儲罐二次密封可燃氣安全風險解決方案

鄭水成，董愛娜，馬平一

（中石油華東設計院有限公司，山東 青島 266071）

據不完全統計，1950年至今，全球石油儲罐發生火災600余起，其中密封圈火災是大型浮頂儲罐最主要的火災形式，雷擊是主要原因。美國石油協會（API）數據顯示，密封圈火災占火災統計數量的72.8%，而在中國密封圈火災占火災統計數量高達82%。因此，開展外浮頂油罐二次密封腔內可燃氣體安全檢測，對檢測項目超標的油罐采取相應措施管控風險。對于濃度小于25%LEL（爆炸下限）的第一類油罐，采取相應管理措施加強油罐日常監管；對于濃度持續保持在25%LEL（爆炸下限）以上的第二類油罐，采取技術措施集中進行專項治理。

圖1 機械密封結構Fig.1 Mechanical seal structure

1 儲罐密封圈結構分析

1.1 機械密封結構安全分析

其優點是適應密封圈空間變化能力較大、使用壽命較長、破損件回收容易；缺點是0區具有較大的爆炸性混合氣體空間，一、二次密封間易形成爆炸性混合氣體，密封與罐壁的間隙在雷電時可能產生放電火花。

1.2 軟密封結構安全分析

其優點是密封效果好，無油氣蒸發空間0區，密封圈與罐壁無金屬接觸物；缺點是適應密封圈空間變化能力較小，破損后難以回收；一、二次密封間會形成爆炸性混合物氣體，軟密封體上積聚的靜電釋放緩慢。當遇到連續感應雷時會在一定時間內產生靜電積聚，二次密封上部的靜電導除板，在油罐運行時如果接觸不良，會存在放電間隙[1]。

兩者都存在油氣空間，只是大小差別，兩者都具有放電間隙，無論是機械式密封儲罐還是軟密封儲罐均存在密封圈爆炸起火的危險。

2 防護系統簡介

2.1 主動安全防護系統

通過智能監測與抑制儲罐二次密封內油氣和氧氣濃度，從而實現自動化充氮的主動防護。

2.2 簡易注氮系統

通過人工檢測方式確定可燃氣超標的儲罐，根據雷雨氣象信息采取移動注氮方式降低儲罐二次密封腔內可燃氣濃度。

這兩個方案主要原理：均采取充氮方式抑制二次密封腔內可燃氣濃度，從而避免出現爆炸性環境。兩項方案的區別在于：第一項方案為智能監測濃度及自動化充氮的主動防護方式，第二項方案采取人工檢測濃度及移動充氮方式。從控制二次密封腔內可燃氣濃度的有效性來看，第一項方案的準確性和及時性更高，第二種方案采用人工輔助安全防護，存在能耗高、保護效果有限。主要目的均是控制可燃氣——“油氣”、助燃氣——“氧氣”。

圖2 軟密封結構Fig.2 Soft seal structure

2.3 雷電安全一體化防護系統

主要解決儲罐遭受雷擊時不出現打火，消除“點火源”。此方案主要原理：通過疏導、阻斷雷電對儲罐的損害，主要目的是控制了“點火源”。對于具有良好的接地網絡的罐區，可以達到疏導、阻斷雷電的目的，從而阻斷“點火源”，以保證安全可靠[2]。

3 儲罐二次密封可燃氣安全風險解決方案

目前主動安全防護系統衍生出了較為常見的兩種技術，一種是帶“油氣凈化系統”的防護系統，一種是不帶“油氣凈化系統”的防護系統。

3.1 帶“油氣凈化系統”的防護系統

該系統由油氣分析模塊、惰化保護模塊、油氣凈化模塊、控制模塊等組成。主要原理是實時抽取油氣，經預處理后混合氣主路進入凈化系統處理，處理后的尾氣注入一、二次密封內，回收液進回收液罐儲存。混合氣支路進入分析模塊，當分析結果高于設定值時啟動惰化模塊，否則不啟動。

