提高天然氣處理廠儲罐氮封系統穩定性及節能研究

李天鵬 ，王創道 ，劉汝鑫 ，王 麗 ，王 寧 ，張少龍 ，李 飛

（1.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內蒙古烏審旗 017300；2.中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林 719000）

提高天然氣處理廠儲罐氮封系統穩定性及節能研究

李天鵬1，王創道2，劉汝鑫1，王 麗1，王 寧1，張少龍1，李 飛1

（1.中國石油長慶油田分公司第三采氣廠，內蒙古烏審旗 017300；2.中國石油長慶油田分公司第二采氣廠，陜西榆林 719000）

氮封系統的穩定運行對天然氣處理廠危險物料的存放以及整個天然氣處理工藝流程的實現具有重要意義，通過分析氮封系統運行過程中存在的問題，提出解決方法，提高了氮封系統的穩定性，穩定性提高的同時降低了氮氣耗量，從氮氣產生的源頭提出節能降耗新措施。

氮封；效果；穩定性；節能

為了防止導熱油等物料接觸空氣發生反應而變質，從而導致性能降低，使用壽命縮短，通常在儲罐的氣相空間充入氮氣以隔絕空氣。凝析油產品罐、甲醇產品罐等儲罐內充入氮氣，不僅可以減少油氣的揮發，還可以降低可燃混合氣體氧氣含量，提高油品的儲存安全性。

所以，氮封系統的穩定運行對天然氣處理廠危險物料的安全穩定存放以及整個天然氣處理工藝流程的實現具有重要意義[1-3]。

1 氮封系統運行分析

1.1 氮封系統的組成及工作原理

所有儲罐的氮封系統主要由氮封調節閥、帶阻火器呼吸閥、液壓安全閥、壓力檢測儀表等附件構成。主要目的是使氮氣時刻充滿儲罐的氣相空間，并隨著罐內物料體積變化而實現補充氮氣和泄壓目的，保證儲罐內氮氣壓力保持在一個合理范圍。其組成（見圖1）。

圖1 氮封系統流程示意圖

氮封調節閥工作壓力一般設定為900 Pa，呼吸閥的壓力設定范圍一般為-490 Pa～1 470 Pa，液壓安全閥的壓力設定范圍一般為-490 Pa～1 960 Pa。當儲罐進液時，液面上升，氣相部分容積減小，壓力升高，當罐內壓力升高至1 470 Pa時，呼吸閥打開，向外排出氮氣，若進液速度較快時，氣體來不及從呼吸閥中排出，儲罐內壓力繼續升高，當升至1 960 Pa時，儲罐液壓安全閥打開，向外排出氮氣。反之當儲罐排液時，儲罐內壓力降低，當低于900 Pa時，氮封調節閥開度增大，向罐內充注氮氣，當罐內壓力升高至氮封閥設定點時，氮封調節閥關閉，停止供氮氣。若排液速度較快時，氮氣來不及及時補充，罐內壓力繼續降低，當降至-490 Pa時，空氣從呼吸閥以及液壓安全閥同時補入，保障了儲罐的安全運行。

1.2 氮封系統存在的問題

從天然氣處理廠的運行情況來看氮封系統運行總體平穩正常。以蘇里格第六天然氣處理廠為例，2016年以來，儲運罐區氮封壓力基本保持在0.85 kPa～0.9 kPa范圍內，有力保障了儲罐安全。

