常壓立式儲罐氮封系統設計與研究

項楠 李啟運 鮑天宇

1.中國石油天然氣管道工程有限公司天津分公司 天津 300457

2.天津麥克企業管理服務有限公司 天津 300457

3.中國石油內蒙古銷售公司 內蒙古 呼和浩特 010000

在石化企業液體物料常壓存儲過程中，儲存介質的揮發損耗、氧化變質現象尤為常見。不僅浪費資源，還有安全隱患和環境污染等問題。

根據GB50160-2008石化企業防火標準[1]、SH/T3007-2014儲運罐區設計規范[2]的要求，對甲B、乙A類的可燃液體儲罐，應設置氮氣密封保護系統，通過調節氮氣量使之填充頂部空間，節能降耗的同時，隔離油品與外界接觸以起到保護作用。

1 氮封系統適用工況

氮氣密封系統的應用主要取決于罐的類型和存儲介質的性質。常適用于以下幾種工況[1、2]：

（1）采用內浮頂罐或固定頂罐儲存沸點在45℃下，或37.8℃時的飽和蒸氣壓＞88KPa的甲B類液體時，應設置氮氣密封保護系統；

（2）采用內浮頂儲罐常壓儲存沸點≥45℃、或37.8℃時飽和蒸氣壓≤88KPa的甲B、乙A類液體時，可設置氮氣密封保護系統；另，當有特殊要求而選擇固定頂、低壓儲罐或容量≤100m3的臥式儲罐時，應設置氮氣密封保護系統；

（3）當常壓存儲I、II級毒性的甲B、乙A類液體時，應設置氮氣密封保護系統；

（4）儲存介質與空氣接觸，易發生氧化、聚合等反應，常壓儲存時，應設置氮封保護系統；

（5）儲存介質具有水溶性，并對其含水量有嚴格要求，常壓儲存時，應設置氮封保護系統。

2 氮封系統方案

2.1 壓力控制設計方案

此方案基本原理為：氮氣密封系統的設置，旨在控制罐內氣體壓力維持在300 Pa（G）上下。當儲罐內氣體壓力上升≥500 Pa（G）時，關停氮氣控制閥，暫停氮氣的補充；當內壓力≤200 Pa（G）時，氮氣控制閥將打開以補充氮氣，防止吸進空氣形成易燃氣體。值得注意的是，氮氣操作壓力宜為0.5～0.6 MPa[3]。

2.2 氧含量控制設計方案

此方案基本原理為：氮氣密封系統的設計，旨在控制罐內氣相空間氧氣濃度不超過5%，從而阻斷可造成爆炸的助燃條件。

（1）在罐內設置氧氣濃度監測器進行監控，將高報與氮氣管路控制閥進行聯鎖設計。當罐內氧含量達到高值時，自動報警，然后通過聯鎖打開氮氣閥，使氮氣充入罐內。當檢測器指標達到設定的正常范圍時，立即聯鎖關停氮氣閥停止充氮[4]。

（2）在同類介質儲罐間設計一組管道將氣相管道貫通，可減少作業時氮氣的用量，也可降低油氣排放量。聯通管道的管徑為DN150，流量宜為150m3/h。

3 工程案例淺析

本文以公司某項目中20萬噸/年高等級化工溶劑裝置配套儲運設施的苯罐組為例，從流程和設備布置著手，對氮封系統設計、儲罐附件壓力設置等方面進行探討和分析。

3.1 項目簡述

本裝置以多元烴、輕油及輕烴、粗苯為原料，通過加氫精制，將原料中的不飽和烴類、硫化物氮化物處理，使其成為飽和烴、硫化氫和相應的烴類，氮化物變成氨氣與相應的烴類，將氨氣與硫化氫作環保處理，加氫后產品，通過分餾及芳烴抽提分離成純苯，200#溶劑等其他組分。產品純苯自裝置來，經系統管架，管輸至苯罐組中儲存。利用裝車泵將物料管輸至裝卸車設施定量裝車出廠。

苯罐組配有1臺3000m3內浮頂儲罐和1臺500m3內浮頂儲罐，設計正壓=+1960Pa（G），設計負壓=－490 Pa（G）。兩個儲罐之間的安全防火間距為7m，罐組東西向為46.5m，南北向為37m，泵房布置于罐組的西側，火災危險性為甲B類，設備布置見圖1。

圖1 苯罐組布置示意圖

3.2 氮封系統設計

兩儲罐頂部均設置氮氣密封系統和油氣收集系統。采用上文中壓力控制設計方案，高壓排放油氣，集中回收至油氣回收裝置，低壓補充氮氣，同時設置阻火呼吸閥和泄壓人孔等泄壓措施。簡易工藝流程見圖2所示。

圖2 氮封系統簡易流程圖

3.2.1 充氮量計算

一般來說，充氮量Q等于儲罐物料的排出量Q1與由溫度變化導致的吸氣量Q2之和。SH/T3007-2014中表5.1.6雖已列出不同容量儲罐熱呼吸通氣量，其值卻遠大于實際吸氣量Q2。作為一種資源，有效控制氮氣用量，降低氮氣消耗，可切實提高石化企業的經濟效益，故合理計算充氮量較為必要。下面以罐區中3000m3苯罐所需充氮量的計算為例進行說明。

根據化工部“鋼制立式圓筒形內浮頂罐系列”HG21502.2-1992可查表得[5]，3000m3儲罐內徑D=17m，罐壁高度H1=15.85m，拱頂球冠高度H2=1.841m，本次計算按照浮盤沉底考慮，即取設計最低液位h=1.8m來計算儲罐內最大氣體的體積Vm。Vm等于罐體圓柱部分氣相空間體積V1與罐頂球冠空間體積V2之和。其中：

