拱頂儲(chǔ)罐通氣量計(jì)算方法比較

王新超

（中國(guó)石油天然氣管道工程有限公司）

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，低壓拱頂儲(chǔ)罐發(fā)生凹癟、翹底事故占儲(chǔ)罐罐體損壞事故的50%以上，導(dǎo)致該類事故發(fā)生的原因有通氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理及儲(chǔ)罐收發(fā)液操作和通氣裝置維護(hù)不當(dāng)?shù)龋?］。設(shè)計(jì)時(shí)合理確定拱頂儲(chǔ)罐的通氣量對(duì)于保障儲(chǔ)罐安全運(yùn)行至關(guān)重要。然而，我國(guó)現(xiàn)階段尚無(wú)明確計(jì)算通氣量的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)外項(xiàng)目中計(jì)算通氣量應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同，主要有HPIS-G-103—1997《固定頂油罐通風(fēng)設(shè)備》、SH/T 3007—2014《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］、BSEN 14015—2004《Specification for the design and manufacture of site built,vertical,cylindrical,flat-bottomed,above ground,welded,steel tanks for the storage of liquids at ambient temperature and above》和API STD 2000—2014《Venting Atmospheric and Low-Pressure Storage Tanks》4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。在工程項(xiàng)目中應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境和油品物性選擇適用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，筆者針對(duì)以上4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的通氣量計(jì)算方法提出差異性和選用建議。

1 儲(chǔ)罐通氣過(guò)程

拱頂儲(chǔ)罐的正常通氣量均由最大限度進(jìn)出液和吸/排氣時(shí)氣溫變化引起，可分為液體進(jìn)罐造成氣體呼出、液體出罐造成氣體吸入、氣溫升高造成氣體呼出和氣溫降低造成氣體吸入4種情況。如圖1所示，儲(chǔ)罐在進(jìn)行介質(zhì)收發(fā)作業(yè)時(shí)，由于液面的升降變化引起儲(chǔ)罐內(nèi)氣體空間變化，發(fā)生混合油氣的排出或外界空氣的吸入，即進(jìn)出液呼吸量；隨著外界氣溫和壓力的變化，罐內(nèi)氣體空間溫度、油氣蒸發(fā)速度、油氣體積濃度和蒸氣壓力也隨之變化，發(fā)生石油蒸氣的排出或外界空氣的吸入，即熱呼吸量［3］。

2 不同標(biāo)準(zhǔn)的通氣量計(jì)算方法

2.1 HPIS-G-103—1997

HPIS-G-103—1997《固定頂油罐通風(fēng)設(shè)備》中的儲(chǔ)罐通氣量計(jì)算方法如下：

油品閃點(diǎn)低于40℃時(shí)

油品閃點(diǎn)高于或等于40℃時(shí)

式中 Qi——總吸氣量，m3/h；

Qo——總呼出量，m3/h；

Qt——?dú)鉁刈兓鸬耐饬浚岷粑浚?，m3/h；

Vi——最大進(jìn)液量，m3/h；

Vo——最大出液量，m3/h。

在吸氣或排氣過(guò)程中，因氣溫變化（包括驟降大雨致使的油氣溫度下降）引起的熱呼吸量計(jì)算式為：

儲(chǔ)罐容積小于3 200 m3時(shí)

儲(chǔ)罐容積大于或等于3 200 m3時(shí)

式中 Stk——儲(chǔ)罐壁板與頂板表面積之和，m2；

Vtk——儲(chǔ)罐容積，m3。

2.2 SH/T 3007—2014

SH/T 3007—2014《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的儲(chǔ)罐通氣量計(jì)算方法如下：

油品閃點(diǎn)低于45℃時(shí)

油品閃點(diǎn)高于或等于45℃時(shí)

式（7）～（10）中的熱呼吸量Qt按表1取值。

表1 不同容積儲(chǔ)罐的熱呼吸量

2.3 BSEN 14015—2004

BS EN 14015—2004 《Specification for the design and manufacture of site built,vertical,cylindrical,flat-bottomed,above ground,welded,steel tanks for the storage of liquids at ambient temperature and above》中的儲(chǔ)罐通氣量計(jì)算方法如下：

油品閃點(diǎn)低于40℃、蒸汽壓力低于5 kPa時(shí)