正常運行時，油氣揮發氣體濃度分析儀、樣品處理系統和取樣泵處于實時運行狀態，取樣泵將一、二次密封之間的混合氣體通過采樣探頭采集送至預處理系統預處理后，進入分析系統進行油氣濃度分析及動態LEL計算；同時凈化系統對油氣進行凈化、回收，回收的油品進入油罐儲存，凈化后的氣體回注到一、二次密封空間內，以降低油氣濃度、減少油氣損耗。當揮發氣體濃度分析儀檢測結果判定為危險后，自動啟動惰化保護，氮氣通過探頭注入儲罐密封空間，可迅速降低油氣濃度，保證儲罐安全。

圖3 帶“油氣凈化系統”的防護系統Fig.3 Protection system with “oil and gas purification system”

3.2 不帶“油氣凈化系統”的防護系統

該系統由油氣分析模塊、惰化保護模塊、控制模塊等組成。主要原理是按設定時間進行巡回抽取一、二次密封圈內混合氣樣氣，混合氣支路進入分析模塊，當分析結果高于設定值時啟動惰化模塊，否則不啟動。

系統啟動智能保護后，氣體取樣泵對儲罐密封圈內混合氣體按預設時點自動進行巡回取樣，樣氣經過濾、分流等預處理后，進入分析儀作油氣/氧氣濃度實時分析，檢測結果傳輸給控制裝置。當油氣濃度超出設定的LEL設定值時，自動執行惰化保護，將油氣濃度控制在安全范圍內。

目前，不帶“油氣凈化系統”的防護系統應用較多，設計時配套分析小屋，并設置氣體濃度分析儀、樣氣預處理系統、上位機。儲罐啟動自動防護后，采樣泵依次抽取所保護的儲罐采樣點的氣體，在每抽取一個采樣點的氣體后，氣體檢測儀經延時處理后輸出檢測數據再進行各級安全判定。

氣體取樣泵對儲罐密封圈內混合氣體按預設時點自動進行巡回取樣，樣氣經過濾、分流等預處理后，進入分析儀作油氣/氧氣濃度實時分析，檢測結果傳輸給控制裝置。當油氣濃度超出設定的LEL設定值時，自動執行惰化保護，將油氣濃度控制在安全范圍內。系統能夠在線監測保護區域油氣濃度和氧氣濃度，對保護空間危險性進行判定，并自動進行注氮保護[3]。

啟動自動防護后，通過注氮保護，能有效降低密封圈內的氧氣濃度和油氣濃度，保障儲罐本質安全運行。

3.3 方案比較

帶“油氣凈化系統”的防護系統、不帶“油氣凈化系統”的防護系統，均能從根源上降低一、二次密封之間的油氣濃度，從而提高儲罐安全性。

圖4 不帶“油氣凈化系統”的防護系統圖Fig.4 Protection system without“oil and gas purification system”

帶“油氣凈化系統”的防護系統，主要優點是可回收部分油品，對減少VOCs排放量有一定貢獻，氮氣耗量少；主要缺點是流程較長、轉動設備較多，日常維護較為復雜，一次性投資高；主要風險是：油氣采集時依靠引風機抽，可能會造成空氣進入密封氣相空間，引起氧含量超標，帶來新的安全隱患。由于二次密封不嚴，有可能造成氮氣外溢，如果儲罐長時間處于低液位狀態，儲罐浮盤上方和罐壁形成的半封閉空間會積聚氮氣，有可能引發操作人員窒息等人身傷害。

不帶“油氣凈化系統”的防護系統優點是流程較短、轉動設備較少、操作及維護簡單、生產運行穩定，一次性投資低；缺點是氮氣耗量較高。主要風險是由于二次密封不嚴，有可能造成氮氣外溢，如果儲罐長時間處于低液位狀態，儲罐浮盤上方和罐壁形成的半封閉空間會積聚氮氣，有可能引發操作人員窒息等人身傷害，生產作業時應嚴格遵守操作規程。

4 其它需要注意的問題

為儲罐主動配置安全防護系統大大降低了密封圈火災發生的概率，但VOCs收集難以達到預期的環保控制目標。正常生產時，應加強密封圈的維護，盡量減少VOCS外溢；從儲罐安全方面，儲罐設計時已有良好的接地網絡。正常生產時，應加強對接地系統的維護，以避免雷擊引起的的火災事故發生；從人員安全方面，由于二次密封不嚴，存在浮盤上方氮氣含量過高、氧含量不足從而導致操作人員窒息的安全風險，人員下罐之前要加強風險識別和管理。