陳栓洲

(中國石化揚子石油化工有限公司，江蘇南京 210048)

0 前言

煉化企業(yè)油品儲罐的呼吸及殘油的揮發(fā)，以及停工掃線和油品中攜帶的溶劑揮發(fā)等帶來的惡臭氣體排放，已經(jīng)成為煉廠空氣污染的重大污染源，廠區(qū)VOCs的主要來源之一。企業(yè)目前采用的罐區(qū)VOCs治理方式的趨勢是根據(jù)存儲介質(zhì)的特性，通過氣相連通線將整個罐組甚至全廠多個儲罐組連接成一個整體，分類、分片區(qū)收集VOCs，再通過增壓風機送往后續(xù)VOCs等處理裝置[1]。儲罐氣相連通后，當某一儲罐發(fā)生閃爆或火災時，火焰可沿連通管線傳播到其它儲罐，引發(fā)重大群罐火災。近年來氣相連通罐組事故頻發(fā)，如2014年南京某石化企業(yè)“6·9”群罐火災爆炸事故；寧波某化工廠生產(chǎn)裝置可燃氣體通過氣相連通管線倒竄入儲罐，引發(fā)火災。為此，國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局下發(fā)《關于進一步加強化學品罐區(qū)安全管理的通知》(安監(jiān)總管三〔2014〕68號)，要求立即暫停使用多個化學品儲罐尾氣連通回收系統(tǒng)，經(jīng)安全論證合格后方可投用。氣相連通罐組安全已成為企業(yè)環(huán)保治理中最關注的安全問題之一，因此開展儲罐氣相連通安全風險研究，為罐區(qū)VOCs治理的安全設計和運行提供指導，具有重要的意義。

1 儲罐氣相連通方式

企業(yè)在進行罐區(qū)VOCs治理時，為了能集中收集VOCs，通常將多個儲罐的氣相空間進行連通。如圖1所示，封閉儲罐與外界開口，在儲罐罐頂上增設氣相連通支線。各儲罐氣相連通支線匯集到氣相連通總管后，通過增壓設備將儲罐排放的廢氣送入VOCs處理裝置進行處理。涉及的主要改造包括:封閉儲罐與外界的開口，利用和新增儲罐開口增設廢氣收集支線，并完善壓力檢測儀表和切斷閥。每一個罐組氣相支線上增設阻火器。許多儲罐也涉及氮封系統(tǒng)改造。

圖1 儲罐氣相連通示意

2 分析方法

為合理評估儲罐增加氣相連通后的安全風險，對12家煉化企業(yè)的儲運罐區(qū)氣相連通現(xiàn)狀進行了調(diào)研，掌握了氣相連通安全設計、運行中存在的共性問題。并采用安全檢查表、HAZOP分析等方法，對典型罐區(qū)氣相連通VOCs收集及處理系統(tǒng)開展系統(tǒng)的風險分析。針對調(diào)研及評估中發(fā)現(xiàn)的關鍵共性安全問題，結(jié)合某煉化企業(yè)生產(chǎn)運行中的經(jīng)驗，提出安全措施，為企業(yè)罐區(qū)氣相連通安全設計提供參考。

3 儲罐氣相連通安全風險

3.1 火災爆炸風險

3.1.1 儲罐內(nèi)形成可燃氣體環(huán)境的風險

a)內(nèi)浮頂儲罐增加氣相連通設施和氮封后，需要封閉儲罐罐頂和罐壁的通氣孔，從而導致儲罐浮頂與拱頂之間形成密閉的氣相空間。如果儲罐的密封不良，將導致儲罐浮盤與拱頂之間存在的可燃氣體濃度增加。

b)內(nèi)浮頂常壓儲罐老式浮盤密封性差，浮頂油氣濃度易超標，增加了儲罐氣相連通火災風險。目前國內(nèi)廣泛采用浮筒式浮盤。浮盤下方存在較大的油氣空間，浮盤及其附件泄漏點多，導致浮盤上方空間油氣濃度超標；浮盤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差，結(jié)構(gòu)強度低，易受液面波動造成變形，危險性增加。

