原油泄壓罐緊急泄壓設施的設計選擇

任洪理 中國石油工程建設公司 北京 100120

原油泄壓罐緊急泄壓設施的設計選擇

任洪理*中國石油工程建設公司 北京 100120

以某原油輸送中泄壓罐泄壓設施為例，采用API國際標準，簡述原油緊急泄放裝置瞬間泄放的計算方法以及設計中原油泄壓罐的泄壓流量最大面積與儲罐頂面積的比值選定。

泄壓罐緊急泄壓口高壓系統

1 概述

緊急泄壓設施是安裝在泄壓罐頂上的空間氣體排放設施。它分為壓力排放式、彈簧載荷式、重力荷載式及標準典型式結構。

在原油管道輸送過程中，泄壓系統方案的選擇至關重要。緊急泄壓口的技術安全分析與選擇、排放終端設施的計算是保證原油管道正常生產操作的關鍵。

原油儲罐操作中有時會出現非正常狀況，如泄壓罐上游調節閥失效、內加熱器損壞或遇到外部火焰都將使儲罐內部超壓，若不采取緊急放空措施，勢必導致儲罐被破壞，甚至造成生產停產或引起火災。因此大型儲罐應設置安全緊急泄壓裝置，以防事故發生。

2 設計原則

(1)合理的工藝系統與配套的安全泄壓方案，采用緊急減緩放空模式達到合理的安全放空等級。

(2)事故狀態下可靠的儲罐緊急放空及安全操作瞬間泄放合理性。

(3)輔助系統配套，設計能力滿足正常生產或事故狀態下需要。

(4)達到節能、消防、安全等規定要求。

3 設計案例

3.1 泄壓系統狀態

某原油管道輸送項目的泄壓系統方案選擇了四個關鍵的泄壓系統，從高壓系統減低到大氣壓力狀態，這是一個完整的泄壓系統的表述，是本文要分析研究的核心，見表1。

表1 泄壓系統狀態

采用泄壓設施的目的是為了將來自上游的高壓原油平穩安全輸送到下游，是保證原油管道系統的操作安全運行的必要措施。

本文重點分析表1中的泄壓系統－2的狀況，研究的復雜泄壓撬系統與泄壓罐為一個系統，泄壓罐的緊急泄壓設施為泄壓系統的末端進入大氣中。

3.2 計算

對緊急泄壓設施的尺寸計算，需要考慮原油本身的性質，本案例做出如下設計計算和分析。

3.2.1 設計參數

按照20%考慮設計余量，在API 2000中一般是不給出的，由設計者根據經驗確定。

泄壓罐介質:原油

罐保溫情況:無保溫

罐外圍尺寸:D 22.5 m

標準高度:H 16.0 m

環境因素:F 1.0

蒸發潛熱:L 1570 kJ/kg

分子量:原油M 178，空氣M(air)28.79

熱效率:Kh 1.16

溫度:T 357°K

壓縮因子:Z 1.0

入口流量壓力:P11.0 bar(G)

出口(返回)壓力:P21.0 bar(G)

大氣壓力1.0138 bar(G)

3.2.2 泄壓系數選擇

泄壓系數的選擇見圖1。

圖1 對使用泄壓系數方法的放空設施測試能力典型限定流率

從圖1中可見，對每個設施的泄壓系數Kp的最適合曲線的絕對壓力比值P2/P1，研究的泄壓系數Kp值曲線均在±5%的曲線范圍內。這個放空設施系數的測試方法，對任何壓力范圍均有效。

特殊設計的泄壓系數Kp由下式計算:

Kp=真實流量/理論流量

泄壓系數的計算方法，適合更多的特殊設計，其設計值與幾何值相似，放空管線設施泄壓系數，按API 2000規定的程序方法進行選擇和計算。

3.2.3 最大放空量

根據API 2000標準規范，對最大放空量按空氣流率參數計算緊急放空口尺寸。按照API 2000表中見3B角標，垂直罐濕潤面積是按罐體殼總面積的計算，即以高9.14m以上為計算依據。

罐表面積A為:

按表2中序列4輸入熱量并計算

表2 熱量輸入關聯式的選擇

儲罐出現火災輻射時最大放空能力理論計算按式(2):

式中，Vr為放空量，Nm3/h(按空氣考慮);Q為輸入熱量對儲罐火災時直接輻射，W。

3.2.4 設計時放空量計算

按超過Vr的20%的考慮設計余量:

式中，Vrf為考慮20%設計余量時的放空量。

泄壓設施的最小面積A，按式(4)計算(均以空氣為介質的測試)

式中，A為設備面積的最小流量，cm2;P1為進入設備的壓力，bar(G);P2為設備出口壓力，bar (G);K為測試介質的特殊熱因子;T為裝置進口的絕對溫度，°K;M為測試介質的分子量;Z為壓縮因子，為評價輸入條件(如果不知道，選擇Z= 1.0)。

3.2.5 緊急泄壓設施選定

根據API2000和項目數據表，根據計算結果，假定按36英寸考慮，則每個泄壓口面積為6567.78 cm2，可選擇2臺緊急泄壓設施。

根據API 2000和項目數據表，考慮特殊工藝方案因素，按安全泄壓方案的緊急減緩放空模式進行選擇，按32英寸考慮，則每個泄壓口面積為5024 cm2，可選擇3臺緊急泄壓設施。

結合工程實際，綜合各種因素并根據計算和分析結果選擇了3臺32英寸緊急泄壓設施。

3.2.6泄壓口面積與泄壓罐頂面積比值

通過計算過程推導分析得到如下結果:

式中，A1為泄壓口面積，m2;A2為泄壓罐錐頂面積，m2。

A1與A2比值為0.38%(1.507/398)。

通過計算選擇和推理得出，泄壓罐的泄壓口流量的最大面積與罐錐頂面積的比值在0.3%～0.5%較為適宜，選值是在API 2000規范內。

4 結語

(1)結合API 2000規范進行全過程分析，對緊急泄壓設施進行的計算選擇，驗證了選擇在規范框架內是安全合理的。

(2)介質為原油時泄壓罐緊急泄壓口規格及數量選擇，按流量面積比值0.3%～0.5%是較為適宜的經驗參數，可供工程設計參考。

1 ERGILGROUP Serving Oil，Gas，Chemical，Petrochemical and Power since 1983，UAE．

2 API standard 2000 FIFTH edition，Venting Atmospheric and Low－Pressure Storage Tanks(Non refrigerated and refrigerated)，April 1998．

3 API standard 620 TENTH edition，Design and Construction of Large，Welded，Low－pressure Storage Tanks，February 2002．

4 任洪理等．大型儲罐雙浮盤無胎架建造方法研究［J］．化工設計．2010，20(6)．

Taking the pressure relief device of a pressure relief tank on the way of crude oil transfer as an example and using API 2000 Standard，this paper briefly describes the calculation method for transient relief of the crude oil emergency relief device as well as the selection of the ratio of the max．vent area to the tank roof area．

Design Evaluation and Analysis on Emergency Pressure Relief Device of Crude Oil Pressure Relief Tanks

Ren Hongli
(China Petroleum Engineering＆Construction Corporation Beijing 100120)

pressure relief tankemergency relief venthigh pressuresystem calculation

*任洪理:高級工程師，注冊化工工程師。1982年畢業于吉林化工學院，1999年獲吉林大學高分子化學與物理專業理學碩士學位。一直從事工程設計工作，發表論文20余篇。聯系電話:(010)58192122。

(修改回稿2012－01－27)