王佰亮

沈陽化工研究院設(shè)計(jì)工程有限公司　沈陽　110021

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石油化工常壓及低壓儲(chǔ)罐的氮封系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王佰亮*

沈陽化工研究院設(shè)計(jì)工程有限公司沈陽110021

闡述合理設(shè)定氮封系統(tǒng)中各閥(氮封閥、泄氮閥、呼吸閥)的壓力，可避免氮封失效。泄氮閥和氮封閥分別起“呼”、“吸”作用，呼吸閥僅起安全保護(hù)作用。分別從氮封系統(tǒng)適用工況、設(shè)計(jì)原則、供氣量計(jì)算、注意事項(xiàng)等方面進(jìn)行了詳細(xì)闡述，通過對(duì)氮封系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，可規(guī)避安全風(fēng)險(xiǎn)、降低事故概率。

石油化工儲(chǔ)罐氮封設(shè)計(jì)

石油化工企業(yè)的罐區(qū)經(jīng)常存儲(chǔ)大量的易揮發(fā)化工原料，當(dāng)從外界進(jìn)料打入儲(chǔ)罐時(shí)，隨著儲(chǔ)罐內(nèi)液體的增加，儲(chǔ)罐內(nèi)的氣體就需要向外界排出以便液體進(jìn)入儲(chǔ)罐中；當(dāng)從儲(chǔ)罐輸送物料到生產(chǎn)設(shè)備時(shí)，隨著儲(chǔ)罐內(nèi)液體的減少，就需要向儲(chǔ)罐內(nèi)吸入氣體以便液體的輸送。由于儲(chǔ)罐設(shè)置在室外，罐內(nèi)物料會(huì)隨著外界環(huán)境溫度的變化引起罐內(nèi)溫度的變化，從而引起罐內(nèi)氣體壓力的變化。熱脹冷縮的效應(yīng)導(dǎo)致儲(chǔ)罐的氣相空間出現(xiàn)體積膨脹或收縮，表現(xiàn)出“呼氣”或“吸氣”現(xiàn)象。為防止儲(chǔ)罐出現(xiàn)超壓或負(fù)壓狀態(tài)，工業(yè)生產(chǎn)中通常需要采取兩種保護(hù)措施：① 在罐頂安裝阻火呼吸閥；② 采用氮封系統(tǒng)[1]。本文介紹了氮封系統(tǒng)設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，為從事相關(guān)化工設(shè)計(jì)工作人員提供一定的參考借鑒。

1　氮封系統(tǒng)適用的工況

為防止儲(chǔ)罐內(nèi)物料因與進(jìn)入的外界氣體(空氣)接觸而被污染變質(zhì)或與外界進(jìn)入的氣體(空氣)發(fā)生化學(xué)或生物反應(yīng)，常需設(shè)置氮封系統(tǒng)。用氮?dú)馐箖?chǔ)罐內(nèi)維持一定壓力(正壓)，防止儲(chǔ)罐內(nèi)物料與外界氣體接觸[2]。儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)特別適合用于各類大型儲(chǔ)罐的氣封保護(hù)系統(tǒng)[3]，主要用于工況：① 儲(chǔ)存介質(zhì)閃點(diǎn)低于60℃，易燃易爆；② 儲(chǔ)存介質(zhì)毒性較大或易揮發(fā)；③ 儲(chǔ)存介質(zhì)含硫，而儲(chǔ)罐材質(zhì)為碳鋼，會(huì)有硫化亞鐵生成，為防止硫化亞鐵自燃[4]；④ 儲(chǔ)存介質(zhì)為水溶性或與水混溶的，并對(duì)其中水份有控制要求時(shí)；⑤ 儲(chǔ)存介質(zhì)接觸空氣發(fā)生聚合；⑥ 儲(chǔ)存介質(zhì)接觸空氣被氧化；⑦ 儲(chǔ)存介質(zhì)常溫(37.8℃)時(shí)的飽和蒸汽壓大于88KPa。

