大型全壓力式液化烴球罐區(qū)設備及管道布置探討

(中國五環(huán)工程有限公司，武漢 湖北 430223)

液化烴為15℃的溫度下，蒸汽壓力大于0.1MPa的烴類液體及其他類似的液體，不包括液化天然氣。石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范GB50160[1]上將液化烴火災危險性劃分為甲A類。1m3液化烴可氣化成250～300m3的氣態(tài)烴，與空氣形成3 000～15 000m3的爆炸性混合氣體。而且液化烴的點火能量極低，一般在0.25MJ左右，電話、步話機、手電筒開關(guān)時產(chǎn)生的火花即可點燃爆炸性混合氣體，形成爆炸。液化烴介質(zhì)一般有兩種儲存方式：一是常溫下加壓儲存，即選用壓力儲罐，一般用于石油化工廠、煤化工廠的中間、產(chǎn)品罐區(qū)等；二是常壓下低溫儲存，一般用于原料罐區(qū)、船運低溫液化烴的接收站等。化工廠的液化烴罐區(qū)屬于重大危險源，科學與規(guī)范的設計對提高液化烴罐區(qū)的本質(zhì)安全性、減少安全事故的發(fā)生率具有十分重大的意義。本文從液化烴球罐區(qū)的設備布置、管道布置兩個角度出發(fā)，對液化烴球罐區(qū)的相關(guān)設計問題進行了討論，并結(jié)合實際工程案例進行了總結(jié)。

1 球罐區(qū)設備布置

1.1 球罐分組布置

液化烴儲罐應成組布置[1]。每個液化烴罐組內(nèi)的儲罐不應超過2排，每組全壓力式儲罐的個數(shù)不應多于12個。單個液化烴罐組四周應設環(huán)形消防通道，消防車道路面寬度應不小于6m，路面內(nèi)緣轉(zhuǎn)彎半徑不宜小于12m，而且路面上的凈空不應低于5m。

1.2 罐組內(nèi)罐與罐之間間距

按照GB50160第6.3.3條[1]，工藝上有事故排放至火炬的措施為球罐間間距取相鄰較大儲罐直徑的一半；無事故排放至火炬的措施為球罐間間距取相鄰較大儲罐直徑。這一點要求與建筑設計防火規(guī)范GB50016上的要求是不一致的。GB50016上第4.4.2條[2]規(guī)定：液化石油氣儲罐之間的防火間距不應小于相鄰較大罐的直徑。GB50016上的液化石油氣專指以C3、C4或由其為主所組成的混合物；而GB50160上的液化烴，定義為“15℃時的蒸汽壓力>0.1MPa的烴類液體及其他類似的液體，不包括液化天然氣”，不僅包含液化石油氣，還涉及乙烯、乙烷、丙烷等單組分液化烴類。

對于石油化工企業(yè)內(nèi)的液化石油氣儲罐的布置，是否應遵循GB50016的要求存在爭議。GB50016上根據(jù)儲罐區(qū)的總?cè)莘e將液化石油氣儲罐和儲罐區(qū)分為了7檔，在4.4.1條的解釋[2]中指出，第6、7檔主要為特大型灌瓶站、大中型儲配站、儲存站和石油化工廠的儲罐區(qū)。由此可見，GB50016上提到的液化石油氣儲罐區(qū)包括石油化工廠的儲罐區(qū)。但是在GB50016的總則中又指出：石油和天然氣工程、石油化工工程、煤化工等的建筑防火設計，當有專門的國家標準時，宜從其規(guī)定。這就導致了爭議的產(chǎn)生。而且，GB50016上對液化石油氣儲罐的分組布置也與GB50160的要求不同。GB50016要求數(shù)個儲罐的總?cè)莘e大于3 000m3時，應分組布置，組內(nèi)儲罐宜采用單排布置。這條對于石油化工企業(yè)來說，較難執(zhí)行。隨著工藝的不斷進步、裝置處理規(guī)模的不斷增大，3 000m3的全壓力式液化烴、液化石油氣儲罐變得十分常見。如果遵循GB50016，那3 000m3的液化石油氣儲罐就要單罐單組，這將極大地增加占地與投資。

