李 倩

（中國紡織科學(xué)研究院有限公司，北京 100025）

1 概述

常低壓儲(chǔ)罐由于物料液位變化、外界環(huán)境溫度發(fā)生波動(dòng)或極端天氣等原因，可能會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐超壓或癟罐，出現(xiàn)這種現(xiàn)象不僅會(huì)導(dǎo)致罐內(nèi)原料和產(chǎn)品的損失，還會(huì)影響生產(chǎn)運(yùn)行，甚至對(duì)于易燃易爆及具有揮發(fā)性的介質(zhì)，更會(huì)發(fā)生安全問題。因此在常低壓儲(chǔ)罐的工藝設(shè)計(jì)中應(yīng)采取一定的安全措施。

本文依據(jù)《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50160—2008，《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及美國石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)《Venting Atmoshperic and Low-pressure Storage Tanks》API STD 2000-2014等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的有關(guān)規(guī)定，結(jié)合現(xiàn)實(shí)工作經(jīng)驗(yàn)，綜合闡述和分析常低壓儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)過程中的安全設(shè)施設(shè)計(jì)[1]。

根據(jù)《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50160—2008中的規(guī)定可知：

低壓儲(chǔ)罐為其設(shè)計(jì)壓力大于6.9kPa且小于0.1MPa（罐頂表壓）的儲(chǔ)罐。

常壓儲(chǔ)罐為其設(shè)計(jì)壓力小于或等于6.9kPa（罐頂表壓）的儲(chǔ)罐[2]。

最常用的就是呼吸閥、氣封系統(tǒng)和緊急泄放系統(tǒng)，以下將分別探討其選用方法及設(shè)計(jì)中需特別注意的問題。

2 呼吸閥

2.1 呼吸閥的設(shè)置

《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 50160—2008中規(guī)定，“甲、乙類液體的固定頂罐應(yīng)設(shè)阻火器和呼吸閥”；同時(shí)《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第5.2.2條中規(guī)定，“采用氣體密封的固定頂罐，應(yīng)設(shè)置事故泄壓設(shè)備。儲(chǔ)存甲、乙、丙A類液體的固定頂罐通向大氣的通氣管上應(yīng)設(shè)呼吸閥”；阻火器與呼吸閥連用可以防止火焰進(jìn)入儲(chǔ)罐，從而避免發(fā)生爆炸。

常低壓儲(chǔ)罐罐頂設(shè)置呼吸閥以保持儲(chǔ)罐內(nèi)外氣壓的平衡，正常工況下呼吸閥關(guān)閉，將儲(chǔ)罐與外界大氣隔絕，降低罐內(nèi)的揮發(fā)損耗；當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)外壓差超過一定范圍之后，呼吸閥開啟，以防止超壓鼓罐或壓低癟罐，確保儲(chǔ)罐免遭破壞。

因此呼吸閥在常低壓儲(chǔ)罐工藝安全設(shè)計(jì)中是不可或缺的。

2.2 呼吸閥的分類

呼吸閥按結(jié)構(gòu)形式分為閥盤式呼吸閥（重力式呼吸閥）和先導(dǎo)式呼吸閥。重力式呼吸閥又分為自重式和彈簧式兩種。

按用途可分為：A呼吸閥；B單呼閥；C單吸閥。目前國內(nèi)大都采用閥盤式呼吸閥，從國外引進(jìn)的裝置中大多采用先導(dǎo)式呼吸閥。

2.3 呼吸閥的設(shè)定壓力及超壓

呼吸閥的壓力范圍需設(shè)定在儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力范圍內(nèi)，并能夠保持儲(chǔ)罐的正常運(yùn)行。在滿足以上原則的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際工藝條件考慮呼吸閥的設(shè)定壓力值，以滿足安全設(shè)計(jì)的要求[3]。

