盛 楠

(1.化學(xué)品安全全國重點實驗室,山東青島 266104 2.中石化安全工程研究院有限公司,山東青島 266104)

0 前言

石油是重要的戰(zhàn)略資源,由于其易燃、易爆、易揮發(fā)、易流動的特性,在儲存、運輸、灌裝過程中極易發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故。當(dāng)飽和蒸氣壓較高的原油進入常壓儲罐內(nèi),會閃蒸出大量油氣,如果不采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo措施,儲罐會由于超壓發(fā)生油氣泄漏而引起爆炸。爆炸沖擊波會對周圍事物造成大范圍的破壞,導(dǎo)致環(huán)境污染、人員傷亡和社會財產(chǎn)損失[1]。而當(dāng)環(huán)境溫度降低或原油從儲罐送至其他單元,則會導(dǎo)致儲罐內(nèi)部液面以上的氣相壓力降低,若壓力降低至儲罐設(shè)計負壓值以下,將會發(fā)生癟罐現(xiàn)象[2]。

儲罐工藝流程設(shè)計時,為了降低儲罐超壓和負壓的風(fēng)險,需對儲罐設(shè)置合適的保護設(shè)施。防止超壓的保護措施為油氣排放至火炬、呼吸閥(呼氣)、緊急泄壓人孔;防止負壓的保護措施為充入氮氣氣體[3-4]、安裝呼吸閥(吸氣)。因此,為防止儲罐超壓或癟罐,對儲罐內(nèi)油氣的呼吸量計算尤為重要,是儲罐泄放設(shè)施設(shè)計安裝的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

1 不合格原油處置工況

某油田一期項目以原油為主,預(yù)計2023年底建成,二期項目以伴生氣為主,預(yù)計2024年底建成。本文主要以一期項目為背景進行論述,該項目開采的原油經(jīng)過脫水、脫鹽、穩(wěn)定等工藝處理后,成為合格原油送至原油罐區(qū)。原油罐區(qū)中分別設(shè)置了合格原油儲罐、不合格原油儲罐。其中合格原油經(jīng)外送增壓至末站儲罐,不合格原油儲罐用于接收油田中不同工況下產(chǎn)生的不合格原油,主要工況為:①工況1:正常生產(chǎn)情況下,當(dāng)合格原油儲罐檢修時,合格原油(不揮發(fā)原油)會進入不合格原油儲罐暫存后外送;②工況2:在二期項目建成前,從一期項目穩(wěn)定氣體壓縮機來的凝液會進入不合格儲罐并且閃蒸。在這種工況下,不揮發(fā)流體也會同時進入不合格原油儲罐。二期項目建成后,此凝液會輸送至二期項目進行處理,不再進入不合格原油儲罐;③工況3:在一期項目工藝裝置停電的工況下,裝置無法正常生產(chǎn),二級分離器的操作壓力降低,并將不合格原油送至不合格原油儲罐,此股液體為閃蒸性液體,進入常壓儲罐中會閃蒸出大量油氣;④工況4:當(dāng)二期項目建成后,工況2中的凝液送至二期項目處理后,二期項目的空氣冷卻器產(chǎn)生的凝液也會送至不合格原油儲罐并閃蒸。

待上游裝置有能力處理這部分不合格原油時,如恢復(fù)電力供應(yīng)或裝置處理能力余量可承受不合格原油泵的流量,開啟不合格原油泵,將不合格原油重新送回裝置進行處理。在不合格原油儲罐中經(jīng)過沉降、閃蒸等過程,不合格原油儲罐中的油品可轉(zhuǎn)變?yōu)楹细裨?再使用給油泵增壓至外輸泵后外輸。不合格原油儲罐的處置流程[5]見圖1。

圖1 不合格原油儲罐處置流程

不合格原油在操作溫度下的飽和蒸氣壓為103 kPa(A),傾點為-16 ℃。不合格原油儲罐的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 不合格原油儲罐參數(shù)