在對液化石油氣的火災危險性論述中，GB50160和GB50016也存在不同之處。GB50160認為液化烴壓力儲罐比常壓甲B類液體儲罐安全，液化烴罐因漏氣而著火的火焰并不大，且罐內(nèi)為正壓，空氣不能進入，火焰不會竄入罐內(nèi)而引起爆炸。而GB50016上指出，當液化石油氣儲罐破裂時，罐內(nèi)壓力急劇下降，罐內(nèi)液化石油氣會立即氣化成大量氣體，并向上空噴出，形成蘑菇云，繼而降至地面，向四周擴散，與空氣混合形成爆炸性氣體；一旦被引燃即發(fā)生爆炸，繼之大火以火球形式返回罐區(qū)形成火海，導致儲罐發(fā)生連續(xù)爆炸。GB50160對火災的分析側(cè)重于漏氣，即少量泄漏情況；而GB50016側(cè)重于罐子破裂、大量泄漏的情況。隨著設計、制造及檢驗技術(shù)的進步，壓力儲罐發(fā)生破裂的概率在減少；而且液化烴壓力儲罐區(qū)內(nèi)均設置有可燃氣體檢測報警系統(tǒng)，一旦發(fā)生少量泄漏，即可及時被發(fā)現(xiàn)和處理，這也減少了儲罐發(fā)生大量泄漏的可能性。

石油天然氣工程設計防火規(guī)范GB50183上第6.6.9條[3]規(guī)定，對于陸上油氣田工程以及海洋油氣田終端工程中的液化石油氣壓力儲罐組，全壓力球罐間的防火間距為相鄰較大罐直徑，且6.6.2條規(guī)定，罐組內(nèi)儲罐個數(shù)不應超過12個，總?cè)莘e不應超過20 000m3。國外的標準NFPA58及API RP 2510上規(guī)定相鄰液化石油氣儲罐間距取相鄰較大儲罐直徑的一半，與GB50160的要求相同。

在實際的設計工作中，需執(zhí)行的標準規(guī)范應根據(jù)具體的項目來確定。石油化工廠、煤化工廠的液化烴及液化石油氣儲罐一般都按照GB50160來設計。有的企業(yè)在企業(yè)標準中對相應內(nèi)容作出了規(guī)定。比如，中國石油天然氣股份有限公司的企標Q/SY TZ 0236就規(guī)定“液化石油氣球罐組內(nèi)球罐之間的防火距離應不小于相鄰較大罐的直徑”。筆者認為，本著安全第一的原則，如果條件允許，適當加大儲罐間間距以及限制儲罐組總?cè)莘e是有必要的。比如，內(nèi)蒙古安監(jiān)局在2014年發(fā)文(內(nèi)安監(jiān)管三字[2014]104號)要求加大危險化學品儲罐間距，對地上立式儲罐之間的距離，按不小于現(xiàn)行國家、行業(yè)有關(guān)標準規(guī)范規(guī)定下限的兩倍確定。

1.3 防護墻/隔墻設置

GB50160第6.3.5條[1]規(guī)定，液化烴全壓力式儲罐組宜設不高于0.6m的防火堤，防火堤內(nèi)腳線距儲罐不應小于3m，防火堤內(nèi)隔堤不宜高于0.3m。而儲罐區(qū)防火堤設計規(guī)范GB50351[4]對防火堤和防護墻進行了區(qū)分，規(guī)定防火堤主要用于常壓油罐區(qū)及冷凍式儲罐區(qū)，防護墻主要用于全壓力式球罐區(qū)。防火堤用于儲罐發(fā)生泄漏時，防止液體外流和火災蔓延；而防護墻用于儲罐發(fā)生泄漏時，防止下沉氣體外溢，主要用于通過加壓使氣態(tài)變成液態(tài)的儲罐組。GB50351上對全壓力式液化烴儲罐組防護墻和隔墻的高度以及儲罐罐壁到防護墻的距離的要求與GB50160相同。

對于是否應設置隔墻的問題，GB50160和GB50351均規(guī)定全壓力式儲罐組總?cè)莘e大于8 000m3時應設隔墻，隔墻內(nèi)儲罐總?cè)莘e不應大于8 000m3，當單罐容量大于或等于5 000m3時應每罐一隔。但在2014年7月，國家安全監(jiān)管總局發(fā)布了《進一步加強化學品罐區(qū)安全管理的通知》 (安監(jiān)總管三 68號)，該通知上要求可燃液體儲罐要按單罐單堤的要求設置防火堤或防火隔堤。因此，目前對液化烴球罐區(qū)均按照單罐單堤來設置。