但是在運行過程中也存在一些不穩定因素導致的氮封壓力波動情況，主要有以下情況。

（1）儲存介質經常流動的儲罐，如凝析油產品罐在裝油作業時，氮封壓力會逐漸降低，裝油作業完成后，氮封壓力又會逐步升高至設定壓力。

氮封壓力的波動不僅會影響使用靜壓式液位計儲罐的罐存，而且會影響連續裝油的速度，降低裝卸油作業的效率。

（2）采出水罐區除油罐、沉降罐等儲罐在氮封總管壓力穩定，且無進液、出液等作業時，氮封壓力突然降低，有時甚至壓力降低至零。

從其他公司的相關惡性事件教訓得出，有時儲罐壓力降低太猛時，有可能會出現儲罐被“抽癟”變形，嚴重威脅儲罐的安全。

2 提高氮封系統穩定性方法

根據實際運行情況總結發現，儲罐氮封壓力不穩定的原因主要來自兩方面：（1）儲罐密封性降低，如液壓安全閥、呼吸閥出現故障，不能按照設計要求工作，如儲罐溢流管線、液位計等附件密封不良等等；（2）供氮氣系統出現故障，如氮封調節閥故障，上游氮氣壓力超出范圍等等。

2.1 液壓安全閥存在問題分析

液壓式安全閥是呼吸閥的安全備用設備，它的吸氣和呼氣的動作壓力略高于呼吸閥，在呼吸閥一旦失靈或在冬季其活瓣凍結時，液壓安全閥的液封即被破壞從而保護儲罐免遭破壞。

儲罐液壓安全閥閥內密封液體液位過低或過高，導致密封性降低或者失去儲罐壓力到達設定點泄放的能力（見圖2）。

2.1.1 液壓安全閥液位的確定 液壓安全閥隔板浸入液封內距離閥底高度為h1（m），在壓力下工作時，液壓安全閥會產生高度最大為h2（m）的液封，負壓工作時，產生高度最高為h3（m）的液封，罐內外壓力相等時密封液高度為 h（m），密封液的密度為 ρ（kg/m3），當地的大氣壓為 p0（kPa）。

儲罐的設計壓力為-0.49 kPa～2 kPa，液壓安全閥起跳壓力 p1＝1.8 kPa。

密封液裝填量：

密封液填裝高度：

由儲罐的設計壓力推算可知，h3（m）＜h2（m），D2、D1、d、h1值可查閱閥門參數，從而算得密封液裝填高度h。

圖2 氮封系統液壓安全閥不同狀態下示意圖

2.1.2 液壓安全閥密封液的確定 液壓安全閥作用的實現主要靠密封液來實現，液壓安全閥內的密封液體應滿足以下要求：（1）液體必須是沸點高、不易揮發的油品；（2）液體在低溫環境下必須不得出現凍堵情況；（3）液體的流動性等參數受環境溫度影響較小。

由于蘇里格地區夏季溫度高，冬季溫度低，且全年大部分時間晝夜溫差大，選用常用油品的話，流動性變化太大，不易保持壓力的恒定。綜合各類因素，最終選用天然氣壓縮機組專用防凍液作為密封液，既確保冬天不會凍堵，也避免了流動性受溫度影響太大，而且價錢便宜；缺點是需要經常檢查液位并及時補充，但同時，頻繁的巡檢能夠及時發現液壓安全閥出現的問題。

