劉　穎　上海寰球工程有限公司　上海　200032

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惰性氣封系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)的初探與比較

劉穎*上海寰球工程有限公司上海200032

摘要介紹國(guó)內(nèi)規(guī)范與美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)在惰性氣封系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，通過(guò)對(duì)設(shè)置目的、耗氣量計(jì)算原理及工藝控制的初步探究，發(fā)現(xiàn)二者的異同。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行工程設(shè)計(jì)舉例。結(jié)果表明通過(guò)工藝控制改進(jìn)，該系統(tǒng)可為防止儲(chǔ)罐回火提供新的設(shè)計(jì)思路。

關(guān)鍵詞惰性氣封系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

*劉穎：工程師。2007年畢業(yè)于華東理工大學(xué)化學(xué)工藝專業(yè)獲碩士學(xué)位?，F(xiàn)從事化工工藝設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話：13761040149，E-mail：chinashliu@163.com。

化工廠經(jīng)常會(huì)儲(chǔ)存和使用易燃易爆、有毒或者敏感介質(zhì)，由此帶來(lái)相應(yīng)的安全風(fēng)險(xiǎn)，如危險(xiǎn)接觸，火災(zāi)和爆炸等。風(fēng)險(xiǎn)的概率和危害程度與工藝流程的特點(diǎn)、工藝條件、安全設(shè)施設(shè)置和安全操作有關(guān)。惰性氣封系統(tǒng)作為一種常用的危險(xiǎn)控制措施被廣泛地運(yùn)用。本文通過(guò)比較中外規(guī)范中惰性氣封系統(tǒng)的工藝設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制的差異，為相關(guān)工程設(shè)計(jì)時(shí)開(kāi)拓思路。

1氣封系統(tǒng)設(shè)置的目的及原理

關(guān)于惰性氣封系統(tǒng)設(shè)置的作用，化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》HG/T 20570.16“氣封的設(shè)置”側(cè)重于防止物料與空氣接觸發(fā)生污染變質(zhì)，或者阻止發(fā)生化學(xué)或生物學(xué)反應(yīng)。耗氣量的計(jì)算原理是基于地上非冷凍式低壓儲(chǔ)罐的“呼吸”，即當(dāng)儲(chǔ)罐泵出液體或者外部氣溫降低時(shí)，儲(chǔ)罐內(nèi)會(huì)形成負(fù)壓，從而自外界吸入氣體[1]。設(shè)計(jì)思路是滿足最大吸氣量的需求，最大限度的減少空氣進(jìn)入儲(chǔ)罐內(nèi)的可能。

美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《常壓和低壓儲(chǔ)罐的放空》 API Std 2000-2014側(cè)重于降低儲(chǔ)罐內(nèi)可燃?xì)庑纬傻目赡?。?guī)范中定義了三種惰性氣封等級(jí)[2]。耗氣量的計(jì)算原理同樣是基于儲(chǔ)罐的“呼吸”。但與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)不同的是，其設(shè)計(jì)基礎(chǔ)來(lái)自于國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《用于爆炸性氣體的電氣設(shè)備》 IEC 60079-10。設(shè)計(jì)思路是限定最小的惰性氣體供氣量及惰性氣封氣保有容積。通過(guò)實(shí)施相應(yīng)的工藝控制，限制儲(chǔ)罐內(nèi)氣相空間的爆炸危險(xiǎn)區(qū)域分區(qū)。這與國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)存在著明顯差異。

2工藝系統(tǒng)中氧含量的控制

比較國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)，惰性氣封系統(tǒng)的設(shè)置實(shí)際上是控制儲(chǔ)罐內(nèi)氣相空間中的氧含量。其中，美國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)氧含量的要求描述則更為詳細(xì)。

裝置開(kāi)停車、設(shè)備維修甚至正常操作狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)均存在進(jìn)入空氣的可能，其危害多數(shù)來(lái)自氧。若不加預(yù)防或控制，系統(tǒng)中氧含量可逐步增加并富集。當(dāng)氧濃度上升到某一水平，系統(tǒng)的正常生產(chǎn)和安全將受到威脅。引入惰性氣封可降低外部氧進(jìn)入的可能，同時(shí)“稀釋”作用可以使氧含量維持在某一安全水平，從而降低風(fēng)險(xiǎn)。

《管道系統(tǒng)中的阻火器》 API 2028中推薦了一個(gè)系統(tǒng)氧含量的控制水平，在煉化廠或化工廠中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，將工藝管道系統(tǒng)中的氧含量維持在不大于5%時(shí)一般視為是安全的。另外，美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)(USCG)要求海運(yùn)輸送氣體收集系統(tǒng)當(dāng)氧含量增加到8%及以上時(shí)必須停車[3]。取值可能是根據(jù)引起物質(zhì)燃燒必需的氧濃度下限的50%制定的[4]。

