常壓及低壓儲罐安全泄放系統設計分析

邢銀全

(重慶化工設計研究院有限公司，重慶 400039)

石油化工企業在生產中經常會涉及到一些常壓及低壓儲罐的使用，用以進行諸多液體產品和原料的貯存。石油化工行業中大部分原料和產品屬于易燃易爆危險化學品。因此一旦設計泄放系統不合理，將會造成重大的安全環保事故，從而危及到人體健康與安全，導致無法估量的經濟損失和人身財產安全。所以工程設計人員應全面準確的理解石油化工過程中安全泄放系統的工程設計，從而實質性的起到安全保護作用。

1 概述

一直以來，我國缺少專用標準及規范對常壓、低壓儲罐安全泄放系統工藝流程設計、安全泄放設施選型及工藝計算等方面的介紹及設計規定。由于石油化工安全泄放工況通常比較復雜，以至于工藝系統工程師在安全泄放系統設計方面難于準確理解及使用相關標準及規范，安全泄放系統的設計能力不能滿足多工況下生產系統安全泄放要求，給工廠的安全生產埋下了安全隱患。本文按照《石油化工企業設計防火規范》GB50160-2008(2018版)、《石油化工儲運系統罐區設計規范》SH/T3007-2014、《化工裝置工藝系統工程設計規定》HG/T 20570.1～ HG/T 20570.24-1995、《石油儲罐附件 第1部分：呼吸閥》SY/T 0511.1-2010、《卸壓和減壓系統指南》SY/T10043-2002、《爆破片安全裝置》GB 567.1～ GB567.4-2012、《石油化工可燃性氣體排放系統設計規范》SH3009-2013、《Venting Atmospheric and Low-pressure Storage Tanks》API 2000-2014、《Sizing, Selection, and Installation of Pressure-relieving Devices》API 520-2014、《Pressure-relieving and Depressuring Systems》API 521-2014、《Welded Tanks for Oil Storage》API 650-2016、《Design and Construction of Large, Welded,Low-pressure Storage Tanks》 API 620-2014等規范中的標準，與相關工作經驗結合起來，綜合研究石油化工行業常壓及低壓儲罐安全泄放附屬設備設計運用，供罐區以及儲罐等系統的設計工作者參考。

2 常壓及低壓儲罐安全泄放系統的設計和運用

安全泄放系統包括呼吸閥管道、氣封系統、緊急泄放閥門等，本文對這些系統設計使用的方法及難點進行詳細分析。

2.1 呼吸閥通氣量

基于石油化工產品而言，常壓及低壓儲罐發揮著儲存作用，其中非常關鍵的保護措施就是呼吸閥：①通過呼吸閥通氣作用(呼氣或吸氣)，使儲罐在進出物料或溫度變化時，保持罐內正常的壓力狀態，防超壓或真空致使儲罐受損；②常壓及低壓儲罐安裝呼吸閥，有利于減少物料的蒸發，并降低火災風險的發生概率。根據《石油化工儲運系統罐區設計規范》(SH/T3007-2014)第5.1.3條規定：①儲存甲B、乙類液體的固定儲罐和地上臥式儲罐;②采用氮氣或其他惰性氣體密封保護系統的儲罐。均應使用呼吸閥。

1)分類研究。呼吸閥按作用原理可分為直接荷載重力式呼吸閥、直接荷載彈簧式呼吸閥和先導式呼吸閥。①直接荷載重力式：設定壓力范圍正壓(G)200 Pa～6.9 kPa, 負壓(G)-200 Pa～-430 Pa。②直接荷載彈簧式：設定壓力范圍正壓(G)6.9～103.4, 負壓(G)-430～-480 Pa。③先導式呼吸閥：設定壓力范圍正壓(G)500～103.4 Pa, 負壓(G)-200～-430 Pa。

2)通氣量研究。設計運用的呼吸閥通氣量需超過計算需要的吸入與呼出量，且由于呼吸閥的精度不高，工程上呼吸閥通氣余量選擇需要相對大些才滿足通氣要求。吸入量與呼出量的計算公式如下：

GO=GOF+GOT

(1)

G1=GIF+GIT

(2)

