惰性氣封系統工藝設計的初探與比較

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惰性氣封系統工藝設計的初探與比較

劉穎*上海寰球工程有限公司上海200032

摘要介紹國內規范與美國石油學會標準在惰性氣封系統工藝設計的相關內容，通過對設置目的、耗氣量計算原理及工藝控制的初步探究，發現二者的異同。在此基礎上，進行工程設計舉例。結果表明通過工藝控制改進，該系統可為防止儲罐回火提供新的設計思路。

關鍵詞惰性氣封系統工藝設計

*劉穎：工程師。2007年畢業于華東理工大學化學工藝專業獲碩士學位?，F從事化工工藝設計工作。聯系電話：13761040149，E-mail：chinashliu@163.com。

化工廠經常會儲存和使用易燃易爆、有毒或者敏感介質，由此帶來相應的安全風險，如危險接觸，火災和爆炸等。風險的概率和危害程度與工藝流程的特點、工藝條件、安全設施設置和安全操作有關。惰性氣封系統作為一種常用的危險控制措施被廣泛地運用。本文通過比較中外規范中惰性氣封系統的工藝設計和系統控制的差異，為相關工程設計時開拓思路。

1氣封系統設置的目的及原理

關于惰性氣封系統設置的作用，化工行業標準《工藝系統工程設計技術規定》HG/T 20570.16“氣封的設置”側重于防止物料與空氣接觸發生污染變質，或者阻止發生化學或生物學反應。耗氣量的計算原理是基于地上非冷凍式低壓儲罐的“呼吸”，即當儲罐泵出液體或者外部氣溫降低時，儲罐內會形成負壓，從而自外界吸入氣體[1]。設計思路是滿足最大吸氣量的需求，最大限度的減少空氣進入儲罐內的可能。

美國石油學會標準《常壓和低壓儲罐的放空》 API Std 2000-2014側重于降低儲罐內可燃氣形成的可能。規范中定義了三種惰性氣封等級[2]。耗氣量的計算原理同樣是基于儲罐的“呼吸”。但與國內標準不同的是，其設計基礎來自于國際電工委員會標準《用于爆炸性氣體的電氣設備》 IEC 60079-10。設計思路是限定最小的惰性氣體供氣量及惰性氣封氣保有容積。通過實施相應的工藝控制，限制儲罐內氣相空間的爆炸危險區域分區。這與國內標準存在著明顯差異。

2工藝系統中氧含量的控制

比較國內外標準，惰性氣封系統的設置實際上是控制儲罐內氣相空間中的氧含量。其中，美國的標準體系對氧含量的要求描述則更為詳細。

裝置開停車、設備維修甚至正常操作狀態時，系統均存在進入空氣的可能，其危害多數來自氧。若不加預防或控制，系統中氧含量可逐步增加并富集。當氧濃度上升到某一水平，系統的正常生產和安全將受到威脅。引入惰性氣封可降低外部氧進入的可能，同時“稀釋”作用可以使氧含量維持在某一安全水平，從而降低風險。

《管道系統中的阻火器》 API 2028中推薦了一個系統氧含量的控制水平，在煉化廠或化工廠中，根據經驗，將工藝管道系統中的氧含量維持在不大于5%時一般視為是安全的。另外，美國海岸警衛隊(USCG)要求海運輸送氣體收集系統當氧含量增加到8%及以上時必須停車[3]。取值可能是根據引起物質燃燒必需的氧濃度下限的50%制定的[4]。

系統氧含量安全指標并非一成不變。倘若系統總壓增加，若氧濃度不變，氧分壓將隨之增加。則單位空間內自由的氧分子總量還是會增加，風險仍會增大。所以氧含量控制指標應隨著系統總壓的增加而降低。

3回火(Flashback)現象及其防護手段

儲罐的引燃或爆炸可與放空管道被外部引燃后回火有關。儲存易燃介質的儲罐，其放空管道內存在可燃性氣體，在外部引燃條件下，例如雷擊等，放空管端處會著火。當放空管內氣體流速較小時，由于燃燒火焰不能穩定在管口而向管內竄動，造成回火現象。

回火現象非常危險。實際工作中，通常的設計思路是控制罐內的氧含量，使之不發生燃燒。并采取措施防止回火發生。

混合氣體燃燒時，火焰的穩定程度與氣體流速特性曲線和火焰傳播特性曲線有關[5]。為防止回火，可采取的手段不外乎兩種：一是降低火焰傳播速度，二是提高氣體在管內的流速。一般是在放空管端處加裝阻火器。

但是在某些場合，阻火器的安裝會受到限制。如物料結垢、腐蝕或者自聚等原因會造成阻火器堵塞，從而影響儲罐的放空。需要尋找替代方法來解決這個問題。例如美國標準中設置了三種惰性氣封等級，可用于儲罐回火保護。

4惰性氣封供氣量的計算

4.1國內行業標準中惰性氣封供氣量計算

HG/T 20570.16中氣封裝置供氣流量計算：

V補充=V泵+V溫變

(1)

式中，V泵為儲罐泵出液體的補氣流量，等于最大的泵出液體流量；V溫變為外部氣溫降低產生的補氣流量，根據API 2000相關規定計算。

由于出版時間的局限，HG/T 20570-95所引用的當初的API標準，如今已經被新版本中的評價方法和公式取代。

在API 2000-2014中，外部氣溫變化產生的補氣量計算式：

(2)