c)氮氣密封系統(tǒng)的設計缺乏科學依據(jù)，無法保持氣相連通罐組始終維持正壓。在常壓罐組廢氣收集系統(tǒng)中，維持整個系統(tǒng)處于一種微正壓狀態(tài)，防止空氣通過儲罐呼吸系統(tǒng)或管路薄弱環(huán)節(jié)進入儲罐組、氣相收集管路和后續(xù)處理設施是保證該系統(tǒng)本質(zhì)安全的重要原則。因此，多數(shù)罐區(qū)收集系統(tǒng)在每個相連的儲罐上設置有氮氣密封系統(tǒng)。目前，各企業(yè)氮封系統(tǒng)設計沒有統(tǒng)一標準，現(xiàn)有氮封系統(tǒng)設計的最大流量是按最大泵出量考慮，并沒有考慮異常溫降對儲罐壓力的影響，特別是在高溫多雨的南方，這種設計方案無法可靠保證在出料和降雨同時出現(xiàn)的工況下儲罐能維持維正壓。

3.1.2 點火源的風險

導致儲罐發(fā)生火災爆炸點火源包括外部點火源和內(nèi)部點火源。

a)外部點火源如雷擊、靜電、外部火源等。在儲罐壓力高，呼吸閥外排時，如果發(fā)生呼吸閥火災，可能導致回火事故，引發(fā)儲罐內(nèi)部火災爆炸事故。ISO28300試驗證明火焰可以通過呼吸閥進入儲罐內(nèi)部氣相空間。試驗同時也驗證了呼出氣體被引燃后能夠通過呼吸閥吸入口進入儲罐內(nèi)部氣相空間而回火，當呼出量小的時候，回火也可以發(fā)生在呼吸閥的呼出端[2]。

b)內(nèi)部點火源包括靜電、硫化亞鐵等。由于所儲存的物料含硫，儲罐內(nèi)部和氣相連通管線內(nèi)部將生成硫化亞鐵。對某輕質(zhì)油品罐區(qū)罐頂氣相聯(lián)通管道內(nèi)壁和儲罐上部空間沉積物進行了取樣，進行了X-射線衍射分析和能譜分析，檢測結(jié)果罐頂氣相管線、儲罐均含有硫化亞鐵。因此對于儲存高含硫物料的儲罐，應做好儲罐內(nèi)防腐，并設置氮封，防止生成硫化亞鐵。

3.1.3 過程改造過程中火災爆炸風險

輕質(zhì)油品罐區(qū)氣相連通系統(tǒng)改造，改造儲罐與運行儲罐交叉。改造儲罐施工、動火等作業(yè)，會影響到周邊儲罐的正常運行。如改造項目違章施工、違章作業(yè)，隔離防護不到位，可造成附近設備、電器、管線損壞，還有可能引發(fā)重大設備或火災、爆炸事故。

3.1.4 重大群罐火災事故風險

儲罐氣相連通后，當某個儲罐發(fā)生火災時，將導致火焰通過氣相連通線互竄至其他儲罐和油氣回收裝置，引發(fā)儲罐群火災和油氣回收裝置火災事故。根據(jù)國際油氣生產(chǎn)者協(xié)會OGP發(fā)布的數(shù)據(jù)，按照工業(yè)標準設計與運行維護的拱頂罐或內(nèi)浮頂儲罐發(fā)生內(nèi)部爆炸的頻率約為1.15×10-4/(年·座)[3]，而連通數(shù)量越多，發(fā)生事故可能性就越大。

此外，長管道輸送會促進爆燃轉(zhuǎn)變爆轟，通?；鹧?zhèn)鞑ヂ窂介L度達到管徑的100倍時，爆燃可以轉(zhuǎn)變成爆轟[4]，爆轟可能導致連通管網(wǎng)破壞，造成泄漏火災。管網(wǎng)設計時需要注意爆炸防護，根據(jù)中國石化《石油化工企業(yè)儲運罐區(qū)罐頂油氣連通安全技術要求(試行)》管道和管件的公稱壓力應不低于1.6 MPa。

3.2 儲罐本體安全風險

3.2.1 儲罐超壓風險

目前國內(nèi)常壓儲罐設計壓力多為2 kPa。儲罐增加氮封設施后，需要將罐壁通氣孔封死，氮封系統(tǒng)氮氣壓力為0.3～0.7 MPa，如果氮氣調(diào)壓閥故障，將導致儲罐壓力升高，甚至有可能引發(fā)超壓爆炸。儲罐快速進料過程或溫升過程中，儲罐壓力也會升高；罐頂油氣管線設壓控閥故障關閉或阻火器堵塞，也會導致儲罐壓力也會升高。部分儲罐全天候阻火呼吸閥利舊，呼閥存在腐蝕、堵塞、無法完全關閉打開的風險。