綜上所述，通過精確的計算可得出液壓安全閥設定點壓力對應的密封液填裝高度，并通過定期的檢查巡檢，確保蒸發等消耗量能得到及時的補充，即可保證液壓安全閥正常運行。

2.2 呼吸閥存在問題分析

呼吸閥常見故障有漏氣、卡死、粘結、梗塞、凍結5種（見圖3）。

（1）漏氣：漏氣一般是由于銹蝕、堅硬物體劃傷閥與閥盤的接觸面、閥盤或閥座變形以及閥盤導桿傾斜等緣故造成的；

（2）卡死：卡死多發生在由于呼吸閥裝置不正確或儲罐變形招致閥盤導桿傾斜以及閥桿銹蝕的狀況下，閥座在導桿中活動時不能到位，將閥盤卡于導桿中；

（3）粘結：粘結是由于有蒸氣、水分與堆積在閥盤、閥座、導桿上的塵土等雜物混合發作化學物理變化，經過長時間運行后，使閥盤與閥座或導桿粘結一起；

（4）梗塞：梗塞主要是由于機械呼吸閥長期高負荷運作，致使塵土、銹渣等雜物堆在呼吸閥呼吸管內，使呼吸閥梗塞；

（5）凍結：凍結是由于氣溫變化，空氣中的水分在呼吸閥的閥體、閥盤、閥座和導桿等部位凝結，進而結冰，使閥難以開啟。

以上這些故障，有的會導致呼吸閥到達控制壓力時不能正常運作，形成儲罐超壓，危及儲罐安全；有的則使呼吸閥失去平衡，形成大小呼吸失控，從而增加進料的蒸發損耗，使油料質量降落，加重區域大氣污染，影響操作人員身體健康，增加區域安全風險。

圖3 呼吸閥外形及結構示意圖

從實際出發，要盡量避免上述故障，須做好以下三點：

（1）在例行巡檢時要從外觀和現象上增強觀察和分析，及時發現問題，及時處理，如氮封壓力、儲罐罐體和呼吸閥閥體有無異常變化。

（2）儲罐進出油作業時，檢查呼吸閥運轉狀況能否正常；阻火板有沒有破損，能否暢通；呼吸閥閥體有無漏氣等。

（3）定期對呼吸閥進行較全面的檢查維保，各儲罐的機械呼吸閥，一、四季度每月維保兩次（防凍結），二、三季度每月維保一次。

2.3 氮封系統調節閥故障導致氮封壓力不穩定

將設在罐頂的取壓點的介質經導壓管引入檢測機構、介質在檢測元件上產生一個作用力與彈簧、預緊力相平衡。當罐內壓力降低至低于供氮裝置壓力設定點時，平衡破壞，使指揮器閥芯打開，使閥前氣體經減壓閥、節流閥、進入主閥執行機構上、下膜室，打開主閥閥芯、向罐內充注氮氣；當罐內壓力升至供氮裝置壓力設定點，由于預設彈簧力，關閉指揮器閥芯、由于主閥執行機構中彈簧作用，關閉主閥，停止供氮。

從實際生產情況來看，氮封閥主要存在以下問題：（1）導壓管堵塞，氮封閥沒有反饋信號，造成氮氣不停地補充；（2）彈簧彈力變小，如果主閥、導閥以及兩個閥芯室無污物，而且導壓管也未堵塞，則有可能是導閥下的預設彈簧彈力減小，使氮封閥不停補氣；（3）密封圈損壞，導閥在工作過程中動作頻繁，使密封圈經常受到閥座的沖擊，導致密封圈磨損或斷裂，起不到密封作用；（4）管線中殘存的污物或者在灰塵較多的環境中長時間使用導致氮封閥工作不正常，污物黏在導閥、主閥閥芯室內，導致其不能正常回座。

定期對氮封閥進行維保作業，對彈簧、密封圈等進行定期更換，長時間運行后對閥體內部進行清理保養，確保閥在運行期間不會由于本身問題出現故障，可有效提高氮封調節閥的運行穩定性。

2.4 儲罐出液速度過快導致的氮封不穩定

氮封系統的不穩定全部為壓力過低導致的不穩定，分析發現儲罐只有在出液作業對氮封壓力產生較大的影響。蘇里格地區天然氣處理廠的各類儲罐的出液作業主要有：產品凝析油外運、回注系統合格氣田采出水回注作業、外運污油、外運自產甲醇。根據第六處理廠實際生產經驗，自產甲醇和污油外運量都很小，所以主要對凝析油外運作業和回注作業進行分析。

裝油速度受凝析油密度、環境溫度影響，回注速度主要受回注水指標是否達標以及回注地層情況影響。

以第六處理廠為例，近六個月凝析油裝油速度以及回注速度（見圖4）。

圖4 儲罐出液作業時速度趨勢圖

從圖4的趨勢中可以看出，每項作業的出液速度基本穩定。按照趨勢圖的最高速度得出，全部儲罐的出液速度最高為67.85 m3/h，所以，儲罐出液作業時，算上儲罐介質受溫度的變化，需要氮氣的流量最高按照70 m3/h計算。