式中 C、Y——系數(shù)，按表2取值；

Ri——保溫消減因子，無(wú)保溫層時(shí)取1。

油品閃點(diǎn)高于或等于40℃、蒸汽壓力高于或等于5 kPa時(shí)，需根據(jù)油氣蒸發(fā)速度增加出液吸入量Vo。

表2不同條件下系數(shù)C、Y的取值

2.4 API STD 2000—2014

API STD 2000—2014《Venting Atmospheric and Low-Pressure Storage Tanks》不僅提供儲(chǔ)罐通氣量的常用計(jì)算方法，還在附錄A中提供了一種備用計(jì)算方法。

2.4.1 常用方法

油品閃點(diǎn)低于40℃、蒸汽壓力低于5 kPa時(shí)：

式中 C、Y——系數(shù)，按表3取值；

表3 不同條件下系數(shù)C、Y的取值

Ri——保溫消減因子，無(wú)保溫層時(shí)取1。

油品閃點(diǎn)高于或等于40℃、蒸汽壓力高于或等于5 kPa時(shí)，可根據(jù)油氣蒸發(fā)速度增加出液吸入量Vo。

2.4.2 備用方法

油品閃點(diǎn)低于37.8℃、沸點(diǎn)低于148.9℃時(shí):

油品閃點(diǎn)高于或等于37.8℃、沸點(diǎn)高于或等于148.9℃時(shí):

式（15）～（18）中的熱呼吸量Qt按表4取值。

表4 不同容積儲(chǔ)罐的熱呼吸量

3 計(jì)算方法的差異性

通過(guò)對(duì)4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中儲(chǔ)罐通氣量計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比，可以看出在設(shè)定油品閃點(diǎn)分界點(diǎn)、進(jìn)出液呼吸量比例系數(shù)和熱呼吸量計(jì)算方法存在差異。

3.1 油品閃點(diǎn)分界點(diǎn)

SH/T 3007—2014采用45.0℃作為油品閃點(diǎn)分界點(diǎn)，依據(jù)是GB 50074—2004《石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定閃點(diǎn)低于45℃的液體為易燃液體、閃點(diǎn)高于或等于45.0℃的液體為可燃液體［4］。

HPIS-G-103—1997、BS EN 14015—2004和API STD 2000—2014（常用方法）采用40.0℃作為油品閃點(diǎn)分界點(diǎn)，依據(jù)賓斯基-馬丁閉口杯法適用液體的閃點(diǎn)最低值為40.0℃［5］。

API STD 2000—2014（備用方法）采用37.8℃作為油品閃點(diǎn)分界點(diǎn)，依據(jù)美國(guó)DOT和OSHA的規(guī)定，易燃液體閃點(diǎn)最高值應(yīng)為37.8℃（100℉）。

3.2 進(jìn)出液呼吸量比例系數(shù)

進(jìn)出液呼吸量比例系數(shù)是指單位液體（1 m3/h）進(jìn)出拱頂儲(chǔ)罐時(shí)引起的通氣量。對(duì)比4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，單位液體排出罐體造成的吸入量基本上一致，而單位液體進(jìn)入罐體造成的呼出量卻有較大差別（表5）。

由表5可知，HPIS-G-103—1997、SH/T 3007—2014和API STD 2000—2014（備用方法）規(guī)定的當(dāng)油品閃點(diǎn)低于分界點(diǎn)時(shí)，單位液體進(jìn)入罐體造成的呼出量大于2 m3/h。這是由于當(dāng)油品閃點(diǎn)低于分界點(diǎn)時(shí)，石油產(chǎn)品易揮發(fā)，約有0.5%的進(jìn)油量在儲(chǔ)罐內(nèi)被蒸發(fā)成油氣，由此造成油氣密度增加到空氣的1.5倍［6］。

表5 單位液體進(jìn)出儲(chǔ)罐引起的呼吸量

3.3 熱呼吸量的影響因素

熱呼吸量的計(jì)算較為復(fù)雜，具有諸多影響因素，如儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)、油品物性及儲(chǔ)存環(huán)境等。不同標(biāo)準(zhǔn)考慮的側(cè)重點(diǎn)不同。其中，BSEN 14015—2004和API STD 2000—2014（常用方法）作為國(guó)際通用性較強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算熱呼吸量時(shí)考慮的影響因素較為全面（表6）。