1.4 儲罐基礎高度

首先，儲罐基礎高度要滿足泵的汽蝕余量要求。泵的有效汽蝕余量NPSHa與必須氣蝕余量NPSHr的差值應大于0.6～1.0m。泵的有效汽蝕余量NPSHa等于儲罐最低液位到泵入口的高差減去泵入口管線的當量阻力損失。液化烴介質(zhì)因密度小、飽和蒸汽壓高，易產(chǎn)生泵氣蝕問題，因此，在實際應用中通常選用筒袋泵來輸送。筒袋泵屬于液下泵的一種，將葉輪和泵體放進筒袋內(nèi)，筒袋位于地面以下，相對提高了泵的抗氣蝕能力，減少了泵的必須氣蝕余量NPSHr。

其次，儲罐基礎高度要根據(jù)管道敷設方式(沿管廊敷設或沿地面低支架敷設)來確定。表1從操作檢修、通行、管道走向及初始投資等角度對液化烴球罐區(qū)管道沿管廊敷設與沿地面或低支架敷設進行了對比。

表1 管道沿管廊敷設與沿地面或低支架敷設的對比

罐區(qū)管廊標高一般取EL2.500，除去結(jié)構(gòu)梁高度，底部凈空在2.2m左右。為了保證從球罐出口到泵入口管線無袋型，球罐底部管道上靠近管口的緊急切斷閥布置的位置較高，一般中心標高在EL3.000左右，閥門下方設置操作平臺。緊急切斷閥一般選用可遠程遙控的氣動開關(guān)球閥，執(zhí)行結(jié)構(gòu)較大，閥門比較重，比如DN250，CL300的氣動開關(guān)球閥總質(zhì)量約1.3t。這樣的閥門放在罐底的平臺上，增加了安裝及檢修的難度。而且，為了保證操作和檢修的空間，罐子的基礎要做的較高，比如對于3 000m3的鋼制球罐，鋼制球形儲罐型式與基本參數(shù)GB/T 17261[5]上球罐支柱底板底面至球殼赤道平面的距離為11 000mm，球罐的直徑為18 000mm，這樣球罐底到支柱底板底面的距離約為2 000mm。如果球罐底部設置標高為EL2.500的操作平臺，考慮操作平臺上方2.2m的凈空，球罐基礎標高要設置在EL2.700。這無疑會增加結(jié)構(gòu)和管道的費用。當管道沿地面低支架布置時，球罐基礎標高可以設置在EL0.600～EL1.000左右。球罐底部僅需設置人孔操作平臺，進出口管線上的緊急切斷閥均布置在地面。低支架的標高一般略高于防護墻，標高取EL0.700較合適，保證管道從防護墻上方穿越。管線低管架布置的缺點是檢修與逃生通道靠跨橋連接，部分管道難以避免形成袋型。

在實際的設計中，筆者認為球罐底部進出管道低支架敷設相對較好，可以節(jié)省投資；而且儲罐基礎低，能減少風載或地震載荷的不良影響。在布置上可以采取措施來規(guī)避低管墩布置的缺點，比如通過增加跨橋的數(shù)量、將臨近的跨橋用通道連接等方法來減少管道對通行和逃生的影響；通過對管道標高進行調(diào)整，保證泵入口管道等主要工藝管線無袋型。

1.5 球罐頂部平臺及通道設置

球罐頂部設置圓形或方形平臺，對雙排布置的球罐，每兩個球罐間設置聯(lián)合梯子，這樣能保證每個球罐頂平臺有兩個處于不同方位的逃生梯。對于單排儲罐，每兩個球罐間設置聯(lián)合梯子，靠邊的儲罐上設置旋梯，保證每個球罐頂部平臺有兩個逃生通道。

2 球罐區(qū)管道布置

按照石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設計規(guī)范SH/T 3007—2014第6.3.5條[6]的要求：與壓力儲罐相連的管道應采用柔性連接方式，并應滿足抗震和防止儲罐沉降的要求，不宜采用軟管連接。對于液化烴球罐，一般不設置金屬軟管，防止產(chǎn)生泄漏。為了滿足抗震和防止儲罐沉降的要求，管道布置時應盡可能增加柔性，并將結(jié)構(gòu)專業(yè)提供的沉降量數(shù)值作為應力分析的輸入條件。

