储罐氮封设计改进

张　烨

(金凌石化工程设计有限公司，江苏　南京　210042)



储罐氮封设计改进

张烨

(金凌石化工程设计有限公司，江苏南京210042)

氮封流程是目前储罐工艺设计的常用流程，用于密闭储罐气相空间，隔绝有害气体溢出，在储运化工领域得到了普遍的应用。氮封可有效提高我国石化企业库区节能环保工业水平。在现主流设计思路，氮封流程由机械式调节阀控制，对于储罐气相流程目前并没有良好的水力计算依据及流程参考参数。这些问题将导致氮封设计无理可依，并可能造成重大安全事故。本文将对上述问题进行阐述，通过分析水力模型给予改进性意见。

氮封；化工；储运

含硫原油加工过程中不可避免地产生一定的硫化氢及有机硫化物等恶臭气体，这些恶臭气体大量存在于污油储罐的气相空间内。硫化氢是强烈的神经毒物，侵入人体的主要途径是吸入，极高浓度的硫化氢可在数秒之内致人突然昏迷，呼吸心跳骤停，发生闪电型死亡，高浓度接触眼结膜会发生水肿和角膜溃疡，而低浓度长期接触，会引起神经衰弱综合症和植物神经功能紊乱等。罐顶气内还含有大量的挥发性烃类，其就地排放，随处扩散，高温季节更盛，这种高浓度的烃类蒸汽与空气可形成爆炸性混合物，遇到人体释放的静电、雷电产生的火花或其他明火、高热极易燃烧爆炸。并且油气污染对职工及其周围居民的身体健康也会造成一定伤害。

随着人们对周围环境空气质量要求的进一步提高，国家、地方环保污染控制指标日趋严格，国家发展和改革委员会与2011年03月27日根据《国务院关于发布实施<促进产业结构调整暂行规定>的决定》(国发〔2005〕40号)发布了《产业结构调整指导目录(2011年本)》，按行业分为鼓励类、限制类和淘汰类。其中石油储运设施挥发油气回收技术开发与应用的项目被列为鼓励类项目。

而储罐油气回收系统须需要完全封闭储罐气相空间，为保证储罐在正常运行过程中不吸进空气，防止形成爆炸性气体。

1　氮封设计的现状

根据《中国石油化工股份有限公司炼油轻质油储罐安全运行指导意见(试行)》3.7.1.2条加工高硫、含硫原油的企业，储存含有直馏石脑油组分的内浮顶储罐应采用氮封措施，而现行国家规范，并未对氮封系统管路提出明确的设计公式依据。根据《石油化工储罐系统罐区设计规范》中5.1.6条储罐呼吸阀通气量不得小于下列各项的呼出量与吸入量之和：①液体出罐是所造成的罐内液体气体呼出量；②液体进入固定顶储罐是造成的罐内液体气体呼出量；③因大气最大温降导致罐内气体收缩所造成储罐吸入的空气量和因大气温升温降导致罐内气体膨胀而呼出的气体[1]。故若要保证储罐气相空间封闭，必须考虑《石油化工储罐系统罐区设计规范》中呼吸阀所规定的通气量。由此得出，储罐气相空间通气量较高，大于原本设计的储罐液体进出量。而现行规范中对氮封设计的管径，参考流程没有详细的规定，导致不少储罐改造后存在储罐氮气供给量不足，造成储罐负压及气相空间氧气含量偏高等安全隐患。

2　氮封管道水力计算

按以下实例来说明氮气供给量不足的原因：

南京某石化罐区以一个5000 m3储罐为例，氮封管道公称直径为DN80、壁厚为5 mm，储罐出料量为320 m3。氮封阀为自力式调节阀。在储罐上设置氮封系统，维持罐内气相空间压力在1.0 kPa左右，当气相空间压力高于1.4 kPa时，氮封阀关闭，停止氮气供应；当气相空间压力低于0.8 kPa时，氮封阀开启，开始补充氮气。