2.4 呼吸量計(jì)算

溫度一定時(shí)，揮發(fā)性液體的飽和蒸汽壓是相應(yīng)確定的，若儲(chǔ)罐呼吸閥設(shè)定的呼出壓力過低，則呼吸閥尺寸增大，頻繁啟動(dòng)導(dǎo)致閥門震動(dòng)、磨損且造成物料損耗、污染環(huán)境；若儲(chǔ)罐呼吸閥設(shè)定的呼出壓力過高，由于呼吸閥本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)導(dǎo)致其有可能會(huì)延遲起跳，導(dǎo)致儲(chǔ)罐承受超壓風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)生鼓罐事故。

呼吸閥的呼吸量主要考慮液體進(jìn)出罐時(shí)的最大液體量和極端天氣所造成的吸入與呼出量，除滿足常規(guī)儲(chǔ)罐的安全防護(hù)要求，還需要考慮事故狀況下的呼吸量，從而確保儲(chǔ)罐的安全。

有關(guān)呼吸量的計(jì)算《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和《Venting Atmoshperic and Low-pressure Storage Tanks》API STD 2000—2014中規(guī)定分別如下：

呼吸閥的正常呼吸量不能小于以下各項(xiàng)的呼出量之和及呼入量之和。

2.4.1 液體出罐時(shí)，最大出液量所造成的氣體吸入量

最大進(jìn)料量：

①《Venting Atmoshperic and Low-pressure Storage Tanks》API STD 2000—2014

儲(chǔ)存溫度小于40℃或飽和蒸汽壓小于5.0kPa的流體，氣體的呼出量等于最大進(jìn)料量，對(duì)于其他易揮發(fā)、高溫物料需要進(jìn)行閃蒸計(jì)算或增加呼出量[4]。

②《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

液體進(jìn)入固定頂儲(chǔ)罐時(shí)所造成的罐內(nèi)液體氣體呼出量，當(dāng)液體閃點(diǎn)（閉口）高于45℃時(shí)，應(yīng)按最大液體量的1.07倍考慮；當(dāng)液體閃點(diǎn)（閉口）低于等于45℃時(shí)，應(yīng)按最大液體量的2.14倍考慮；液體進(jìn)入采用氮?dú)饣蚱渌栊悦芊獗Ｗo(hù)系統(tǒng)的內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐時(shí)所造成的罐內(nèi)氣體呼出量，應(yīng)按最大進(jìn)液量 考慮[5]；

2.4.2 液體進(jìn)罐時(shí)，最大進(jìn)液量所造成的罐內(nèi)液體蒸汽呼出量

氣體吸入量：最大出料量所造成的氣體吸入量，應(yīng)按液體最大出料體積流量考慮；

2.4.3 因極端天氣導(dǎo)致的罐內(nèi)氣體收縮或膨脹而產(chǎn)生的吸入或呼出量

①《Venting Atmoshperic and Low-pressure Storage Tanks》API STD 2000—2014

呼出量計(jì)算公式按公式（1）確定。

式中：

VOT：熱呼出量，m3/h

Y：緯度因子，緯度＜42°，Y=0.32；42°≤緯度≤58°，Y=0.25；緯度＞58°，Y=0.2；VTK：儲(chǔ)罐體積，m3Ri：隔熱因子呼入量計(jì)算公式按公式（2）確定。

式中：

VIT：熱呼入量，m3/h

C：與蒸汽壓、儲(chǔ)罐平均溫度和緯度有關(guān)的因子，具體，如表1所示。

表1 C因子

②《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

對(duì)于因環(huán)境溫度變化所造成的最大熱呼吸量，如表2所示。

表2 儲(chǔ)罐熱呼吸通氣量

2.4.4 呼吸閥的選用

在確定了呼吸量之后，按照氣體流速3~5m/s，通過計(jì)算可以確定呼吸閥進(jìn)出口管徑后，向上圓整，選擇適當(dāng)?shù)拈y門尺寸，當(dāng)一臺(tái)呼吸閥不能滿足儲(chǔ)罐的實(shí)際工況時(shí)，可以設(shè)置多個(gè)呼吸閥。當(dāng)呼吸閥與阻火器連用時(shí)，需要考慮阻火器的壓降[6]。

呼吸閥的選用也要考慮呼吸閥的工作溫度，如果使用地區(qū)最冷月份平均氣溫低于0℃，呼吸閥則必須有防凍措施，以防止呼吸閥的閥盤凍住或堵塞，影響正常使用，從而造成安全問題。