系統(tǒng)氧含量安全指標(biāo)并非一成不變。倘若系統(tǒng)總壓增加，若氧濃度不變，氧分壓將隨之增加。則單位空間內(nèi)自由的氧分子總量還是會(huì)增加，風(fēng)險(xiǎn)仍會(huì)增大。所以氧含量控制指標(biāo)應(yīng)隨著系統(tǒng)總壓的增加而降低。

3回火(Flashback)現(xiàn)象及其防護(hù)手段

儲(chǔ)罐的引燃或爆炸可與放空管道被外部引燃后回火有關(guān)。儲(chǔ)存易燃介質(zhì)的儲(chǔ)罐，其放空管道內(nèi)存在可燃性氣體，在外部引燃條件下，例如雷擊等，放空管端處會(huì)著火。當(dāng)放空管內(nèi)氣體流速較小時(shí)，由于燃燒火焰不能穩(wěn)定在管口而向管內(nèi)竄動(dòng)，造成回火現(xiàn)象。

回火現(xiàn)象非常危險(xiǎn)。實(shí)際工作中，通常的設(shè)計(jì)思路是控制罐內(nèi)的氧含量，使之不發(fā)生燃燒。并采取措施防止回火發(fā)生。

混合氣體燃燒時(shí)，火焰的穩(wěn)定程度與氣體流速特性曲線和火焰?zhèn)鞑ヌ匦郧€有關(guān)[5]。為防止回火，可采取的手段不外乎兩種：一是降低火焰?zhèn)鞑ニ俣?，二是提高氣體在管內(nèi)的流速。一般是在放空管端處加裝阻火器。

但是在某些場(chǎng)合，阻火器的安裝會(huì)受到限制。如物料結(jié)垢、腐蝕或者自聚等原因會(huì)造成阻火器堵塞，從而影響儲(chǔ)罐的放空。需要尋找替代方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。例如美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中設(shè)置了三種惰性氣封等級(jí)，可用于儲(chǔ)罐回火保護(hù)。

4惰性氣封供氣量的計(jì)算

4.1國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中惰性氣封供氣量計(jì)算

HG/T 20570.16中氣封裝置供氣流量計(jì)算：

V補(bǔ)充=V泵+V溫變

(1)

式中，V泵為儲(chǔ)罐泵出液體的補(bǔ)氣流量，等于最大的泵出液體流量；V溫變?yōu)橥獠繗鉁亟档彤a(chǎn)生的補(bǔ)氣流量，根據(jù)API 2000相關(guān)規(guī)定計(jì)算。

由于出版時(shí)間的局限，HG/T 20570-95所引用的當(dāng)初的API標(biāo)準(zhǔn)，如今已經(jīng)被新版本中的評(píng)價(jià)方法和公式取代。

在API 2000-2014中，外部氣溫變化產(chǎn)生的補(bǔ)氣量計(jì)算式：

(2)

式中，C為與物料蒸汽壓、平均儲(chǔ)存溫度和儲(chǔ)罐地理緯度相關(guān)的因子；Ri為保溫折減系數(shù)；Vtk為儲(chǔ)罐容積，m3。

式(2)中，C因子是由物料的物性、物料儲(chǔ)存條件及儲(chǔ)罐所在地理位置決定的，可以通過(guò)查表獲得。而保溫折減系數(shù)Ri是由物料儲(chǔ)存時(shí)的熱交換情況、儲(chǔ)罐是否保溫、保溫形式與面積、保溫材料的性質(zhì)以及保溫層厚度綜合決定的。通過(guò)收集這些信息或參數(shù)，計(jì)算獲得。

綜合式(1)和式(2)，氣封供氣流量的計(jì)算公式：

(3)

4.2美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中惰性氣封供氣量的工藝計(jì)算

API2000-2014附錄F中提供了三種惰性氣封等級(jí)，可以限定不同等級(jí)的最小供氣流量和惰性氣封氣保有容積。設(shè)計(jì)時(shí)可以根據(jù)物料特性和工藝需要確定補(bǔ)氣量和惰性氣封氣保有容積，以匹配氣封等級(jí)和進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。三種惰性氣封等級(jí)的相關(guān)計(jì)算公式如下：

(1)1級(jí)氣封

(4)

惰性氣封氣保有容積VI，m3：

VI=0.04×Vtk

(2)2級(jí)氣封

(5)

各參數(shù)符號(hào)同前。

惰性氣封氣保有容積VI，m3：

VI=0.08×Vtk

(3)3級(jí)氣封

(6)

各參數(shù)符號(hào)同前。

惰性氣封氣保有容積VI，m3：

VI=0.12×Vtk

5惰性氣封系統(tǒng)等級(jí)的控制要求

美標(biāo)體系中，惰性氣封系統(tǒng)等級(jí)與儲(chǔ)罐內(nèi)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域分區(qū)及工藝系統(tǒng)控制相關(guān)。