截止12月1日，2016年第六處理廠全年累計消耗氮氣617 707.13 m3，平均流量為76.8 m3/h。從以上計算可以得出，即使全廠儲罐無進液作業，全部為出液作業時，所需要的氮氣流量也遠低于目前的供給流量，所以，儲罐進出液操作不是引起氮封壓力不穩定的主要因素。

2.5 采出水系統儲罐氮封壓力無法保持分析

以第六處理廠為例，采出水處理及回注系統四具儲罐經常氮封壓力不穩定，且長時間氮氣壓力為零，存在較大隱患。

表面原因分析為采出水處理及回注區要進行頻繁地進出液操作，導致氮氣流量波動頻繁，但經過2.4的分析可以得出，該因素不是決定性因素。

通過進一步的檢查發現，采出水處理及回注系統儲罐由于其工藝流程要求，全部設有溢流管線，溢流出的氣田采出水通過水封井至均質調節池。原理（見圖5）。

圖5 溢流管線導致氮封壓力不穩示意圖

當均質池液位較低時，水封井水封頭無法將溢流管線封住，導致氮氣順溢流管線從水封井逸出，氮封系統壓力無法保持，壓力變為零的可能性提高。

發現該問題后，將水封頭規格改變，提高水封頭的長度，將水封頭出口降至水封井出水管線以下，從而避免由于均質池液位降低導致的無法正常水封情況的出現，成功解決采出水系統氮封長期不穩定的情況。

3 氮封穩定性提高后的節能研究

通過以上的分析和對應的應對措施的實施，可有效提高氮封系統的密封性和運行穩定性，并有效降低全廠氮氣的消耗量。

以第六處理廠為例，氮封系統密封性不良時，空氮站氮氣儲罐的出口流量基本在130 m3/h～150 m3/h范圍內，并且在此流量下僅僅保證了儲運罐區8具儲罐的氮封壓力達標，采出水處理及回注系統4具儲罐氮封壓力在此期間大部分時間為0，存在較大的安全隱患。

通過一年多來的觀察和分析，當儲罐密封性良好，且儲運罐區8具罐和采出水系統4具罐氮封壓力達標時，空氮站氮氣儲罐出口流量一直穩定在50 m3/h～80 m3/h范圍內（由于各類儲罐的進出液作業，氮氣流量有小范圍的波動），氮氣流量降低達38.5%至53.3%，節約氮氣量可觀（見表1）。

表1 空壓機供給及下游氣體消耗對比情況

低氮氣流量運行時，原設計的兩臺空壓機，其中一臺一直處于減荷運行。

通過表1分析可以看出，當氮氣流量較低時，1臺空壓機完全可以滿足全廠輔助氣體的使用。

由于經過各項整改措施后，第六處理廠各類儲罐密封性良好，氮氣消耗量較低。2016年7月29日開始，空氮站的三臺空壓機由原先“兩用一備”運行模式，改為“一用兩備”運行，運行過程中空壓機各項參數正常，主要參數趨勢對比圖（見圖6）。

圖6 空壓機運行模式變化前后主要參數對比圖

從圖6中可以看出，空壓機電機軸承溫度基本未變，電機運行良好，壓縮機排氣溫度略有升高，升高幅度約為5℃，主要因為排氣量增加導致冷卻效果降低，但排氣溫度仍然遠小于設計的排氣溫度。

改變供氣端空壓機運行模式后，下游儲罐壓力恒定，且不受裝油、回注等作業的影響，證明供氣充足，儲罐區的氧含量變化（見圖7）。

從圖7可以得出，各儲罐氧含量在一臺空壓機運行時（8月1日至8月22日）與兩臺空壓機運行時（10月3日至10月24日）相比變化不大，甚至比兩臺運行時氧含量有所降低。兩個對比月的儲罐氧含量數值保持在0%～1.8%，遠遠達不到所含凝析油、甲醇蒸汽爆炸所需要氧含量。