式中，C為與物料蒸汽壓、平均儲存溫度和儲罐地理緯度相關的因子；Ri為保溫折減系數；Vtk為儲罐容積，m3。

式(2)中，C因子是由物料的物性、物料儲存條件及儲罐所在地理位置決定的，可以通過查表獲得。而保溫折減系數Ri是由物料儲存時的熱交換情況、儲罐是否保溫、保溫形式與面積、保溫材料的性質以及保溫層厚度綜合決定的。通過收集這些信息或參數，計算獲得。

綜合式(1)和式(2)，氣封供氣流量的計算公式：

(3)

4.2美國標準中惰性氣封供氣量的工藝計算

API2000-2014附錄F中提供了三種惰性氣封等級，可以限定不同等級的最小供氣流量和惰性氣封氣保有容積。設計時可以根據物料特性和工藝需要確定補氣量和惰性氣封氣保有容積，以匹配氣封等級和進行相關設置。三種惰性氣封等級的相關計算公式如下：

(1)1級氣封

(4)

惰性氣封氣保有容積VI，m3：

VI=0.04×Vtk

(2)2級氣封

(5)

各參數符號同前。

惰性氣封氣保有容積VI，m3：

VI=0.08×Vtk

(3)3級氣封

(6)

各參數符號同前。

惰性氣封氣保有容積VI，m3：

VI=0.12×Vtk

5惰性氣封系統等級的控制要求

美標體系中，惰性氣封系統等級與儲罐內爆炸危險區域分區及工藝系統控制相關。

若按1級氣封方案補氣，需對氣封供應進行監控，包括測量儲罐內壓力及其氧含量，當儲罐內壓力降到吸氣設定值時系統應報警。按此流量，儲罐內爆炸危險區域可劃分為1區。同時，儲罐須安裝管端型防爆燃且可承受氣體組別為IIA的物料燃燒的阻火器。

按2級氣封方案補氣，儲罐內爆炸危險區域可為2區。除滿足對1級氣封的控制要求外，還須在罐壓報警設定值之下增加泵的關停信號。同時，儲罐須安裝與1級氣封同樣要求的阻火器。

3級氣封方案中，儲罐內爆炸危險區域也為2區，但是需始終保持儲罐內的正壓環境，泵的關停設定值高于環境壓力。設置監控系統冗余，無需安裝阻火器。

6算例

一臺300m3的地上式固定頂苯酚儲罐，其尺寸為Φ8000mm×6000mm。設計正壓+0.02MPa(G)，設計負壓-0.0005MPa(G)。設計溫度100℃，操作溫度為65℃，儲罐有加熱裝置維持罐內溫度。建設地點位于南京。儲罐外層全部覆蓋保溫層，保溫材料采用巖棉，保溫厚度為60mm。最大泵送能力為60m3/h。儲罐設計有氮封裝置及呼吸閥，設定壓力為正壓+0.01MPa(G)，負壓-0.0003MPa(G)，呼吸閥排向大氣?，F比較幾種氮封設計方案所需的氮氣流量，見表1。

表1　氮氣流量比較表

美標中各氣封方案在壓力設定點控制動作見表2。

表2　各氣封方案在壓力設定點的控制動作

由表1和表2計算結果可以看出， HG/T 20570與API 2000在補氣量計算值和工藝設計上存在明顯差異。

惰性氣補氣用量計算值不同的原因在于：氣溫變化造成的補氣量一項，計算公式中的項系數不同，即國標體系公式(3)系數為1；而美標體系的三級氣封方案公式(式(4)，(5)，(6))各系數為分別0.1，0.2和0.5。

7結語

(1)從兩種體系的計算方法來看，HG/T 20570.16中的方法計算出的補氣量大于美標計算值。其計算過程簡單，易于理解。氣封氣計算值較大，會增加運營成本。

(2)API 2000-2014對氣封系統的設置描述嚴謹，相關的工藝設計與控制要求明確。計算值低于國內標準，可能會增加投資成本。

(3)中美兩種標準體系之氣溫變化造成的補氣量一項，計算公式中的項系數是造成其計算值差異的根本原因。采用國標計算時，補氣量按最大吸氣量計算；采用美標計算時，在儲罐內保有一定量惰性氣體的情況下，各級氣封方案允許惰性氣補氣量有或多或少的折減。

(4)國標計算用氣量較大，同時由于《石油化工儲運系統罐區設計規范》SH/T 3007-2014又規定：采用惰性氣封系統的儲罐在通大氣的通氣管或呼吸閥上應安裝阻火器。所以國內標準設計趨保守。

(5)對于部分不適宜安裝阻火器的場合，國標沒有提出明確的解決方案。而API 2000-2014的三級氣封系統的設計，為裝置的靈活設計提供了一個設計思路。通過自動化控制增加系統安全性，可以作為替代阻火器的備用方案，用來防止儲罐回火。

參考文獻

1HG/T 20570-95，工藝系統工程設計技術規定 [S].

2API STANDARD 2000-2014, Venting Atmospheric and Low-pressure Storage Tanks [S] .

3API RECOMMENDED PRACTICE 2028-2002, Flame Arresters in Piping Systems [S].

4API STANDARD 521- 2014，Pressure-relieving and Depressuring Systems [S].

5傅維鑣，張永康，王清安. 燃燒學 [M]. 北京：高等教育出版社，1989-04.

6SH/T 3007-2014，石油化工儲運系統罐區設計規范 [S].

(收稿日期2015-09-15)