若按1級(jí)氣封方案補(bǔ)氣，需對(duì)氣封供應(yīng)進(jìn)行監(jiān)控，包括測(cè)量?jī)?chǔ)罐內(nèi)壓力及其氧含量，當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力降到吸氣設(shè)定值時(shí)系統(tǒng)應(yīng)報(bào)警。按此流量，儲(chǔ)罐內(nèi)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域可劃分為1區(qū)。同時(shí)，儲(chǔ)罐須安裝管端型防爆燃且可承受氣體組別為IIA的物料燃燒的阻火器。

按2級(jí)氣封方案補(bǔ)氣，儲(chǔ)罐內(nèi)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域可為2區(qū)。除滿足對(duì)1級(jí)氣封的控制要求外，還須在罐壓報(bào)警設(shè)定值之下增加泵的關(guān)停信號(hào)。同時(shí)，儲(chǔ)罐須安裝與1級(jí)氣封同樣要求的阻火器。

3級(jí)氣封方案中，儲(chǔ)罐內(nèi)爆炸危險(xiǎn)區(qū)域也為2區(qū)，但是需始終保持儲(chǔ)罐內(nèi)的正壓環(huán)境，泵的關(guān)停設(shè)定值高于環(huán)境壓力。設(shè)置監(jiān)控系統(tǒng)冗余，無(wú)需安裝阻火器。

6算例

一臺(tái)300m3的地上式固定頂苯酚儲(chǔ)罐，其尺寸為Φ8000mm×6000mm。設(shè)計(jì)正壓+0.02MPa(G)，設(shè)計(jì)負(fù)壓-0.0005MPa(G)。設(shè)計(jì)溫度100℃，操作溫度為65℃，儲(chǔ)罐有加熱裝置維持罐內(nèi)溫度。建設(shè)地點(diǎn)位于南京。儲(chǔ)罐外層全部覆蓋保溫層，保溫材料采用巖棉，保溫厚度為60mm。最大泵送能力為60m3/h。儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)有氮封裝置及呼吸閥，設(shè)定壓力為正壓+0.01MPa(G)，負(fù)壓-0.0003MPa(G)，呼吸閥排向大氣?，F(xiàn)比較幾種氮封設(shè)計(jì)方案所需的氮?dú)饬髁?，?jiàn)表1。

表1　氮?dú)饬髁勘容^表

美標(biāo)中各氣封方案在壓力設(shè)定點(diǎn)控制動(dòng)作見(jiàn)表2。

表2　各氣封方案在壓力設(shè)定點(diǎn)的控制動(dòng)作

由表1和表2計(jì)算結(jié)果可以看出， HG/T 20570與API 2000在補(bǔ)氣量計(jì)算值和工藝設(shè)計(jì)上存在明顯差異。

惰性氣補(bǔ)氣用量計(jì)算值不同的原因在于：氣溫變化造成的補(bǔ)氣量一項(xiàng)，計(jì)算公式中的項(xiàng)系數(shù)不同，即國(guó)標(biāo)體系公式(3)系數(shù)為1；而美標(biāo)體系的三級(jí)氣封方案公式(式(4)，(5)，(6))各系數(shù)為分別0.1，0.2和0.5。

7結(jié)語(yǔ)

(1)從兩種體系的計(jì)算方法來(lái)看，HG/T 20570.16中的方法計(jì)算出的補(bǔ)氣量大于美標(biāo)計(jì)算值。其計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)單，易于理解。氣封氣計(jì)算值較大，會(huì)增加運(yùn)營(yíng)成本。

(2)API 2000-2014對(duì)氣封系統(tǒng)的設(shè)置描述嚴(yán)謹(jǐn)，相關(guān)的工藝設(shè)計(jì)與控制要求明確。計(jì)算值低于國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)，可能會(huì)增加投資成本。

(3)中美兩種標(biāo)準(zhǔn)體系之氣溫變化造成的補(bǔ)氣量一項(xiàng)，計(jì)算公式中的項(xiàng)系數(shù)是造成其計(jì)算值差異的根本原因。采用國(guó)標(biāo)計(jì)算時(shí)，補(bǔ)氣量按最大吸氣量計(jì)算；采用美標(biāo)計(jì)算時(shí)，在儲(chǔ)罐內(nèi)保有一定量惰性氣體的情況下，各級(jí)氣封方案允許惰性氣補(bǔ)氣量有或多或少的折減。

(4)國(guó)標(biāo)計(jì)算用氣量較大，同時(shí)由于《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》SH/T 3007-2014又規(guī)定：采用惰性氣封系統(tǒng)的儲(chǔ)罐在通大氣的通氣管或呼吸閥上應(yīng)安裝阻火器。所以國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)趨保守。

(5)對(duì)于部分不適宜安裝阻火器的場(chǎng)合，國(guó)標(biāo)沒(méi)有提出明確的解決方案。而API 2000-2014的三級(jí)氣封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，為裝置的靈活設(shè)計(jì)提供了一個(gè)設(shè)計(jì)思路。通過(guò)自動(dòng)化控制增加系統(tǒng)安全性，可以作為替代阻火器的備用方案，用來(lái)防止儲(chǔ)罐回火。

參考文獻(xiàn)

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(收稿日期2015-09-15)