得：3000m3儲罐內氣體體積最大值Vm=3400 m3

當儲罐內部氣體溫度T（35℃）隨外界氣溫變化一小時內降至T'（20℃），罐內操作壓力由1000Pa（G）降至0Pa（G）時，根據理想氣體狀態方程：

式中：P0：標準大氣壓（取0.101325MPa（A））；

P1：操作壓力（MPa（A））；

V0：標準狀態下的氣體體積（Nm3）；

V1：操作狀態下的氣體體積（m3，我們取液位最低時的Vm值）；

T0：標準狀態下的氣體溫度（273.15K）；

T1：操作狀態下的氣體溫度（K）。

得：在儲罐內最低液位，標準狀態下，35℃時，罐內氣體體積V0為3044Nm3；同理可得25℃時，罐內氣體體積V0'為3168Nm3。因此，此降溫過程內需要補充的氮氣量Q為124m3/h，與SH/T3007-2014表5.1.6中推薦的氣量507m3/h相差較大。因此，為避免浪費氮氣資源，可在參考規范值的基礎上根據實際工況進行計算。

3.2.2 氮氣控制閥壓力設置

溫度驟降或物料外輸使罐內壓力降低至200 Pa（G）時，氮氣控制閥打開，并根據罐內壓力情況，調整控制閥（100～0%）的開度，向儲罐內充氮，提高罐內壓力；當罐內壓力升至500 Pa（G）時，關閉氮氣控制閥以停止充氮；此過程使儲罐內維持在200～500 Pa（G）的微正壓環境。

3.2.3 油氣泄放控制閥壓力設置

氮氣密封通常與油氣回收裝置配套使用。一般，常壓儲罐的油氣泄放壓力很低，要將其泄放至油氣回收裝置，需考慮沿程壓損。因此，在油氣回收裝置中，會提供引風機或真空泵用于油氣回收的動力源。故油氣泄放控制閥的參數設定，通常會將油氣回收裝置和儲罐作為一個系統整體考慮。當儲罐壓力升高至900 Pa（G）時，油氣泄放控制閥開啟，并根據罐內壓力調整控制閥開度（100～0%），同時進行聯鎖啟動和停止油氣回收裝置引風機或真空泵，將儲罐內油氣吸入回收系統；罐內壓力降低至200 Pa（G）時，打開氮氣控制閥，同樣依據罐內壓力情況，調節控制閥（100～0%）的開度，向罐內補充氮氣，此過程使儲罐內維持在200～900 Pa（G）的微正壓環境。

3.2.4 阻火呼吸閥壓力設置

呼吸閥作為儲罐安全的第一道保護線，其根據儲罐內壓力變化，開啟或關閉，維持罐內壓力平衡。當儲罐內壓力降低至-300 Pa（G）時，打開呼吸閥吸收空氣，避免儲罐被真空吸癟；當儲罐壓力升高至1350 Pa（G）時，呼吸閥開啟，向儲罐外呼出多余油氣，避免罐頂的結構失穩。

3.2.5 壓力變送器壓力設置

由于氮封系統的目的是需要讓常壓儲罐內維持微正壓環境，因此常設置壓力變送器，聯鎖氮氣控制閥的啟閉；同時設置高低壓力報警值，可遠傳至中控室進行監控。報警值的設置，介于阻火呼吸閥和緊急泄壓設備動作壓力值之間，其動作先于緊急泄壓設備，后于呼吸閥。當儲罐內壓力降低至-300Pa（G）或壓力升高至1350 Pa（G）時，則證明儲罐呼吸閥作用失效，壓力變送器即進行高低壓報警，此時立即停止對儲罐的任何操作，待排除故障后，方可再次操作。

3.2.6 緊急泄壓設備壓力設置

緊急泄壓設備是儲罐安全的第二道保護線。本罐組儲罐選用防爆阻火泄壓人孔，主要應對儲罐呼吸閥失效時，罐內壓力急劇升高或降低的工況。當儲罐內壓力急劇降低至-333 Pa（G）時，泄壓人孔開啟，向儲罐內大量吸入空氣，使儲罐內壓力迅速上升至安全范圍；當儲罐壓力升高至1980 Pa（G）時，泄壓人孔自動打開，向外呼出氣體，使罐內壓力迅速降低至安全范圍。另外，在儲罐維修時，可以作為人孔和透光孔使用，手動打開泄壓人孔，可進入儲罐進行清洗或檢修。

4 結束語

（1）工程意義

①安全性。設置氮氣密封系統后，罐內的上部空間為可燃氣體和氮氣這一惰性氣體的混合氣，降低了儲罐發生燃燒和爆炸的可能，切實提高儲罐安全性。

②節能性。氮封系統會使儲罐內維持微正壓環境，一般氮氣會輕于罐內有機可燃氣體，充填于儲罐的最高部位。因此，在正常工況下，儲罐呼入和呼出的主要氣體仍為氮氣。這樣可有效的抑制介質揮發，降低能源損耗。

③環保性。目前，揮發性有機物引起的光化學污染已成為我國城市范圍面臨的重要環境問題。在無控制的情況下，廢氣排放對環境影響變得愈發嚴重。氮封儲罐呼出的氣體主要為氮氣，可較大程度的減少有毒有害廢氣揮發和排放，有效的保護了環境。

（2）本文所述的兩種氮封系統方案，均常運用于化工、環保等行業。二者各有優劣，具體方案如何選擇，需綜合考慮物料特性、項目投資、國家以及當地環保部門相關規定等因素。

（3）氮封系統設置需合理選定設備型號和參數，合理設定儲罐附件壓力范圍，保證各其動作壓力區間沒有交集，才能充分的發揮氮封系統的作用，體現其安全、節能、環保的工程意義。