圖7 供氣端運行模式改變前后各儲罐氧含量趨勢圖

氮封系統密封性提高，氮氣用量減小，但儲罐氧含量并未升高，完全滿足生產要求。

從兩臺空壓機減少為一臺空壓機運行，可節約一臺空壓機的電量，每臺空壓機額定功率90 kW，按照80%負荷計算，每年可節約電量：

每度電按照0.63元計算，每年可節約電費39.74萬元。

所以從設備本身以及工藝的實現兩方面均說明，空氮站施行空壓機“一用兩備”模式，是完全可行的，這種模式一方面每年節省電費39萬余元，另一方面，兩臺空壓機備用，可提高空壓機冗余率，提高儀表風、氮氣的供給安全穩定性。

4 結論

（1）氮封系統壓力不穩定不僅存在儲罐受損失效的風險，而且影響儲罐介質容量的準確計量，降低作業效率，對儲罐安全平穩生產造成影響。

（2）儲罐氮封系統的液壓安全閥、呼吸閥、氮封閥以及相關管線、接頭的完好與否都對儲罐氮封系統的穩定運行造成影響。加強對關鍵部位的巡檢和保養，出現問題及時解決，可有效提高氮封系統的穩定性。

（3）幾個儲罐公用一個氮封調節閥，可以實現多個運行過程中的儲罐進氣量和排氣量的部分平衡，不僅可以減少氮氣用量，同時還可以減少儲罐在收油作業時的油氣排放，但是總供氣管線調節閥故障后，全部儲罐的氮封壓力受影響，不同介質全部聯通后，存在介質互通的可能性，且凝析油、甲醇等揮發性物質蒸汽進入氮氣管線中逐漸累積。建議在預算允許的情況下，一個儲罐由一個氮封閥控制，可大幅度提高氮封系統穩定性。

（4）處理廠一般規定每周對儲罐氧含量進行測量，測量位置及不同人員的手動測量存在誤差，而且頻繁的上罐作業存在潛在安全風險，建議在儲罐增加氧含量在線分析儀，對氧含量進行實時的遠程監控。

（5）氮封系統穩定性的提高，氮氣耗量降低達38.5%至53.3%，同時可改變空氮站空壓機運行模式，由原先“兩用一備”運行模式，改為“一用兩備”運行，既提高空壓機冗余率，提高儀表風、氮氣的供給安全穩定性，而且每年可節省電費約39萬余元。

［1］梁曉峰.化工企業原料儲罐氮封系統的設計及應用［J］.寧波化工，2013，（1）：27-29.

［2］葛濤，陳平，等.榆林天然氣處理廠儲罐氮封系統改造［J］.石油化工應用，2014，33（10）：118-120.

［3］SH/T3007-2007.石油化工儲運系統罐區設計規范［S］.2007.

Study on stability and energy saving of nitrogen seal system in storage tank of natural gas processing plant

LI Tianpeng1，WANG Chuangdao2，LIU Ruxin1，WANG Li1，WANG Ning1，ZHANG Shaolong1，LI Fei1
（1.Gas Production Plant 3 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Wushenqi Neimenggu 017300，China；2.Gas Production Plant 2 of PetroChina Changqing Oilfield Company，Yulin Shanxi 719000，China）

The stable operation of nitrogen sealing system is of great significance to the storage of hazardous materials in natural gas processing plants and the realization of the whole process of natural gas treatment.The solution to the problems existing in the operation of nitrogen sealing system is put forward by analysis.The nitrogen consumption is reduced with the increase of stability.New measures for energy saving and consumption reduction are put forward from the source of nitrogen production.

nitrogen sealing system；effect；stability；energy-saving technology

TE972

A

1673-5285（2017）12-0035-06

10.3969/j.issn.1673-5285.2017.12.009

2017－11-23