封閉后的內(nèi)浮頂儲罐承壓能力有所不同，需重新校核罐體強度，對儲罐結(jié)構(gòu)進行適應性改造，根據(jù)儲罐承壓能力重新核定呼吸閥進氣和排壓能力。

3.2.2 儲罐負壓風險

儲罐氮封系統(tǒng)設計時未綜合考慮泵出量和外界溫度變化的影響。當儲罐快速出料和異常溫降時，可能導致儲罐氣相空間為負壓。儲罐氣相空間未設置壓力低報警，當壓力低于氮封系統(tǒng)啟動壓力時，操作人員無法及時確認氮氣供應狀態(tài)。補氮設施故障時，可能導致儲罐氣相空間為負壓。部分儲罐全天候阻火呼吸閥利舊，吸閥存在腐蝕、堵塞、無法完全關閉打開的風險。

3.2.3 儲罐液位高風險

儲罐液位高或滿罐時，可能導致液體油品進入油氣連通系統(tǒng)，造成阻火器壓降增大，甚至堵塞，液體進入增壓風機，可造成風機損壞。如風機損壞，油氣大量外泄，還可引發(fā)事故。

3.3 罐頂氣連通工藝存在的安全風險

3.3.1 污水池與罐區(qū)罐頂氣連通的燃爆風險

企業(yè)VOCs治理中存在儲罐與污水池系統(tǒng)共用一個收集管網(wǎng)和處理系統(tǒng)的問題。污水池由于密封不嚴，收集的廢氣富含空氣，且污水池廢氣中烴濃度波動非常大，易形成爆炸性氣體。通過對9家企業(yè)隔油池揮發(fā)有機廢氣非甲烷總烴的有效監(jiān)測，濃度超過5 000 mg/m3的企業(yè)達到5家。近年來多次污水池閃爆事故證實了污水池廢氣的危險性。部分企業(yè)污水池廢氣雖然設置了單獨的廢氣收集管網(wǎng)，但未設置廢氣總烴濃度檢測與高高聯(lián)鎖切斷措施，在并入罐區(qū)油氣處理裝置前未設緊急切斷閥和管道阻火設施，也存在較高的安全風險。

3.3.2 直接連通的儲罐最大數(shù)量未作限制

目前企業(yè)通常將相同或性質(zhì)相近的儲罐罐頂先直接連通，然后共用一個開關閥控制罐組排氣，以減少大呼吸和氮氣消耗。罐頂油氣直接連通數(shù)量越多，發(fā)生火災爆炸的可能性就越大，但企業(yè)目前通常未限制儲罐的連通數(shù)量，部分企業(yè)甚至將30個儲罐直接連通，而沒有采取切斷措施。

3.3.3 事故下無法遠程切斷

儲罐罐頂氣相連通后，各儲罐氣相支線上沒有設置事故下可遠程切斷的閥門，一旦一個儲罐發(fā)生事故，無法將連通儲罐組內(nèi)其他儲罐的氣相切斷。雖然設有阻火器，但管道爆轟型阻火器通常不耐燒，若管道內(nèi)持續(xù)燃燒，可擊穿阻火器傳播到其它儲罐，引發(fā)重大群罐火災。

3.3.4 連通方式的風險

現(xiàn)場存在將火災危險性不同的儲罐、高含硫與低含硫儲罐、高溫物料與常溫物料儲罐、內(nèi)浮頂儲罐與拱頂儲罐、設置氮封儲罐與未設氮封儲罐進行直接連通的現(xiàn)象。儲罐物料火災危險性、硫含量、油氣濃度、氣相空間氧含量等不同都會增加氣相連通罐組相互間的危險。

3.4 罐頂氣去明火設備處理的風險

部分企業(yè)將氣相連通罐組收集的VOCs送往加熱爐、焚燒爐等明火設備進行處理?；鹁?、焚燒爐、蓄熱氧化(RTO)/熱氧化(TO)等都是點火源，控制不當會發(fā)生回火，長管道輸送會促進爆燃轉(zhuǎn)變爆轟，一處發(fā)生火災，爆炸可能快速通過總管蔓延到其他裝置。廢氣控制不當，也對這些裝置設備帶來安全影響。NFPA67《管道系統(tǒng)內(nèi)氣體混合物爆炸防護指南》和NFPA69《爆炸預防系統(tǒng)》中均對罐頂油氣連通后廢氣送往加熱爐等明火設備進行了嚴格的安全規(guī)定[4，5]。