為了維持儲罐內(nèi)氣相空間的微正壓(1～3.5 kPa(G)),確定了壓力調(diào)節(jié)方案[6]。

a) 當(dāng)罐內(nèi)氣相壓力降低至1 kPa(G)時,打開補充氮氣管道的調(diào)節(jié)閥A,向罐內(nèi)補充氮氣至氣相壓力上升至1 kPa(G)以上,調(diào)節(jié)閥A關(guān)閉。當(dāng)調(diào)節(jié)閥A失效或者氮氣站故障時,罐內(nèi)氣相壓力繼續(xù)下降至-0.44 kPa(G)時,呼吸閥自動打開吸氣口補充空氣,當(dāng)罐內(nèi)氣相壓力上升至1 kPa(G)以上,呼吸閥自動關(guān)閉吸氣口。

b) 當(dāng)罐內(nèi)氣相壓力升高至3.5 kPa(G)時,打開泄放管網(wǎng)管道的調(diào)節(jié)閥B,將油氣泄放至火炬管網(wǎng),當(dāng)罐內(nèi)氣相壓力降低至3.5 kPa(G)以下,調(diào)節(jié)閥B關(guān)閉。當(dāng)調(diào)節(jié)閥B失效或者火炬故障時,罐內(nèi)氣相壓力繼續(xù)升高至4.5 kPa(G),呼吸閥自動打開呼氣口泄放油氣,當(dāng)罐內(nèi)氣相壓力下降至3.5 kPa(G)以下,呼吸閥自動關(guān)閉呼氣口;此時若呼吸閥呼氣功能失效,罐內(nèi)氣相壓力繼續(xù)升高至5.5 kPa(G),緊急泄壓人孔自動開啟,向大氣中泄放油氣。

綜上所述,泄放保護措施的設(shè)定壓力如表2和表3。

表2 防止負壓措施及設(shè)定壓力 kPa(G)

表3 防止超壓措施及設(shè)定壓力 kPa(G)

綜合壓力調(diào)節(jié)方案,確定原油儲罐負壓、超壓工況調(diào)節(jié)措施及設(shè)定壓力。基于以上參數(shù)作為輸入,計算儲罐泄放尺寸,降低儲罐爆炸風(fēng)險。

2 基于API 2000—2014的儲罐呼吸量計算[7-8]

2.1 由于液體流入而產(chǎn)生的呼氣情況

2.1.1 非揮發(fā)性液體

非揮發(fā)性液體是指蒸氣壓小于或等于5.0 kPa(A)的產(chǎn)品,由于液體灌裝而產(chǎn)生的呼出氣體體積流量計算如式(1)所示。

(1)

式中:vop——正常狀態(tài)下由于液體流入引起的呼出氣體體積流量,m3/h;

P——操作狀態(tài)下的儲存壓力,kPa,取值100.2;

vpf——操作狀態(tài)下的流入最大液體體積流量,m3/h,取值770;

T——操作狀態(tài)下的儲存溫度,K,取值340;

T0——正常狀態(tài)下的溫度,K,取值273.15;

P0——正常狀態(tài)下的壓力,kPa(A),取值100.2。

經(jīng)計算,vop為643 m3/h。

2.1.2 閃蒸性液體

閃蒸性液體進入儲罐導(dǎo)致的排氣量比液體流入引起呼出氣體體積流量高出很多倍。當(dāng)進入儲罐的液體的蒸氣壓力大于儲罐內(nèi)部的操作壓力時,就會發(fā)生閃蒸。由于溶解氣體(例如石油混合的甲烷)的存在或者液體在高溫情況下會閃蒸的產(chǎn)品,需進行平衡閃蒸計算,從而增加呼出排氣量。考慮到閃蒸并未對進入儲罐的液相體積流量有太大改變,正常狀態(tài)下由于液體流入引起的呼出氣體體積流量(式(2)),與非揮發(fā)性液體流量相同,為643 m3/h。閃蒸氣量可根據(jù)油氣加工模擬軟件HYSYS V11模擬。

(2)

式中:vev——正常狀態(tài)下閃蒸引起的呼出氣體體積流量,通過HYSYS V11模擬計算,7 602 m3/h。

2.2 液體流出產(chǎn)生的吸氣情況

考慮儲罐最大特定的排液能力而引起的吸氣情況應(yīng)按式(3)計算。

(3)

式中:vip——正常狀態(tài)下由于液體流出引起的吸入氣體體積流量,m3/h;

P——操作狀態(tài)下的儲存壓力,kPa(A);

vpe——操作狀態(tài)下的流出最大液體體積流量,m3/h,取值770。

T,T0,P0分別取343 K,273.15 K,100.2 kPa(A)。

經(jīng)計算,vip為613 m3/h。

2.3 熱效應(yīng)產(chǎn)生的呼(吸)氣情況

2.3.1 儲罐所在緯度引起的影響系數(shù)

儲罐所在緯度引起的影響系數(shù)計算公式如式(4)所示。

(4)

式中:Y——緯度影響系數(shù);

La——儲罐所在維度。

項目所在地緯度低于42°,故Y影響系數(shù)為0.32。

2.3.2 儲罐保溫引起的折減系數(shù)(Ri)