由于氮气为可压缩流体，同时氮气流动时与管道有充分的热交换，故可以按国际上的标准都采用的等温方程式[2]:

式中：f——水力摩擦系数

L——管道当量长度，m

d——管道内径,m

Ma——管道出口马赫数

p1——管道入口压力(绝压)，kPa

p2——管道出口压力(绝压)，kPa

其中马赫数及水力摩擦系数:

式中：qm——气体质量流量,kg/h

Z——气体压缩系数，取相对分段计算的平均值

T——气体的温度,K

k——气体的绝热指数

M——气体的平均分子量

式中：e——管道绝对粗糙度,m

Re——雷诺数

如果调节阀安装于罐底，根据储罐高度及弯头个数推算出管道当量长度为25 m，管道背压为氮封压力1.0 kPa；因此根据公式计算得出调节阀背压的压力曲线

图1　调节阀背压压力曲线

仅仅在储罐出料时，氮封阀后需要维持2.34 kPa，这个压力比氮封压力高1.34 kPa，甚至高于低压普通储罐的设计压力，使得起调节作用的自力式调节阀根本无法设置适当的阀后压力，若调节阀按储罐设计压力1.96 kPa[3]设置调节压力，氮封管道的流量为245 Nm3/h，这样储罐的气相空间将会吸入大量空气，这对于老旧储罐来说将存在硫化亚铁自燃的隐患。同时如果遇到恶劣性天气，大气极端温降时，储罐将直接出憋压事故。

如果调节阀安装于罐顶，根据弯头个数推算出管道当量长度为3 m，同样根据公式得出调节阀背压的压力曲线。

图2　调节阀背压压力曲线

而这种安装方式氮封管道的压力曲线较平缓，但根据《石油化工储罐系统罐区设计规范》储罐因大气最大温降导致罐内气体收缩所造成储罐吸入的空气量来看，5000 m3的储罐，吸入量为787 m3/h(温度下流量)[1]，氮封阀阀后需要维持1.86 kPa 超过储罐呼吸阀的设定压力。导致呼吸阀频繁工作，不仅，浪费大量氮气资源减少氮封的经济效益，同时影响周围环境的空气质量，损害企业形象。

从上述计算可以看出，调节阀定压，很难设定。而对需要改造的旧储罐，外部空气是否会进入储罐也是个不小的问题。在某些旧储罐改造后，由于担心储罐会吸入空气，造成自燃的危险，使用方会在储罐设置在线含氧分析仪[5]，监控储罐气相空间的含氧量。这样使储罐改造的成本上升，影响储罐改造的经济效益。

3　存在问题及传统的方案

如果我们从另外一个角度来审核管道水力模型，校核管道的流通量，我们仍然使用上一个例子，调节阀安装于罐底，但调节阀采取全开状态，根据储罐高度、弯头个数及阀门阻力推算出管道当量长度为60 m，管道背压仍然1 kPa，而管道氮气压力为600 kPa，通过公式计算可得出管道的流通流量超过8000 Nm3/h。由此可看出，管道的流通潜力很大，而且完全可以满足储罐氮封的完全密闭要求。因此可看出氮封氮气供量不足的主要原因就是由于氮封管道在设计中，调节阀由其背压控制，这等同于将氮封压力与调节阀阀后背压设为一个数值。由此使得氮封调节阀后的氮封管道压降过低，无法获得较大的流量通过时的压降需求。若想加大管道流通流量，就需要加大氮封调节阀阀后背压，但是过大的氮封调节阀阀后背压，无法满足在储罐设计压力或其气相空间静止时的密闭要求。

如果调节阀压力可以自我调节，则问题可以迎刃而解。在普通的设计思路是使用全自动化仪表控制。在储罐罐顶设置电子压力信号仪表，监控采集储罐气相空间压力值。再将压力信号通过系统组态，反馈给储罐自动化调节阀，控制氮气供给量[4]。而此类设计思路，对自动化仪表的要求较高，同时需要较高的成本。故一些库区为了节约成本采取多储罐统一供氮，并设置平衡线及缓冲罐。而这类的设计方案，并不能完全缓解储罐的供氮问题，反而会增加仪表组态时的难度，且也使的储罐气相增加了一路联通管道，不利于储罐在火灾情况下与事故罐的隔离。