公式中GO、G1分別為由于最大化進料量導致的罐內氣體呼出量，m3/h；GOT為由于環境溫度上升造成的罐內氣體發生膨脹導致的最大化呼出量，m3/h；GIT為由于環境溫度下降造成的罐內氣體收縮導致的最大化呼入量，m3/h。

值得注意是：最大進出物料導致的呼吸量并非直接按最大進出物料液體的體積流量進行取值，而是需要按物料閃點來考查物料揮發的影響，這是設計工作者最易忽略之處。

《石油化工儲運系統罐區設計規范》(SH/T 3007-2014)規定，最大進料引起的罐內氣體呼出量為：①當液體的閃點(閉口)高于 45 ℃ 的時候，取呼出量為最大進料體積流量的1.07倍；②當液體的閃點(閉口)≤45 ℃ 的時候，取呼出量為最大進液量的2.14倍考慮；③液體進入采用氮氣或其他惰性氣體密封保護系統的內浮頂儲罐時所引起的罐內氣體呼出量，應按最大進液體積流量考慮。

API 2000-2014規定最大進料引起的罐內氣體呼出量為：①對于飽和蒸汽壓≤5 kPa 的非揮發性液體，取呼出量為最大進料體積流量；②對于飽和蒸汽壓>5 kPa 的揮發性液體，取呼出量為最大進料體積流量的2.0倍;③對于飽和蒸汽壓更大的蒸汽性液體，呼出量可以達到最大進料體積流量的很多倍。當進料壓力高于儲罐的操作壓力時，進料就會發生閃蒸，這時需要進行物料的閃蒸平衡計算確定呼出量，并取一定的余量，以便儲罐的安全操作。

3)定壓研究。呼吸閥定壓應根據綜合多方面考慮：①儲罐在維持正常的操作下，設計儲罐負壓<呼吸閥負啟動壓<儲罐操作壓<呼吸閥正啟動壓<儲罐設計正壓。②按照《石油化工儲運系統罐區設計規范》(SH/T 3007-2014)要求，采用的事故泄壓設施啟動壓力應該比通氣管排氣壓高一些，并比儲罐設計正壓低；事故泄壓設施吸氣壓應該比通氣管進氣壓低，并超過儲罐設計的負壓。③對呼吸閥需要注意：重力呼吸閥結構特征決定著呼吸閥定壓>70%才能符合其限定的流量點，所以選型工作既要對呼吸閥定壓加以關注，還需對其泄放壓力進行計算，并對其進行合理控制；先導式的呼吸閥負壓>10%的時候即可滿足限定的流量[1]。

由于呼吸閥的泄放壓力范圍通常為定壓的110%～200%，甚至更高(泄放壓力范圍因呼吸閥類型不用而不同，也因制造廠家不同而不同。先導式呼吸閥精度較高，可以做到110%)。例如，某儲罐的設計壓力為(G)2 kPa，若所選用呼吸閥的泄放壓力是其定壓的180%，則其定壓就不宜超過(G)1111 Pa，否則泄放壓力將超過儲罐的設計壓力，參照SY/T 0511.1-2010，可選用定壓為 980 Pa(G)的呼吸閥，則不會造成儲罐超壓。因此，工程師在確定呼吸閥的定壓及泄放壓力時一定要小心，必須控制最高泄放壓力不超過常壓及低壓儲罐的設計壓力。另外，由于安全的開關精度不高，建議工程設計中對泄放壓力取一定的安全余量。當同一儲罐上同時設置有呼吸閥和緊急呼吸人孔或緊急泄壓人孔時，呼吸閥的定壓及泄放壓力取值更需要小心，若取值不當，很容易造成儲罐在正常運行壓力范圍內發生緊急呼吸人孔或緊急泄壓人孔開啟而引起不必要的事故。