當(dāng)儲罐不使用絕緣時,Ri=1。對于全部保溫的儲罐,Ri=Rin。

由于罐頂保溫易積的雨水會破壞保溫結(jié)構(gòu),并且罐頂保溫對立式儲罐保溫的作用不大,故本文的不合格原油儲罐采用罐壁保溫、罐頂不保溫的方式,折減系數(shù)按式(5)計算。

(5)

式中:Rin——儲罐全部保溫折減系數(shù);

hin——儲罐內(nèi)部傳熱系數(shù),W/(m2·K),取值4;

lin——儲罐保溫厚度,m,取值0.04;

λin——保溫材料導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K),取值0.045。

經(jīng)計算,Rin為0.22。

對于部分保溫的儲罐,Ri=Rinp,可根據(jù)式(6)計算。

(6)

式中:Rinp——部分保溫的儲罐的折減系數(shù);

Ainp——儲罐的保溫面積,m2;

Atts——儲罐的全部面積,罐頂與罐壁面積之和,m2。

其中:

Ainp=π×D×H

(7)

Atts=π×D×H+2π×R×Hg

(8)

式中:D——儲罐直徑,m,取值30;

H——儲罐高度,m,取值15.84;

R——封頭的曲率半徑,m,取值36;

Hg——封頭高度,m,取值3.3。

經(jīng)計算,Ainp為1 493 m2,Atts為2 255 m2,Rinp為0.48。

2.3.3 由于熱效應(yīng)而產(chǎn)生的呼氣量

由于熱效應(yīng)而產(chǎn)生的呼氣量由式(9)計算。

(9)

式中:vot——正常狀態(tài)下,由于熱效應(yīng)而產(chǎn)生的呼氣情況,m3/h;

D——儲罐直徑,m,取值30;

H——儲罐高度,m,取值15.84;

Ri——儲罐保溫折減系數(shù),取值0.48;

Y——由于緯度而產(chǎn)生的影響系數(shù),取值0.32。

經(jīng)計算,vot為677 m3/h。

2.3.4 由于熱效應(yīng)而產(chǎn)生的吸氣量

由于熱效應(yīng)而產(chǎn)生的吸氣量由式(10)計算。

(10)

式中:vit——正常狀態(tài)下,由于熱效應(yīng)而產(chǎn)生的吸氣情況,m3/h;

C——由蒸氣壓力、儲存平均溫度和緯度決定的系數(shù),已知己烷在60 ℃時飽和蒸氣壓為76.36 kPa(A),項目所在地緯度低于42°,按原油儲存溫度大于25 ℃,通過API 2000—2014可選值6.5。

經(jīng)計算,vit為2 129 m3/h。

2.4 吸氣量與呼氣量的總量計算

2.4.1 單罐最大呼氣容積流量

單罐最大呼氣容積流量計算如式(11)所示。

vobn=vop+vot

(11)

式中:vobn——正常狀態(tài)下,單罐最大呼氣容積流量,m3/h;

vop——正常狀態(tài)下,由于液體流入引起的呼出氣體體積流量,m3/h;

vot——正常狀態(tài)下,由于熱效應(yīng)引起的呼出氣體體積流量,m3/h,取值677;

由于停電工況(工況3)為突發(fā)狀況,事故原油快速、大量地進入不合格原油儲罐,在不考慮熱效應(yīng)引起的呼氣量條件下,呼氣量(除火災(zāi))為閃蒸氣量與不揮發(fā)氣體進入儲罐的流量之和,經(jīng)計算,vobn為8 245 m3/h。

2.4.2 單罐最大正常吸氣容積流量

單罐最大正常吸氣容積流量計算如式(12)所示。

vibn=vip+vit

(12)

式中:vibn——正常狀態(tài)下,單罐最大吸氣容積流量,m3/h;

vip——正常狀態(tài)下,由于液體流出引起的呼出氣體體積流量,m3/h,取值613;

vit——正常狀態(tài)下,由于熱效應(yīng)引起的吸氣體體積流量,m3/h,取值2 129。

經(jīng)計算,vibn為2 742 m3/h。

2.5 發(fā)生外部火災(zāi)時所需的排氣流量(緊急通風(fēng))

當(dāng)罐體不具有薄弱的頂板-罐殼結(jié)構(gòu),發(fā)生火災(zāi)時的罐體所需的排氣流量用式(13)計算。

(13)

式中:q——正常狀態(tài)下,發(fā)生外部火災(zāi)時所需的排氣流量,m3/h;

Q——外部火災(zāi)對罐傳入的熱量,W;

