儲罐氮封設計改進

張　燁

(金凌石化工程設計有限公司，江蘇　南京　210042)

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儲罐氮封設計改進

張燁

(金凌石化工程設計有限公司，江蘇南京210042)

氮封流程是目前儲罐工藝設計的常用流程，用于密閉儲罐氣相空間，隔絕有害氣體溢出，在儲運化工領域得到了普遍的應用。氮封可有效提高我國石化企業庫區節能環保工業水平。在現主流設計思路，氮封流程由機械式調節閥控制，對于儲罐氣相流程目前并沒有良好的水力計算依據及流程參考參數。這些問題將導致氮封設計無理可依，并可能造成重大安全事故。本文將對上述問題進行闡述，通過分析水力模型給予改進性意見。

氮封；化工；儲運

含硫原油加工過程中不可避免地產生一定的硫化氫及有機硫化物等惡臭氣體，這些惡臭氣體大量存在于污油儲罐的氣相空間內。硫化氫是強烈的神經毒物，侵入人體的主要途徑是吸入，極高濃度的硫化氫可在數秒之內致人突然昏迷，呼吸心跳驟停，發生閃電型死亡，高濃度接觸眼結膜會發生水腫和角膜潰瘍，而低濃度長期接觸，會引起神經衰弱綜合癥和植物神經功能紊亂等。罐頂氣內還含有大量的揮發性烴類，其就地排放，隨處擴散，高溫季節更盛，這種高濃度的烴類蒸汽與空氣可形成爆炸性混合物，遇到人體釋放的靜電、雷電產生的火花或其他明火、高熱極易燃燒爆炸。并且油氣污染對職工及其周圍居民的身體健康也會造成一定傷害。

隨著人們對周圍環境空氣質量要求的進一步提高，國家、地方環保污染控制指標日趨嚴格，國家發展和改革委員會與2011年03月27日根據《國務院關于發布實施<促進產業結構調整暫行規定>的決定》(國發〔2005〕40號)發布了《產業結構調整指導目錄(2011年本)》，按行業分為鼓勵類、限制類和淘汰類。其中石油儲運設施揮發油氣回收技術開發與應用的項目被列為鼓勵類項目。

而儲罐油氣回收系統須需要完全封閉儲罐氣相空間，為保證儲罐在正常運行過程中不吸進空氣，防止形成爆炸性氣體。

1　氮封設計的現狀

根據《中國石油化工股份有限公司煉油輕質油儲罐安全運行指導意見(試行)》3.7.1.2條加工高硫、含硫原油的企業，儲存含有直餾石腦油組分的內浮頂儲罐應采用氮封措施，而現行國家規范，并未對氮封系統管路提出明確的設計公式依據。根據《石油化工儲罐系統罐區設計規范》中5.1.6條儲罐呼吸閥通氣量不得小于下列各項的呼出量與吸入量之和：①液體出罐是所造成的罐內液體氣體呼出量；②液體進入固定頂儲罐是造成的罐內液體氣體呼出量；③因大氣最大溫降導致罐內氣體收縮所造成儲罐吸入的空氣量和因大氣溫升溫降導致罐內氣體膨脹而呼出的氣體[1]。故若要保證儲罐氣相空間封閉，必須考慮《石油化工儲罐系統罐區設計規范》中呼吸閥所規定的通氣量。由此得出，儲罐氣相空間通氣量較高，大于原本設計的儲罐液體進出量。而現行規范中對氮封設計的管徑，參考流程沒有詳細的規定，導致不少儲罐改造后存在儲罐氮氣供給量不足，造成儲罐負壓及氣相空間氧氣含量偏高等安全隱患。

2　氮封管道水力計算

按以下實例來說明氮氣供給量不足的原因：

南京某石化罐區以一個5000 m3儲罐為例，氮封管道公稱直徑為DN80、壁厚為5 mm，儲罐出料量為320 m3。氮封閥為自力式調節閥。在儲罐上設置氮封系統，維持罐內氣相空間壓力在1.0 kPa左右，當氣相空間壓力高于1.4 kPa時，氮封閥關閉，停止氮氣供應；當氣相空間壓力低于0.8 kPa時，氮封閥開啟，開始補充氮氣。

