常壓可燃液體儲罐氮封工藝系統設計

楊建寧

（中國市政工程西北設計研究院有限公司陜西分院，西安 710000）

1 應采用氮封系統進行保護的儲罐類型

1.1 結構類型

當前，有2種結構形式的可燃液體儲罐需采用氮封進行保護，即內浮頂儲罐和固定頂儲罐。

1.1.1 內浮頂儲罐

內浮頂儲罐常用于儲存火災危險性為甲、乙類揮發性比較強的物料或對潔凈度要求比較高的物料。浮盤在液體浮力作用下可浮動于液面上方，可隨罐內液面升降，起到減少物料揮發物料損失的作用。盡管儲罐液面上方有浮盤的保護，但浮盤與儲罐壁之間不可避免地存在一定的密封間隙，所儲存的物料在氣溫較高時容易揮發，易揮發的物料有可能沿著空隙溢出聚集于浮盤上部空間。當以上物料的蒸汽濃度處于爆炸上下限范圍內時，如遇靜電或其他不可預見因素產生的火花，就可能發生爆炸或者火災事故而造成損失，因此必須采用氮封系統對其進行保護。

1.1.2 固定頂儲罐

固定頂儲罐作為一種廣泛應用的倉儲容器，適用于常壓液態物料的儲存。當儲存物料需與空氣隔離或者物料易揮發產生危險爆炸危險性氣體時，人們就需要采用氮封系統對這種儲罐進行保護。

1.2 儲罐的使用范圍

一般的常壓儲罐常采用立式圓筒形鋼制儲罐，其頂部結構形式屬于弱頂結構，其頂部與筒體進行弱焊連接，它可以在事故工況下發生爆炸時起到頂部可掀翻泄壓的作用，以避免筒體破壞造成物料大面積泄露，其設計壓力（表壓）限制在-0.5～6.0 kPa范圍內。因此，當儲存物料的蒸汽壓數值在6 kPa以上時，可考慮采用浮頂罐進行儲存。

儲存液體物料常壓閃點低于45℃時，由于物料揮發性強烈，儲罐可能會承受一定的內壓，可采用壓力儲罐或低溫類保冷效果好的常壓類儲罐。

2 氮封系統的作用、應用

氮封閥是氮封系統的主要控制元部件，其作用就是：當儲罐內力受外界因素影響降低時，氮封閥會自動開啟將氣源管道內的氮氣向罐內補充以維持儲罐微正壓狀態，防止儲罐由于壓力過低被外界大氣壓壓癟。當液面上升或儲存介質的蒸發量過大造成儲罐內壓力增大，儲罐上部空間氣相壓力超過儲罐頂部的呼吸閥的開啟壓力時，呼吸閥開啟，排除儲罐內部分氣相介質，使儲罐維持在微正壓（400～1 000 Pa），即使儲罐處于可承受的壓力范圍內[4-7]。

2.1 氮封系統的作用

2.1.1 保護儲罐

當氣溫驟降引起物料蒸汽大量冷凝或者物料大量外輸引起液面迅速降低等因素造成儲罐內力降低時，氮封閥開啟，及時向儲罐內補充氮氣，避免常壓儲罐因真空度過大被外界大氣壓壓癟。

2.1.2 保護儲存物料

如只采用呼吸閥，當儲罐內壓力降低時，外界空氣會吸入儲罐內；如采用氮封系統，氮氣作為儲罐降壓時的補氣氣源，可控制物料上層氣相的空氣含量，以防止物料被外界氣體污染，提高物料長期存儲的安全性。

