及阻火器即可滿足儲罐正常通氣要求。但由于該儲罐未考慮安全泄壓裝置，在外部著火等緊急情況下，儲罐正常設計壓力1psi，若選用4寸管線及阻火器，則通過全部緊急通氣量，總損失已達到3.55psi，遠超過儲罐設計壓力，將導致大量氣體無法排出，從而引起容器內應力破壞，影響儲罐安全，因此必須按6寸管徑進行選擇。

式中： λ-摩擦系數；V-風管流速；D-管徑；r-油蒸汽密度；g-重力加速度；V2r/2g-動壓；ζ-局部阻力系數；∑ζ（V2r/2g）-局部阻力損失。說明2：阻火器損失，這里參考Groth 公司生產的7618型號波紋型阻火器，阻火器損失數據來自Groth7618型樣本。說明3：管路總損失（△P）△P=RL+Z1+Z2，L-儲罐至安全排放點通氣管長度。

4、結論

合適的呼吸系統可為儲罐提供可靠的安全保證，而正確計算儲罐通氣量是設計儲罐呼吸系統的前提。儲罐呼吸系統應不僅適于排放正常通氣量，還應適于排放緊急通氣量。在進行呼吸系統設計時，應首先對儲罐所處環境、本體條件進行充分的分析，尤其在對海上平臺上未安裝安全泄壓裝置的小型儲罐，如開排罐、柴油罐進行設計時等，更需要慎重。

參考文獻：

[1] 朱彤. 油罐阻火器的選擇與使用[J].石油庫與加油站，2003，12（6）：29-33.

[2] 中華人民共和國石油化工行業標準. 石油化工儲運系統罐區設計規范. SH/T3007-2007.