由于氮氣為可壓縮流體，同時氮氣流動時與管道有充分的熱交換，故可以按國際上的標準都采用的等溫方程式[2]:

式中：f——水力摩擦系數

L——管道當量長度，m

d——管道內徑,m

Ma——管道出口馬赫數

p1——管道入口壓力(絕壓)，kPa

p2——管道出口壓力(絕壓)，kPa

其中馬赫數及水力摩擦系數:

式中：qm——氣體質量流量,kg/h

Z——氣體壓縮系數，取相對分段計算的平均值

T——氣體的溫度,K

k——氣體的絕熱指數

M——氣體的平均分子量

式中：e——管道絕對粗糙度,m

Re——雷諾數

如果調節閥安裝于罐底，根據儲罐高度及彎頭個數推算出管道當量長度為25 m，管道背壓為氮封壓力1.0 kPa；因此根據公式計算得出調節閥背壓的壓力曲線

圖1　調節閥背壓壓力曲線

僅僅在儲罐出料時，氮封閥后需要維持2.34 kPa，這個壓力比氮封壓力高1.34 kPa，甚至高于低壓普通儲罐的設計壓力，使得起調節作用的自力式調節閥根本無法設置適當的閥后壓力，若調節閥按儲罐設計壓力1.96 kPa[3]設置調節壓力，氮封管道的流量為245 Nm3/h，這樣儲罐的氣相空間將會吸入大量空氣，這對于老舊儲罐來說將存在硫化亞鐵自燃的隱患。同時如果遇到惡劣性天氣，大氣極端溫降時，儲罐將直接出憋壓事故。

如果調節閥安裝于罐頂，根據彎頭個數推算出管道當量長度為3 m，同樣根據公式得出調節閥背壓的壓力曲線。

圖2　調節閥背壓壓力曲線

而這種安裝方式氮封管道的壓力曲線較平緩，但根據《石油化工儲罐系統罐區設計規范》儲罐因大氣最大溫降導致罐內氣體收縮所造成儲罐吸入的空氣量來看，5000 m3的儲罐，吸入量為787 m3/h(溫度下流量)[1]，氮封閥閥后需要維持1.86 kPa 超過儲罐呼吸閥的設定壓力。導致呼吸閥頻繁工作，不僅，浪費大量氮氣資源減少氮封的經濟效益，同時影響周圍環境的空氣質量，損害企業形象。

從上述計算可以看出，調節閥定壓，很難設定。而對需要改造的舊儲罐，外部空氣是否會進入儲罐也是個不小的問題。在某些舊儲罐改造后，由于擔心儲罐會吸入空氣，造成自燃的危險，使用方會在儲罐設置在線含氧分析儀[5]，監控儲罐氣相空間的含氧量。這樣使儲罐改造的成本上升，影響儲罐改造的經濟效益。

3　存在問題及傳統的方案

如果我們從另外一個角度來審核管道水力模型，校核管道的流通量，我們仍然使用上一個例子，調節閥安裝于罐底，但調節閥采取全開狀態，根據儲罐高度、彎頭個數及閥門阻力推算出管道當量長度為60 m，管道背壓仍然1 kPa，而管道氮氣壓力為600 kPa，通過公式計算可得出管道的流通流量超過8000 Nm3/h。由此可看出，管道的流通潛力很大，而且完全可以滿足儲罐氮封的完全密閉要求。因此可看出氮封氮氣供量不足的主要原因就是由于氮封管道在設計中，調節閥由其背壓控制，這等同于將氮封壓力與調節閥閥后背壓設為一個數值。由此使得氮封調節閥后的氮封管道壓降過低，無法獲得較大的流量通過時的壓降需求。若想加大管道流通流量，就需要加大氮封調節閥閥后背壓，但是過大的氮封調節閥閥后背壓，無法滿足在儲罐設計壓力或其氣相空間靜止時的密閉要求。