F——環(huán)境影響系數(shù),通過API 2000中表8可知,此處采用非冷藏、地上儲罐的系數(shù)取值1;

L——儲罐內(nèi)液體在泄放壓力和溫度下的氣化潛熱,由于L越小,所計算的火災(zāi)時排氣量越大,基于4種工況,工況3的液體氣化潛熱最小,為474 900 J/kg;

M——流體的摩爾質(zhì)量;

T——泄放壓力下的絕對溫度,308 K。

儲罐濕潤面積(ATWS)可由式(14)計算。

ATWS=π×D×HTWS

(14)

式中:D——儲罐直徑,m,取值30;

HTWS——儲罐的濕潤高度,m,取值8.14。

由API 2000可知,對于立式儲罐,9.14 m高度以下的儲罐總表面積為濕潤面積。對于安裝在地面上的立式儲罐,儲罐底板的面積不包括在濕潤面積之內(nèi)。本實例中拱頂罐下為混凝土基礎(chǔ),高度1 m,故濕潤高度HTWS為8.14 m。經(jīng)計算,儲罐濕潤面積ATWS為767 m2。查表4可得外部火災(zāi)對罐傳入的熱量Q為4 129 700 W。

表4 外部火災(zāi)對罐傳入的熱量(Q)

經(jīng)計算,發(fā)生外部火災(zāi)時所需的排氣流量為17 716 m3/h。

最大呼氣量為流入不揮發(fā)液體量加上工況3的閃蒸氣量,為643+7 602=8 245 m3/h。此工況為停電工況,故不考慮熱呼吸引起的呼氣流量。

最大吸氣量為由于流出液體而引起的吸氣流量加上由于熱呼吸而引起的吸氣流量,為613+2 129=2 742 m3/h。

儲罐外部火災(zāi)工況單獨考慮,呼氣流量為17 716 m3/h。

綜上所述,儲罐的呼吸流量見表5～表7。

表5 儲罐呼氣流量 m3/h

表6 儲罐吸氣流量 m3/h

表7 外部火災(zāi)引起的呼氣流量

2.6 要求的有效呼(吸)氣面積

泄放設(shè)備對保護儲罐十分重要,有效呼(吸)氣面積又是其中最重要的參數(shù),因此根據(jù)呼(吸)氣量可計算出泄放油氣的設(shè)備的有效面積,從而利于對泄放設(shè)備進一步設(shè)計。有效呼(吸)氣面積可根據(jù)式(15)計算。

q′=125.15×pi×Aeff×

(15)

式中:q′——在正常狀態(tài)下,呼(吸)氣的流量,m3/h;

pi——壓力泄放設(shè)備的入口絕對壓力,kPa(A);

po——壓力泄放設(shè)備的出口絕對壓力,kPa(A);

Ti——壓力泄放設(shè)備的入口溫度,K;

Aeff——有效呼(吸)氣面積,cm2;

M——流體的摩爾質(zhì)量;

Zi——流體的壓縮系數(shù);

k——流體的比熱比。

a) 當(dāng)去火炬的氣體管道故障時,最大呼出氣體流量通過呼吸閥排出,假設(shè)儲罐頂設(shè)置2臺呼吸閥,每臺呼吸閥的呼氣流量為(最大呼出氣體流量×1.1)÷2=4 550 m3/h。經(jīng)計算,可得呼吸閥呼氣的有效面積,見表8。

表8 呼氣、吸氣情況下呼吸閥的設(shè)計參數(shù)

b) 當(dāng)儲罐內(nèi)的氣相空間壓力降低,應(yīng)充入氮氣氣體實現(xiàn)儲罐的微正壓。當(dāng)?shù)獨夤艿拦收蠒r,最大吸入氣體流量通過呼吸閥進入儲罐,假設(shè)儲罐頂設(shè)置2臺呼吸閥,每臺呼吸閥的呼氣流量為(最大吸入氣體流量×1.1)÷2=1 510 m3/h。經(jīng)計算,可得呼吸閥吸氣的有效面積,見表8。

綜上,呼氣、吸氣有效流通面積分別為225.48,227.2 cm2,因此初選呼吸閥為2臺,規(guī)格為DN250。還需根據(jù)廠家的實際制作情況來決定呼吸閥的規(guī)格,此呼吸閥應(yīng)為爆燃阻火器。

c) 當(dāng)發(fā)生外部火災(zāi)時,儲罐內(nèi)的液體產(chǎn)生大量氣體,導(dǎo)致氣相空間壓力急劇升高,此時應(yīng)利用緊急泄壓人孔泄壓。每臺呼吸閥的呼氣流量為(火災(zāi)情況下呼出氣體流量×1.1)÷2=19 490 m3/h。經(jīng)計算,可得緊急泄壓人孔呼氣的有效面積,見表9。