4 計(jì)算結(jié)果分析比較

為量化比較4種標(biāo)準(zhǔn)中儲(chǔ)罐通氣量的計(jì)算方法，對(duì)兩種不同環(huán)境和不同介質(zhì)的拱頂儲(chǔ)罐（表7）采用不同標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算其通氣量，結(jié)果列于表8、9。

表7 兩種拱頂儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)參數(shù)

表8 航煤油儲(chǔ)罐通氣量計(jì)算結(jié)果 m3/h

由表8、9可知，在高儲(chǔ)存溫度、低緯度和低閃點(diǎn)的條件下，7 000 m3航煤油罐的通氣量計(jì)算結(jié)果存在一定的差異性：按BSEN 14015—2004和API STD 2000—2014（常用方法）計(jì)算的熱吸入量較大；按HPIS-G-103—1997、SH/T 3007—2014和API STD 2000—2014（備用方法）計(jì)算的進(jìn)液呼出量較大。在低儲(chǔ)存溫度、高緯度和高閃點(diǎn)的條件下，7 000 m3柴油罐的通氣量計(jì)算結(jié)果基本一致。

表9 柴油儲(chǔ)罐通氣量計(jì)算結(jié)果 m3/h

導(dǎo)致不同標(biāo)準(zhǔn)的儲(chǔ)罐通氣量計(jì)算結(jié)果有差異的緣由是：

綜上可知，兩種體系的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于通氣量的計(jì)算原理存在不同的理解：BSEN 14015—2004和APISTD 2000—2014（常用方法）認(rèn)為極端情況下，影響通氣量計(jì)算的主要因素是環(huán)境條件，進(jìn)而通過(guò)熱吸入量影響系數(shù)C體現(xiàn)出來(lái)；HPIS-G-103—1997、SH/T 3007—2014和API STD 2000—2014（備用方法）認(rèn)為影響通氣量計(jì)算的主要因素是介質(zhì)物性本身，油品易揮發(fā)的性質(zhì)直接影響了拱頂儲(chǔ)罐的通氣量。

另外，API STD 2000—2014對(duì)于兩種通氣量計(jì)算體系均作了相關(guān)描述。2009年以前，該標(biāo)準(zhǔn)與HPIS-G-103—1997和SH/T 3007—2014保持一致，認(rèn)為通氣量計(jì)算應(yīng)主要考慮介質(zhì)物性本身。而在2009年標(biāo)準(zhǔn)升版過(guò)程中，采納了BS EN 14015—2004的理論體系，將環(huán)境條件作為通氣量的主要影響因素。同時(shí)，將原計(jì)算體系作為備用計(jì)算方法，保留在附錄A中。

因地域影響和油品差別，兩種通氣量計(jì)算體系都有其適應(yīng)價(jià)值。具體工程項(xiàng)目中應(yīng)根據(jù)具體情況合理選用：對(duì)于國(guó)際項(xiàng)目，API STD 2000—2014（常用方法）作為國(guó)際通用性較強(qiáng)的標(biāo)準(zhǔn)，考慮的影響因素較為全面，被推薦采用；對(duì)于國(guó)內(nèi)項(xiàng)目，儲(chǔ)罐通氣量一般參照SH/T 3007—2014計(jì)算，再經(jīng)API STD 2000—2014進(jìn)行驗(yàn)證。

5 結(jié)論

5.1 4種標(biāo)準(zhǔn)針對(duì)拱頂儲(chǔ)罐通氣量的計(jì)算均包含進(jìn)出液呼吸量和熱呼吸量?jī)刹糠?；不同?biāo)準(zhǔn)在設(shè)定油品閃點(diǎn)分界點(diǎn)、進(jìn)出液呼吸量比例系數(shù)和熱呼吸量的影響因素時(shí)有所區(qū)別；BS EN 14015—2004和API STD 2000—2014（常用方法），綜合考慮儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)、油品物性及儲(chǔ)存環(huán)境等影響因素，計(jì)算更為準(zhǔn)確。

5.2 通過(guò)量化比較，在高儲(chǔ)存溫度、低緯度和低閃點(diǎn)下，BSEN 14015—2004和API STD 2000—2014（常用方法）突出了熱吸入量，HPIS-G-103—1997、SH/T 3007—2014和API STD 2000—2014（備用方法）突出了進(jìn)液呼出量；而在低儲(chǔ)存溫度、高緯度和高閃點(diǎn)下，4種標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算結(jié)果基本一致。