常低壓儲罐工藝安全設施的設計

李 倩

（中國紡織科學研究院有限公司，北京 100025）

1 概述

常低壓儲罐由于物料液位變化、外界環境溫度發生波動或極端天氣等原因，可能會導致儲罐超壓或癟罐，出現這種現象不僅會導致罐內原料和產品的損失，還會影響生產運行，甚至對于易燃易爆及具有揮發性的介質，更會發生安全問題。因此在常低壓儲罐的工藝設計中應采取一定的安全措施。

本文依據《石油化工企業設計防火規范》GB 50160—2008，《石油化工儲運系統罐區設計規范》SH/T 3007—2014及美國石油學會標準《Venting Atmoshperic and Low-pressure Storage Tanks》API STD 2000-2014等標準規范中的有關規定，結合現實工作經驗，綜合闡述和分析常低壓儲罐設計過程中的安全設施設計[1]。

根據《石油化工企業設計防火規范》GB 50160—2008中的規定可知：

低壓儲罐為其設計壓力大于6.9kPa且小于0.1MPa（罐頂表壓）的儲罐。

常壓儲罐為其設計壓力小于或等于6.9kPa（罐頂表壓）的儲罐[2]。

最常用的就是呼吸閥、氣封系統和緊急泄放系統，以下將分別探討其選用方法及設計中需特別注意的問題。

2 呼吸閥

2.1 呼吸閥的設置

《石油化工企業設計防火規范》GB 50160—2008中規定，“甲、乙類液體的固定頂罐應設阻火器和呼吸閥”；同時《石油化工儲運系統罐區設計規范》SH/T 3007—2014第5.2.2條中規定，“采用氣體密封的固定頂罐，應設置事故泄壓設備。儲存甲、乙、丙A類液體的固定頂罐通向大氣的通氣管上應設呼吸閥”；阻火器與呼吸閥連用可以防止火焰進入儲罐，從而避免發生爆炸。

常低壓儲罐罐頂設置呼吸閥以保持儲罐內外氣壓的平衡，正常工況下呼吸閥關閉，將儲罐與外界大氣隔絕，降低罐內的揮發損耗；當儲罐內外壓差超過一定范圍之后，呼吸閥開啟，以防止超壓鼓罐或壓低癟罐，確保儲罐免遭破壞。

因此呼吸閥在常低壓儲罐工藝安全設計中是不可或缺的。

2.2 呼吸閥的分類

呼吸閥按結構形式分為閥盤式呼吸閥（重力式呼吸閥）和先導式呼吸閥。重力式呼吸閥又分為自重式和彈簧式兩種。

按用途可分為：A呼吸閥；B單呼閥；C單吸閥。目前國內大都采用閥盤式呼吸閥，從國外引進的裝置中大多采用先導式呼吸閥。

2.3 呼吸閥的設定壓力及超壓

呼吸閥的壓力范圍需設定在儲罐的設計壓力范圍內，并能夠保持儲罐的正常運行。在滿足以上原則的基礎上，根據實際工藝條件考慮呼吸閥的設定壓力值，以滿足安全設計的要求[3]。

2.4 呼吸量計算

溫度一定時，揮發性液體的飽和蒸汽壓是相應確定的，若儲罐呼吸閥設定的呼出壓力過低，則呼吸閥尺寸增大，頻繁啟動導致閥門震動、磨損且造成物料損耗、污染環境；若儲罐呼吸閥設定的呼出壓力過高，由于呼吸閥本身的結構特點導致其有可能會延遲起跳，導致儲罐承受超壓風險，發生鼓罐事故。

呼吸閥的呼吸量主要考慮液體進出罐時的最大液體量和極端天氣所造成的吸入與呼出量，除滿足常規儲罐的安全防護要求，還需要考慮事故狀況下的呼吸量，從而確保儲罐的安全。

有關呼吸量的計算《石油化工儲運系統罐區設計規范》SH/T 3007—2014和《Venting Atmoshperic and Low-pressure Storage Tanks》API STD 2000—2014中規定分別如下：

呼吸閥的正常呼吸量不能小于以下各項的呼出量之和及呼入量之和。

2.4.1 液體出罐時，最大出液量所造成的氣體吸入量

最大進料量：

①《Venting Atmoshperic and Low-pressure Storage Tanks》API STD 2000—2014

儲存溫度小于40℃或飽和蒸汽壓小于5.0kPa的流體，氣體的呼出量等于最大進料量，對于其他易揮發、高溫物料需要進行閃蒸計算或增加呼出量[4]。

②《石油化工儲運系統罐區設計規范》SH/T 3007—2014

液體進入固定頂儲罐時所造成的罐內液體氣體呼出量，當液體閃點（閉口）高于45℃時，應按最大液體量的1.07倍考慮；當液體閃點（閉口）低于等于45℃時，應按最大液體量的2.14倍考慮；液體進入采用氮氣或其他惰性密封保護系統的內浮頂儲罐時所造成的罐內氣體呼出量，應按最大進液量 考慮[5]；