表9 呼氣情況下緊急泄壓人孔的設(shè)計參數(shù)

綜上,呼氣有效流通面積為920.8 cm2,初選緊急泄壓人孔為1臺,規(guī)格為DN600。還需根據(jù)廠家的實際制作情況來決定緊急泄壓人孔的規(guī)格。

3 基于SH/T 3007—2014計算儲罐呼吸量計算[9-10]

3.1 儲罐呼吸量

根據(jù)SH/T 3007—2014《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》可計算出儲罐由于液體的進出及大氣環(huán)境影響,引起儲罐呼氣及吸氣的流量。

3.1.1 液體流出、熱呼吸引起的吸氣情況

液體流出儲罐時會使得密封氣進入儲罐,保證儲罐氣相空間的微正壓(約102 kPa(A))。

V液出=770 m3/h,換算成正常狀態(tài)為643 m3/h。由于熱呼吸使得儲罐吸氣的流量V熱吸為1 210 m3/h,故,V吸=V液出+V熱吸=1 853 m3/h。

3.1.2 液體流入、熱呼吸引起的呼氣情況

液體流入儲罐時會使得儲罐向外呼氣,原油閃點小于45 ℃,為進液量選取一定的系數(shù)。V呼=2.14×V液進=2.14×770=1 650 m3/h。換算成正常狀態(tài)為1 340 m3/h。由規(guī)范SH/T 3007中表5.1.6可知,由于熱呼吸使得儲罐呼氣的流量為1 210 m3/h。故,V呼=V液進+V熱吸+V閃蒸=4 200 m3/h。

3.1.3 儲罐外部火災(zāi)情況

SH/T 3007中僅對采用氮氣等惰性氣體保護的儲罐進行規(guī)定,在罐頂設(shè)置直徑不小于500 mm的緊急泄壓人孔,即緊急泄壓人孔的面積不小于0.2 m2,并未對火災(zāi)情況下的排氣量進行說明。

3.2 呼吸閥的規(guī)格與數(shù)量

通過SH/T 3007—2014中第5.1.7節(jié)可知,應(yīng)按照呼吸閥通氣量曲線來選定呼吸閥。在缺少呼吸閥通氣量曲線時,10 000 m3的儲罐設(shè)置有阻火器的呼吸閥2臺,規(guī)格為DN300。

4 結(jié)果與討論

4.1 結(jié)果

綜上所述,得出吸入量:2 742 m3/h(API 2000),1 853 m3/h(SH/T 3007);呼出量:8 245 m3/h(API 2000),4 200 m3/h(SH/T 3007);火災(zāi)呼出量:17 716 m3/h(API 2000),SH/T 3007:選擇不小于DN500的緊急泄壓人孔。

4.2 討論

a) 通過對比可知,API 2000—2014計算較為詳細,考慮了儲罐保溫、儲罐所在緯度、儲罐基礎(chǔ)高度等因素,但是可能會忽略其它因素。SH/T 3007—2014計算較為快速、簡潔,但是計算出的數(shù)據(jù)較為粗略。

b) 對比呼吸量,API 2000的計算過程中考慮了儲罐所在緯度、液體儲存溫度及氣化潛熱、儲罐的尺寸、儲罐保溫程度、液體的飽和蒸氣壓等因素,并對項目不同工況、火災(zāi)情況進行了詳細的計算。在呼氣量中,SH/T 3007中未對閃蒸液體進行說明,故在此方面會有遺漏,但是根據(jù)此標準中表格選擇,可直接選出2臺DN300的呼吸閥,在實際項目中是可以應(yīng)用的。API 2000不會遺漏引起儲罐呼吸的各種因素,而SH/T 3007更傾向經(jīng)驗取值。

c) 儲罐通過氮封可保證罐內(nèi)可燃氣體濃度處于爆炸極限之外,降低了儲罐燃爆的風(fēng)險。通過將油氣排入火炬系統(tǒng)燃燒,可避免直接將油氣排入大氣,環(huán)境效益顯著。氮封與排入火炬的合理運用,均可實現(xiàn)儲罐內(nèi)維持微正壓的狀態(tài),使儲罐得到合理的使用。呼吸閥、緊急泄壓人孔是儲罐的重要泄壓設(shè)施,應(yīng)該與氮封、排入火炬等措施有機結(jié)合,才可有效保護儲罐,保障安全。