2.1.3 減少大氣環境污染

氮封系統維持儲罐內微正壓可減少物料的蒸發量，從而起到減少物料揮發的作用。

2.2 氮封系統的應用

儲罐是否需要氮封，主要根據物料的物性來決定，通常在以下幾種工況下，儲罐需要用氮封：

儲存揮發性大或毒性大，對環境污染較大的液體儲罐；儲存物料容易發生氧化或本身吸水性或水溶性比較強的儲罐；儲存物料閃點較低的液體儲罐[8-9]。

3 氮封系統設計

3.1 設計原則

考慮到氮封閥需要檢修，為保證儲罐或者物料安全，應給氮封系統設置備用氮氣補充裝置，通常采用氣動直通薄膜調節閥旁路與供應氮氣的主管連接，正常工況下可使用氮封系統進行保護；當氮封閥失靈或者處于檢修校正狀態下不能正常工作時，備用的旁路相應調節閥開啟，給儲罐內補充氮氣；當因氣溫升高引起物料大量揮發或者物料大量進入儲罐使儲罐壓力高于設計值時，先通過呼吸閥排放罐內氣體，當呼吸閥無法滿足降壓要求時，通過緊急泄壓閥開啟排除氣相降低壓力，這兩種系統可通過電氣控制系統進行連鎖，分別設定相應的工作壓力級別進行控制。緊急泄壓閥設置定壓不應高于儲罐的可承受的最高工作壓力，以確保儲罐的安全排放。

3.2 常用的氮封系統

3.2.1 氮封閥控制的氮封系統

氮封閥一般采用自力式氮封閥，可通過自反饋系統自動控制氮氣流量，使閥后壓力保持恒定范圍內[1]。該種閥門的特點包括：可控制精度高，可進行自反饋矯正；調節壓差比大，特別適合微壓氣體控制；壓力設定在執行器上實現，可在運行狀態下連續設定。

氮封是采用氮封閥本身的反饋調節機制控制相應閥門開關度，從而達到調整儲罐內壓力的目的。儲罐上設置的壓力變送器為氮封閥提供連鎖信號反饋，壓力低于系統設定壓力值且持續降低時，氮封閥接收到儲罐壓力變送器連鎖信號后打開，氮氣經氮封閥進入罐內直到儲罐內壓力達到正常范圍。罐內壓力高時,氣相通過呼吸閥或者緊急泄壓閥排出[10-11]。

3.2.2 氮封閥配水封的氮封系統

當儲存物料對水蒸氣含量要求不嚴格時，可采用氮封閥配水封的氮封系統，如圖1所示。

水封的作用：當儲罐內壓力超過設氮封系統的定值時，通過水封裝置向外排放氣體，達到泄壓的目的；當氮封閥和機械呼吸閥同時失靈，罐內產生負壓時，可通過水封系統吸入空氣，保護儲罐不發生變形損壞[2]。

圖1 配套水封的氮封系統

3.3 氮封系統供氣量的計算

氮封裝置的供氣量可根據物料的外輸量、氣溫因素引起的氣象冷凝或收縮量來確定。氮氣計算用量應大于或等于物料外輸時儲罐需要的補充氣量與氣溫驟降（如暴雨天氣）而引起的罐內氣體收縮或者迅速冷凝引起氣相減少所需的補充氣量之和。

物料的外輸補充氣量等于最大輸出能力。當氣溫因素引起罐內氣體收縮或迅速冷凝造成氣相減少時，需要補充氣量，人們在設計時可參靠美國石油學會相關標準。《常壓和低壓儲罐的放空》（API 2000）有如下規定：對有效容積不小于3 180 m3的常壓液體儲罐，補充氣量與儲罐殼體面積和罐頂的表面積呈比例關系，每單位面積（殼體面積和罐頂的表面積）每小時需要補充0.6 m3氮氣；對有效容積小于3 180 m3的儲罐，每單位容積每小時需要補充的氣量為0.78 m3。設計時，上述兩項所需氣量之和再加一定量的損耗，就是單個儲罐氮封系統所需消耗的氮氣量[3]。

4 結語

人們應根據儲罐儲存的物料物性要求來確定氮封系統使用的氮氣純度，其不宜低于99.96%，一般來說，化工項目都有相應的空分系統，空分裝置生產的氮氣或者倉儲項目使用的制氮機制取的氮氣經系統調壓后即可滿足使用條件。

儲罐設置氮封系統可以防止罐內氣相空間形成爆炸性混合物，同時可防止和避免可燃有毒介質的揮發對環境造成污染；減少吸水性物料對水分的吸收；降低易氧化物料的氧化反應。儲罐設置氮封系統是原料儲存環節至關重要的保護性措施。