3 氣封系統(tǒng)

氣封系統(tǒng)是一種特殊的控制系統(tǒng)，它可以在無外界動(dòng)力的場所中工作，只需要被調(diào)介質(zhì)自身的能量，操作靈活方便。

一般采用氮?dú)獾榷栊詺怏w或者燃料氣作為氣源，維持儲(chǔ)罐內(nèi)的微正壓，避免外界氣體進(jìn)入罐內(nèi)與原料發(fā)生反應(yīng)，防止容器內(nèi)的物料和空氣直接接觸發(fā)生反應(yīng)，控制物料揮發(fā)、被氧化，保護(hù)儲(chǔ)罐的安全。

需注意氮?dú)夤夤艿慕庸芪恢靡瞬迦牍拗?00mm，進(jìn)而達(dá)到更好的效果。若項(xiàng)目能夠自產(chǎn)燃料氣，也可作為氣封氣源，能有效地降低生產(chǎn)成本。

氮封系統(tǒng)能否正常運(yùn)行的重點(diǎn)是在-0.5~2kPa的壓力確保各個(gè)安全附件之間的壓力范圍不存在交集[7]。氮封閥閥前氣源壓力較高時(shí)，一般要先用自力式調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)至1MPa以下，以提高可靠性。儲(chǔ)罐安全附件壓力間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 儲(chǔ)罐安全附件壓力關(guān)系

氮封系統(tǒng)供氣量應(yīng)大于等于泵抽出罐內(nèi)液體所需補(bǔ)充的氣量與環(huán)境溫變引起的氣體冷凝和收縮所需補(bǔ)充的氣量之和。

環(huán)境溫變引起的氣體冷凝和收縮所需補(bǔ)充的氣量，根據(jù)《Venting Atmoshperic and Low-pressure Storage Tanks》API STD 2000中規(guī)定，對(duì)于容積≥3 180m3的儲(chǔ)罐，每平方米外殼和罐頂表面積每小時(shí)需補(bǔ)充0.6m3氮封氣；對(duì)于容積＜3 180m3的儲(chǔ)罐，每立方米容積每小時(shí)需要補(bǔ)充0.178m3氮封氣。

4 緊急泄放閥

《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規(guī)定，對(duì)于采用氮?dú)饣蚱渌麣夥獾募譈、乙類液體的儲(chǔ)罐還應(yīng)設(shè)置事故泄壓設(shè)備。儲(chǔ)罐的緊急泄放閥是一種事故工況的安全設(shè)施?！禫enting Atmoshperic and Low-pressure Storage Tanks》API STD 2000規(guī)定，所有配有正常尺寸呼吸閥的儲(chǔ)罐必須配裝獨(dú)立的緊急泄放閥。一般下列工況均應(yīng)選用緊急泄放閥。

緊急泄放量的計(jì)算：儲(chǔ)罐的緊急泄放量通常按外部火災(zāi)工況考慮，《Venting Atmoshperic and Low-pressure Storage Tanks》API STD 2000規(guī)定了非冷凍地上儲(chǔ)罐泄放量的計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：

q：儲(chǔ)罐泄放量

Q：暴露在火災(zāi)中的熱量輸入，W；

F：環(huán)境影響因子；

L：液體在泄放壓力下和泄放溫度下的蒸發(fā)潛熱，J/kg

T：泄放蒸汽的絕對(duì)溫度，K；

M：蒸汽泄放的分子量。

其他工況下的緊急泄放量需要根據(jù)情況具體分析和計(jì)算。

5 結(jié)束語

常低壓儲(chǔ)罐的呼吸閥、氣封系統(tǒng)和緊急泄放閥等安全泄放設(shè)施的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足相關(guān)規(guī)范的要求，才能確保儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)安全可靠。呼出量與吸入量的計(jì)算應(yīng)準(zhǔn)確，確定的定壓和超壓值要經(jīng)濟(jì)合理，采用分級(jí)和多重保護(hù)，確保儲(chǔ)罐的系統(tǒng)設(shè)計(jì)安全經(jīng)濟(jì)。