2.1 火炬管道的布置

按火炬氣的來源，液化烴球罐區(qū)火炬管可以分成兩類：一類是球罐放空管線，即球罐頂部安全閥、放空閥出口管線；另一類是熱膨脹安全閥(設置在兩端有可能關(guān)閉且因外界影響可能導致升壓的液化烴管道上)出口及切水罐安全閥出口管線。火炬總管一般沿罐頂平臺及通道布置，在每個罐頂平臺處沿平臺做π形補償。火炬總管坡向火炬分液罐，大罐罐頂平臺相對較高，宜布置在最遠端。球罐頂?shù)陌踩y及放空閥均布置在高于火炬總管的位置，出口管線順介質(zhì)流向45°接入火炬總管。而對于熱膨脹安全閥和切水罐安全閥，因被保護管道及切水罐的位置相對較低，如果罐區(qū)內(nèi)未設置火炬分液罐，難以高于火炬總管布置。對于這一類火炬管線，考慮其排放量較小，可以設置一根支總管，熱膨脹安全閥及切水罐安全閥均布置在高于支總管的位置，保證安全閥后不會局部積液；所有排放氣在支總管會合后，再上翻至火炬總管上方，斜45°順介質(zhì)流向匯入火炬總管。支總管低點宜設置積液包和液位計，監(jiān)測積液情況。安全閥出口支架設置時，要考慮排放反力的影響，出口管線第一個支架宜設置限位支架，避免排放反力傳遞到設備管口。

2.2 儲罐間氣相平衡管

同種儲罐之間、儲罐和專用切水罐之間應設置氣相平衡管。氣相平衡管走向和火炬管類似，一般也沿罐頂平臺及通道布置，在每個罐頂平臺處沿平臺做π形補償，在靠近切水罐的地方沿聯(lián)合梯子框架下翻，與切水罐氣相管線連接。

2.3 儲罐底部管道

儲罐底部接管主要有儲罐進出口管線、輸送泵的回液管線、注水管線以及切水管線等。因液化烴飽和蒸汽壓高、易汽化，儲罐出口至輸送泵入口管線應保證步步低，且設置一定的坡度。儲罐底部管線應適當設置柔性，增加水平段，吸收儲罐的沉降量。

3 工程實例

某15萬t/a聚丙烯項目配套的罐區(qū)包括3個3 000m3的丙烯儲罐、4個3 000m3的不飽和LPG儲罐以及3個1 000 m3的飽和LPG儲罐。儲罐詳細參數(shù)見表2。該液化烴球罐區(qū)的布置見圖1。

表2 儲罐詳細參數(shù)

圖1 液化烴球罐組設備布置

該罐區(qū)占地174m(東西向)×57m(南北向)。罐組防護墻內(nèi)布置了3臺丙烯球罐(T40101A/B/C)、4臺不飽和LPG球罐(T40201A/B/C/D)、3臺飽和LPG球罐(T40301A/B/C)、3臺切水罐(V40102/V40202/V40302)。10臺球罐呈2排5列布置，防護墻內(nèi)設置隔墻，每罐一隔。球罐間凈距大于相鄰較大罐直徑的一半，球罐到隔墻和防護墻距離大于3m。防護墻外東側(cè)布置與儲罐配套的泵區(qū)和雨淋閥室。泵露天布置，泵到球罐外壁的凈距大于15m。丙烯汽化器(E40101)緊挨泵區(qū)南側(cè)布置。在罐組中間設置5m寬的管廊，自西向東，穿過泵區(qū)，與全廠外管的管架相連。為方便操作與逃生，罐頂設置平臺，并相互連通，2臺儲罐間設置聯(lián)合梯子。防護墻高0.6m，隔墻高0.3m，防護墻和隔墻四周設置人行臺階，確保生產(chǎn)操作的方便和安全可靠。 該布置存在的缺點為球罐進出口管線上的緊急切斷閥均布置在球罐底EL2.500m的操作平臺上，安裝與檢修比較困難。

4 結(jié)語

本文參照標準規(guī)范并結(jié)合實際工程經(jīng)驗，對液化烴球罐區(qū)的設備及管道布置進行了詳細的討論，并得出以下結(jié)論供相關(guān)設計人員參考。

(1)石油化工廠、煤化工廠的液化烴球罐布置一般參考GB50160，但當?shù)胤揭?guī)定或企標有更嚴格要求時，應遵照執(zhí)行。如果條件允許，適當加大儲罐間間距以及限制儲罐組總?cè)莘e是有必要的。

(2)液化烴球罐區(qū)管道采用低支架敷設能降低球罐的支撐點標高，并方便球罐底部緊急切斷閥的安裝與檢修。

(3)與液化烴球罐連接的管道一般不使用金屬軟管，配管時要增加管道柔性，吸收儲罐的沉降量，應力分析時應將儲罐沉降量作為設計輸入。