此外，在送往低壓瓦斯時，現(xiàn)場存在的問題包括:未考慮熱值問題，部分流程未設氧含量檢測與安全聯(lián)鎖；氧含量測量采用1oo1，可靠性不滿足安全要求；多數(shù)流程沒有考慮火炬氣大量排放時的倒竄風險。

3.5 管道阻火與管網(wǎng)結(jié)構(gòu)安全設計存在的風險

阻火器是非常關鍵的安全設備，NFPA69中對煉化企業(yè)VOCs治理中需安裝阻火器的位置有明確要求。通過對已經(jīng)實施氣相連通改造的163座罐區(qū)(儲罐總數(shù)1 106座)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，阻火器方面存在如下問題。

a)管道阻火器缺失現(xiàn)象嚴重。部分儲罐氣相支線未按要求安裝管道爆轟性阻火器，已經(jīng)施工和投入運行的項目中，共有399臺儲罐氣相支線上未設阻火器，缺失占比達到36%。

b)管道爆轟型阻火器質(zhì)量存在嚴重問題。已經(jīng)施工和投入運行的罐頂油氣連通項目中，共安裝管道爆轟型阻火器759臺，其中595臺未經(jīng)過實驗認證或未知，只有126臺經(jīng)過認證。阻火器能否有效阻火存疑。

c)阻火器安裝與檢測維護缺乏技術指導標準。管道阻火器的安裝缺乏統(tǒng)一標準。對于管道爆轟型阻火器的安裝應避開非穩(wěn)態(tài)爆轟區(qū)域，防止在管道內(nèi)爆炸時管道阻火器失效。通常儲罐油氣支線上阻火器宜靠近罐頂氣相出口。對于部分儲罐，儲罐強度達不到罐上安裝要求，可安裝在罐下。罐下安裝需要考慮非穩(wěn)態(tài)爆轟位置。由于無技術標準，導致現(xiàn)有罐下安裝阻火器位置不滿足“避開非穩(wěn)態(tài)爆轟臨界處”的安全要求。

ISO16852[6]及NFPA67等要求在役阻火器必須定期維護，但目前國內(nèi)尚無在役阻火器的檢定及維護技術，阻火器安裝后，很少進行檢維修，通常僅在堵塞時進行清洗及吹掃。NFPA67指導意見頒布之前實施的項目，阻火器前后多數(shù)未安裝閥門，無法切出維修；應用于易聚合、結(jié)晶、腐蝕、冷凝堵塞等條件下阻火器，未選用可拆卸式，導致阻火器難以維護。

4 結(jié)論和建議

通過現(xiàn)場調(diào)研與評估、結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)運行情況，對氣相連通罐組存在的安全風險進行了分析。增加氣相連通管線和VOCs治理裝置后，安全風險防控的重點是防止重大群罐火災。

a)加強罐區(qū)VOCs治理源頭控制。揮發(fā)性石油或石油化學品儲罐應在符合安全等相關規(guī)范的前提下，采用壓力罐、低溫罐、高效密封的浮頂罐等措施。當采取源頭控制措施能夠滿足國家和地方的VOCs排放標準時，不建議采用罐頂氣連通收集及集中處理方案，從而降低罐頂連通的安全風險。

b)嚴禁污水池等高含氧、高風險設施與罐區(qū)共用 VOCs收集系統(tǒng)；對氣相連通罐組收集的VOCs通往加熱爐、焚燒爐、工藝爐、TO、RTO等明火設備和全廠性低壓瓦斯系統(tǒng)的工藝應明確要求開展系統(tǒng)風險分析，并開展專項評估，制定安全控制方案。

c)建議從系統(tǒng)安全控制出發(fā)，結(jié)合后續(xù)VOCs處理設施綜合的特點設計安全措施。通過爆炸性氣體控制(分類連通收集、設置高安全性氮封、分布式氧含量檢測)、控制直接連通數(shù)量、大型儲罐增加遠程切斷閥、管道可靠阻火與管網(wǎng)爆炸防護等技術提升罐頂氣連通本質(zhì)安全，從而降低風險。

d)嚴把管道爆轟型阻火器的質(zhì)量關，嚴格執(zhí)行ISO16852的測試技術標準，降低罐頂油氣連通的安全風險。