2.4.2 液體進罐時，最大進液量所造成的罐內液體蒸汽呼出量

氣體吸入量：最大出料量所造成的氣體吸入量，應按液體最大出料體積流量考慮；

2.4.3 因極端天氣導致的罐內氣體收縮或膨脹而產生的吸入或呼出量

①《Venting Atmoshperic and Low-pressure Storage Tanks》API STD 2000—2014

呼出量計算公式按公式（1）確定。

式中：

VOT：熱呼出量，m3/h

Y：緯度因子，緯度＜42°，Y=0.32；42°≤緯度≤58°，Y=0.25；緯度＞58°，Y=0.2；VTK：儲罐體積，m3Ri：隔熱因子呼入量計算公式按公式（2）確定。

式中：

VIT：熱呼入量，m3/h

C：與蒸汽壓、儲罐平均溫度和緯度有關的因子，具體，如表1所示。

表1 C因子

②《石油化工儲運系統罐區設計規范》SH/T 3007—2014

對于因環境溫度變化所造成的最大熱呼吸量，如表2所示。

表2 儲罐熱呼吸通氣量

2.4.4 呼吸閥的選用

在確定了呼吸量之后，按照氣體流速3~5m/s，通過計算可以確定呼吸閥進出口管徑后，向上圓整，選擇適當的閥門尺寸，當一臺呼吸閥不能滿足儲罐的實際工況時，可以設置多個呼吸閥。當呼吸閥與阻火器連用時，需要考慮阻火器的壓降[6]。

呼吸閥的選用也要考慮呼吸閥的工作溫度，如果使用地區最冷月份平均氣溫低于0℃，呼吸閥則必須有防凍措施，以防止呼吸閥的閥盤凍住或堵塞，影響正常使用，從而造成安全問題。

3 氣封系統

氣封系統是一種特殊的控制系統，它可以在無外界動力的場所中工作，只需要被調介質自身的能量，操作靈活方便。

一般采用氮氣等惰性氣體或者燃料氣作為氣源，維持儲罐內的微正壓，避免外界氣體進入罐內與原料發生反應，防止容器內的物料和空氣直接接觸發生反應，控制物料揮發、被氧化，保護儲罐的安全。

需注意氮氣供氣管的接管位置宜插入罐中200mm，進而達到更好的效果。若項目能夠自產燃料氣，也可作為氣封氣源，能有效地降低生產成本。

氮封系統能否正常運行的重點是在-0.5~2kPa的壓力確保各個安全附件之間的壓力范圍不存在交集[7]。氮封閥閥前氣源壓力較高時，一般要先用自力式調節閥調節至1MPa以下，以提高可靠性。儲罐安全附件壓力間的關系如圖1所示。

圖1 儲罐安全附件壓力關系

氮封系統供氣量應大于等于泵抽出罐內液體所需補充的氣量與環境溫變引起的氣體冷凝和收縮所需補充的氣量之和。

環境溫變引起的氣體冷凝和收縮所需補充的氣量，根據《Venting Atmoshperic and Low-pressure Storage Tanks》API STD 2000中規定，對于容積≥3 180m3的儲罐，每平方米外殼和罐頂表面積每小時需補充0.6m3氮封氣；對于容積＜3 180m3的儲罐，每立方米容積每小時需要補充0.178m3氮封氣。

4 緊急泄放閥

《石油化工儲運系統罐區設計規范》SH/T 3007—2014規定，對于采用氮氣或其他氣封的甲B、乙類液體的儲罐還應設置事故泄壓設備。儲罐的緊急泄放閥是一種事故工況的安全設施。《Venting Atmoshperic and Low-pressure Storage Tanks》API STD 2000規定，所有配有正常尺寸呼吸閥的儲罐必須配裝獨立的緊急泄放閥。一般下列工況均應選用緊急泄放閥。

緊急泄放量的計算：儲罐的緊急泄放量通常按外部火災工況考慮，《Venting Atmoshperic and Low-pressure Storage Tanks》API STD 2000規定了非冷凍地上儲罐泄放量的計算，計算公式如下：

式中：

q：儲罐泄放量

Q：暴露在火災中的熱量輸入，W；

F：環境影響因子；

L：液體在泄放壓力下和泄放溫度下的蒸發潛熱，J/kg

T：泄放蒸汽的絕對溫度，K；

M：蒸汽泄放的分子量。

其他工況下的緊急泄放量需要根據情況具體分析和計算。

5 結束語

常低壓儲罐的呼吸閥、氣封系統和緊急泄放閥等安全泄放設施的設計應該滿足相關規范的要求，才能確保儲罐的設計安全可靠。呼出量與吸入量的計算應準確，確定的定壓和超壓值要經濟合理，采用分級和多重保護，確保儲罐的系統設計安全經濟。