如果調節閥壓力可以自我調節，則問題可以迎刃而解。在普通的設計思路是使用全自動化儀表控制。在儲罐罐頂設置電子壓力信號儀表，監控采集儲罐氣相空間壓力值。再將壓力信號通過系統組態，反饋給儲罐自動化調節閥，控制氮氣供給量[4]。而此類設計思路，對自動化儀表的要求較高，同時需要較高的成本。故一些庫區為了節約成本采取多儲罐統一供氮，并設置平衡線及緩沖罐。而這類的設計方案，并不能完全緩解儲罐的供氮問題，反而會增加儀表組態時的難度，且也使的儲罐氣相增加了一路聯通管道，不利于儲罐在火災情況下與事故罐的隔離。

4　改進建議

在《中國石油化工股份有限公司煉油輕質油儲罐安全運行指導意見(試行)》附件的氮封設計推薦中提出，儲罐在儲罐罐頂增加氮氣接入口和引壓口。此條可以很大程度上解決上述問題。如果氮封調節閥的引壓管道由儲罐氣相空間引出，調節閥的控制開度就可以由儲罐氣相壓力確定，調節閥閥后氮氣管道為動態平衡系統，管道背壓控制管道流量。當氣相空間通氣量加大時，罐頂氣相壓力下降，氮封管道調節閥開啟開始提供氮氣，若氮氣流量不足時，罐頂氣相壓力會持續下降使調節閥減小調節量，直至氮氣管道流量與氣相空間通氣量相等；當氣相空間通氣量減小并趨于靜止時，罐頂氣相壓力上升，氮封管道調節閥逐漸關閉減少氮氣供應，直至氮封管道調節閥閥后背壓與儲罐氣相空間壓力相同。這樣工藝流程設計，可以盡可能減少氮氣浪費，同時滿足儲罐設計壓力及其氣相空間靜止時的密閉要求。這類設計方案在實施時，對于改造庫區可以利用現有的機械自力式調節閥，只需在將罐頂增加一個取壓口引入調節閥，并適當調整調節閥的安裝位置，使調節閥后管道壓力曲線趨于平緩，減少壓力傳播延遲即可。對于新建的庫區可以在每個儲罐上均設置機械自力式調節閥，減少罐區儲罐的電子壓力信號儀表。從而降低庫區設計成本，提高庫區改造及建設的經濟效益。

5　結　論

對于氮封管道來說，氮封管道的水力壓降對于儲罐的設計壓力數值來說，不能忽略且是一個會根據工況條件而變化的數值。故單純的維持氮封壓力的機械式調節閥無法滿足儲罐運行的通氣量需求。因此設計氮封流程時，機械式氮封調節閥的引壓管道可以由罐頂取壓口接入，這樣調節閥的工作狀態可以和儲罐運行狀態相關聯，根據儲罐運行時的通氣量改變氮封調節閥的工作狀態，才能保證儲罐在一定密閉條件下的儲罐氣相空間的供氣平衡。

[1]中華人民共和國工業和信息化部 SH/T3007-2014 石油化工儲運系統罐區設計規范.中國石化出版社,2015.

[2]中華人民共和國工業和信息化部 SH3009-2013石油化工可燃性氣體排放系統設計規范.中國石化出版社,2014.

[3]中華人民共和國建設部 GB50341-2014立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范.中國計劃出版社,2015.

[4]王風軍.氮封技術在輕質油儲罐中的應用.科技風,2009(15):164.

[5]王宴.內浮頂輕污油罐氮封系統改造.中國化工貿易,2015(17):150.

Improved Design of Nitrogen Sealed Tank

ZHANG Ye

(Jinling Petrochemical Engineering Co.,Ltd.,Jiangsu Nanjing 210042,China)

Nitrogen sealing process is the common process of storage tank design.It is widely used in the field of storage and transportation of chemical industry,which is used to seal the gas phase space and to isolate the harmful gas.Nitrogen sealing can effectively improve the level of energy saving and environmental protection industry in the reservoir area of China’s petrochemical enterprises.In the current mainstream design ideas,nitrogen sealing process by mechanical valve control for tank gas phase process there is no good hydraulic calculation basis and process parameters for reference.These problems will lead to unreasonable design of nitrogen sealing laws,and may cause major accidents.The above problems were elaborated on,through the analysis of the hydraulic model,some opinions were given.

nitrogen; chemical storage; transportation

張燁(1988-)，男，助理工程師，本科學歷，現從事油氣儲運設計工作。

TQ062+.2

A

1001-9677(2016)011-0193-03