4　改进建议

在《中国石油化工股份有限公司炼油轻质油储罐安全运行指导意见(试行)》附件的氮封设计推荐中提出，储罐在储罐罐顶增加氮气接入口和引压口。此条可以很大程度上解决上述问题。如果氮封调节阀的引压管道由储罐气相空间引出，调节阀的控制开度就可以由储罐气相压力确定，调节阀阀后氮气管道为动态平衡系统，管道背压控制管道流量。当气相空间通气量加大时，罐顶气相压力下降，氮封管道调节阀开启开始提供氮气，若氮气流量不足时，罐顶气相压力会持续下降使调节阀减小调节量，直至氮气管道流量与气相空间通气量相等；当气相空间通气量减小并趋于静止时，罐顶气相压力上升，氮封管道调节阀逐渐关闭减少氮气供应，直至氮封管道调节阀阀后背压与储罐气相空间压力相同。这样工艺流程设计，可以尽可能减少氮气浪费，同时满足储罐设计压力及其气相空间静止时的密闭要求。这类设计方案在实施时，对于改造库区可以利用现有的机械自力式调节阀，只需在将罐顶增加一个取压口引入调节阀，并适当调整调节阀的安装位置，使调节阀后管道压力曲线趋于平缓，减少压力传播延迟即可。对于新建的库区可以在每个储罐上均设置机械自力式调节阀，减少罐区储罐的电子压力信号仪表。从而降低库区设计成本，提高库区改造及建设的经济效益。

5　结　论

对于氮封管道来说，氮封管道的水力压降对于储罐的设计压力数值来说，不能忽略且是一个会根据工况条件而变化的数值。故单纯的维持氮封压力的机械式调节阀无法满足储罐运行的通气量需求。因此设计氮封流程时，机械式氮封调节阀的引压管道可以由罐顶取压口接入，这样调节阀的工作状态可以和储罐运行状态相关联，根据储罐运行时的通气量改变氮封调节阀的工作状态，才能保证储罐在一定密闭条件下的储罐气相空间的供气平衡。

[1]中华人民共和国工业和信息化部 SH/T3007-2014 石油化工储运系统罐区设计规范.中国石化出版社,2015.

[2]中华人民共和国工业和信息化部 SH3009-2013石油化工可燃性气体排放系统设计规范.中国石化出版社,2014.

[3]中华人民共和国建设部 GB50341-2014立式圆筒形钢制焊接油罐设计规范.中国计划出版社,2015.

[4]王风军.氮封技术在轻质油储罐中的应用.科技风,2009(15):164.

[5]王宴.内浮顶轻污油罐氮封系统改造.中国化工贸易,2015(17):150.

Improved Design of Nitrogen Sealed Tank

ZHANG Ye

(Jinling Petrochemical Engineering Co.,Ltd.,Jiangsu Nanjing 210042,China)

Nitrogen sealing process is the common process of storage tank design.It is widely used in the field of storage and transportation of chemical industry,which is used to seal the gas phase space and to isolate the harmful gas.Nitrogen sealing can effectively improve the level of energy saving and environmental protection industry in the reservoir area of China’s petrochemical enterprises.In the current mainstream design ideas,nitrogen sealing process by mechanical valve control for tank gas phase process there is no good hydraulic calculation basis and process parameters for reference.These problems will lead to unreasonable design of nitrogen sealing laws,and may cause major accidents.The above problems were elaborated on,through the analysis of the hydraulic model,some opinions were given.

nitrogen; chemical storage; transportation

张烨(1988-)，男，助理工程师，本科学历，现从事油气储运设计工作。

TQ062+.2

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1001-9677(2016)011-0193-03