2.2 氮封系統

1)原理分析。氮封裝置(氮封閥)常規情況是由供氮閥、泄氮閥和呼吸閥三大部份組成。當罐內壓力升高超過設定值時，供氮閥關閉，泄氮閥打開，將罐內多余壓力快速泄放。在儲罐內壓力降低時，泄氮閥處于關閉狀態，供氮閥打開，向罐內注入氮氣并保證儲罐處于微正壓的狀態[2]。供氮閥氮氣源壓力保持在 0.2 ～0.8 MPa(G) 之間的一個固定值，氣源壓力較高時，可在供氮閥前安裝一臺自力式調壓閥將壓力減至 0.8 MPa(G) 以下，以提高可靠性和使用效果。

2)過程研究。以往氣封體系的操作過程屬于一套分程壓力控制系統，

流程的組成部分一般通過兩組調整，一組發揮著待氣溫下降或者出料引發罐內壓力下降時可以自動吸入氮氣的作用，避免罐內因產生真空而發生抽癟。另外，一組發揮著待氣溫上升或者進料導致罐內壓上升時氣體排出氣體的作用，避免儲罐因超壓而被損壞。此類氣封過程特征如下：①通常壓力調節閥為氣動控制閥，切斷閥門較多，兩組調節閥應置于儲罐的頂端，閥門較多、管道較大、支架較多，還需進行壓力變送器等相關控制儀表以及控制回路設置；②待氣封氣源的壓力過高的時候，通常需合理降低壓力至0.2～0.25 MPa(G)，通常控制壓力的精確度很低，氣封氣積累的耗量也很大。

氣封閥氣封的使用流程具體如下：①氣封閥帶有的特殊銜接結構，直接通過罐內的壓力來推動；②集取壓和控制融為一體，無需使用壓力變送器，系統操作簡單可靠，安裝也非常便捷；③壓力的設置面較寬，合理設定壓力可以對現場進行微調；④氣封氣不需要進行多級減壓；⑤控制壓力的靈敏度較高，氣封閥可以滿足氣泡級的密封標準，可以有效減少儲存物料蒸發損耗，而且氣封氣積累的損耗量很低。

2.3 阻火呼吸人孔或緊急泄壓人孔

對于儲存物料揮發性較強、飽和蒸汽壓較高、高危險性物料的大型常壓儲罐，通常需要設置多個呼吸閥、緊急呼吸人孔或緊急泄壓人孔。

1)緊急泄放量。對于較大型的儲罐，一般情況下，在外部火災工況下的泄放量比常規工況下大得多。儲罐外部火災工況緊急泄放量是設計計算常壓及低壓儲罐緊急呼吸人孔、緊急泄壓人孔選型的基礎。確定了儲罐外部火災工況緊急泄放量，也就相當于確定了緊急呼吸人孔、緊急泄壓人孔的泄放量，從而指導確定緊急呼吸人孔、緊急泄壓人孔的形式、泄放面積及安裝數量。SH/T 3007-2014沒有就儲罐外部火災工況下緊急泄放量的計算進行規定。API 2000-2014規定儲罐外部火災工況下的緊急泄放量Fdr按公式(3)進行計算。另外API 2000-2014還規定了類似正己烷流體儲罐外部火災工況緊急泄放量計算，詳見API 2000-2014第3.3.3.3.3節表5及表7。

(3)

式中：Q是儲罐外部火災工況下吸入的熱量，單位W；F是儲罐的環境因子，取值參見 API 2000-2014第3.3.3.3.3節表9；L是儲存物料在泄放溫度與壓力下的蒸發潛熱，單位為,J/kg；T是泄放蒸汽的絕對溫度，單位為K；M是泄放蒸汽的相對分子質量。

2)泄放壓力。泄放設備從達到定壓，開啟閥門，儲罐內部壓力上升至可控標準時，我國尚無明確的規范標準，應該選擇保守設計方式。常規做法為控制泄放壓力最高不能大于設計儲罐的壓力。具體操作方法應該按照以下標準執行：①呼吸閥泄放壓不能大于設計儲罐壓110%。②緊急泄放閥泄放壓不能大于儲罐的設計壓120%。

3 結語

總而言之，石油化工行業的常壓及低壓儲罐在設計安全閥、呼吸閥等安全泄放設施的同時也必須對呼入量和吸入量進行明確計算,并從多角度、多工況、全方位采用多重和分級保護措施，為石油化工行業的常壓及低壓儲罐安全泄放系統設計的經濟性與安全性提供保障。