2　氮封系統(tǒng)應(yīng)用于儲(chǔ)罐的工作原理

氮封系統(tǒng)由氮封閥、呼吸閥(含阻火器)、泄氮閥、緊急泄放裝置(泄壓閥、泄壓人孔)組成。

當(dāng)儲(chǔ)罐出液閥開啟輸送物料時(shí)，罐內(nèi)液面下降，氣相部分容積增大，罐內(nèi)氣相壓力降低，氮封閥開啟，向儲(chǔ)罐注入氮?dú)?，罐?nèi)氮?dú)鈮毫ι仙?，?dāng)罐內(nèi)壓力上升至氮封閥壓力設(shè)定值時(shí)，氮封閥自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)儲(chǔ)罐進(jìn)液閥開啟，向罐內(nèi)添加物料時(shí)，液面上升，氣相部分容積減小，罐內(nèi)壓力升高，當(dāng)罐內(nèi)壓力高于泄氮閥壓力設(shè)定值時(shí)，泄氮閥打開，向外界釋放氮?dú)?，罐?nèi)氮?dú)鈮毫ο陆?，降到泄氮閥壓力設(shè)定值時(shí)，泄氮閥自動(dòng)關(guān)閉[5]。當(dāng)?shù)忾y和泄氮閥失靈時(shí)，此時(shí)呼吸閥代替氮封閥和泄氮閥起到保護(hù)作用。緊急泄放裝置(卸壓閥、泄放人孔)作用是當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，儲(chǔ)罐因受熱引起罐內(nèi)液體蒸發(fā)量劇增，此時(shí)泄放裝置便開始向罐外呼出，以避免儲(chǔ)罐因超壓而損壞。具體流程見圖1。

3　氮封系統(tǒng)壓力設(shè)定設(shè)計(jì)原則

鋼制立式圓筒形固定頂儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力一般為：-0.5～2KPa，在如此小的壓力范圍內(nèi)，如何保證各安全附件的壓力區(qū)間沒有交集，是確保氮封系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的關(guān)鍵。氮封系統(tǒng)失效原因主要是各安全附件的定壓不準(zhǔn)確、壓力區(qū)間有交集。一般泄氮閥的壓力設(shè)定點(diǎn)略大于氮封閥的壓力設(shè)定點(diǎn)，以免供、泄氮裝置頻繁工作，浪費(fèi)氮?dú)狻⒂绊懺O(shè)備的使用壽命。呼吸閥的呼出設(shè)定值應(yīng)大于泄氮閥壓力設(shè)定值，呼吸閥的吸入設(shè)定值應(yīng)小于氮封閥的壓力設(shè)定值，罐頂呼吸閥僅起安全保護(hù)作用，呼吸閥在正常情況下不工作。當(dāng)?shù)忾y或泄氮閥失靈，導(dǎo)致罐內(nèi)壓力過高或過低，此時(shí)，呼吸閥才動(dòng)作。呼吸閥呼出的起跳壓力應(yīng)低于該呼吸閥所在儲(chǔ)罐的最高設(shè)計(jì)壓力，但應(yīng)高于該儲(chǔ)罐的操作壓力，以確保儲(chǔ)罐的正常操作。呼吸閥吸入的起跳壓力應(yīng)高于該呼吸閥所在儲(chǔ)罐的最低設(shè)計(jì)壓力，從而保護(hù)儲(chǔ)罐不被損壞。具體壓力關(guān)系見圖2。

圖1　氮封系統(tǒng)流程

圖2　儲(chǔ)罐安全附件壓力關(guān)系

4　氮封系統(tǒng)供氣量的計(jì)算

儲(chǔ)罐氮封裝置的供氣量應(yīng)大于或等于由于泵抽出儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存的液體所需的補(bǔ)充氣量與外界氣溫變化而產(chǎn)生的儲(chǔ)罐內(nèi)氣體冷凝和收縮所需補(bǔ)充的氣量之和。

(1)泵抽出儲(chǔ)罐內(nèi)液體所需補(bǔ)充的氣量等于泵的最大輸出能力。

(2) 因氣溫變化而引起儲(chǔ)罐內(nèi)的氣體冷凝和收縮需補(bǔ)充的氣量，在美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《常壓和低壓儲(chǔ)罐的放空》API 2000中規(guī)定為：對(duì)容積≥3180m3的儲(chǔ)罐，這個(gè)氣量與儲(chǔ)罐外殼和罐頂?shù)谋砻娣e有關(guān)，每平方米罐外殼和罐頂表面積，每小時(shí)需補(bǔ)入0.6m3氮封氣；對(duì)容積<3180m3的儲(chǔ)罐，每立方米容積，每小時(shí)需補(bǔ)入0.178m3氮封氣。上述的氣量可以允許罐內(nèi)氣體每小時(shí)溫度變化37.8℃，并且是偏于安全的。常用儲(chǔ)罐因外界氣溫變化所需的供氣量見HG/T 20570.16-95表2.0.1。

(3)將以上兩項(xiàng)所需氣量相加，即得氮封裝置所需氮封量。

5　氮封系統(tǒng)應(yīng)用于儲(chǔ)罐的優(yōu)點(diǎn)

儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)裝置(氮封閥、泄氮閥、呼吸閥)是一套自力式微壓力控制系統(tǒng)，主要用于保持容器頂部保護(hù)氣的壓力恒定，維持儲(chǔ)罐內(nèi)的不可燃環(huán)境并抑制儲(chǔ)罐的氣體排放。氮封裝置具有節(jié)能，動(dòng)作靈敏、運(yùn)行可靠、操作與維修方便等特點(diǎn)，氮封裝置廣泛應(yīng)用于石油化工行業(yè)，產(chǎn)品特點(diǎn)無需外加能源，在無電無氣的場(chǎng)合利用被調(diào)介質(zhì)自身能量為動(dòng)力源，引入壓力閥的指揮器以控制壓力閥芯位置，改變流經(jīng)閥門介質(zhì)流量，使閥門后端壓力保持恒定[6]。氮封裝置的供(泄)氮壓力設(shè)定方便，可連續(xù)運(yùn)行。在設(shè)定壓力范圍內(nèi)，如從100mm H2O 需調(diào)整到50mm H2O ，可通過調(diào)節(jié)氮封閥頂部的調(diào)節(jié)螺絲，改變彈簧的受力，即可達(dá)到需要新設(shè)定的工藝值。泄氮閥的調(diào)整設(shè)定也是如此。

6　氮封系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)注意事項(xiàng)

雖然氮封系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，但在實(shí)際生產(chǎn)中的效果卻不盡如人意，所以氮封系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，要注意如下事項(xiàng)：

(1)氮?dú)夤夤艿慕庸芪恢脩?yīng)遠(yuǎn)離泄氮管接口，并由罐頂部插入儲(chǔ)罐內(nèi)約200mm，以防止氮?dú)舛搪穂7]。呼吸閥應(yīng)安裝在儲(chǔ)罐氣源的最高點(diǎn)，以降低物料蒸發(fā)損耗并保證發(fā)生火災(zāi)時(shí)提供儲(chǔ)罐呼吸最直接和最大的通道。當(dāng)需要安裝兩個(gè)呼吸閥時(shí)，它們與罐頂中心應(yīng)對(duì)稱布置。呼吸閥選用全開啟式。同時(shí)，針對(duì)環(huán)境溫度和物料性質(zhì)選擇合適的類型，如可采取防凍、防結(jié)晶等措施。寒冷地區(qū)就應(yīng)選用全天候呼吸閥。

(2)氮封閥閥前壓力最好在2.5MPa以下，現(xiàn)場(chǎng)壓力較高時(shí)，可在氮封閥前安裝一只ZZYP 型自力式壓力調(diào)節(jié)閥將壓力減至1MPa以下，以提高可靠性和使用效果。

(3)氮封閥和泄氮閥安裝位置盡量靠近罐頂，不宜安裝在罐底部，因背壓管線長(zhǎng)，壓力調(diào)節(jié)精度差。

(4)應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍庀髼l件，采取有效的保溫隔熱措施，同時(shí)合理設(shè)置氮?dú)鈨?chǔ)罐容量，可有效減少供氣量，從而達(dá)到降低設(shè)備投資及運(yùn)行費(fèi)用的目的[8]。

7　結(jié)　語

通過合理設(shè)定氮封系統(tǒng)中各閥(氮封閥、泄氮閥、呼吸閥)的壓力來控制儲(chǔ)罐內(nèi)的壓力，氮封閥和泄氮閥起“呼吸”作用，呼吸閥僅起安全保護(hù)作用，這樣可以避免阻火呼吸閥因頻繁起跳失靈，造成儲(chǔ)罐損壞，更重要的是采取氮封，可大幅降低安全風(fēng)險(xiǎn)概率。隨著安全、環(huán)保、節(jié)能意識(shí)的提高以及為滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，氮封系統(tǒng)會(huì)越來越多的應(yīng)用在石油化工企業(yè)儲(chǔ)罐上。

1楊向東，朱紅梅，田德永. 正負(fù)壓防止罐氣封裝置在化工生產(chǎn)中的應(yīng)用[J]. 氮肥技術(shù)，2012，(1)：20-22.

2HG/T 20570.16-95，工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].

3張華，陳莉莉. 工藝設(shè)計(jì)中的氮?dú)饷芊庀到y(tǒng)研究[J]. 廣東化工，2014，(9)：194.

4馮秀梅，武文廣. 含硫油品儲(chǔ)罐自燃與防范措施[J]. 化工設(shè)備與管道，2006, (4)：61-64.

5武興華. 自力式調(diào)節(jié)閥在氮封系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]. 揚(yáng)子石油化工，2007，(4)：4-7.

6李樹勛，張喜軍，謝剛等. 波紋管平衡型自力式壓差調(diào)節(jié)閥分析[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2008, (3)：44-46.

7陳國(guó)忠. 油罐呼吸閥的作用及維護(hù)[J]. 內(nèi)蒙古石油化工，2010，(8)：58-59.

8徐頂旺. 氮封設(shè)計(jì)中氮封供氣量計(jì)算方法的研究[J]. 化工設(shè)計(jì)，2012，(5)：13-15.

2016-08-04)

*王佰亮：工程師。2008年畢業(yè)于沈陽化工大學(xué)化學(xué)工程專業(yè)獲碩士學(xué)位。一直從事石油化工工藝設(shè)計(jì)工作，曾發(fā)表論文10余篇。

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