海上平臺(tái)儲(chǔ)罐呼吸系統(tǒng)通氣量計(jì)算研究

郭健

摘 要 本文通過對(duì)不同規(guī)范中儲(chǔ)罐呼吸系統(tǒng)通氣量計(jì)算方法進(jìn)行分析，以埕島油田EDC DPB平臺(tái)開排罐呼吸系統(tǒng)計(jì)算為例，闡明了在實(shí)際工程中，尤其是海上平臺(tái)小型儲(chǔ)罐呼吸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，計(jì)算儲(chǔ)罐緊急通氣量的重要性。

關(guān)鍵詞 儲(chǔ)罐；安全；呼吸系統(tǒng)；正常通氣量；緊急通氣量

1、前言

為了保證儲(chǔ)罐的安全生產(chǎn)和各項(xiàng)作業(yè)的正常操作，儲(chǔ)罐在設(shè)計(jì)和安裝過程中，必須配置完善的儲(chǔ)罐附件。同時(shí)對(duì)防火安全問題也應(yīng)高度重視。據(jù)統(tǒng)計(jì)，石化行業(yè)發(fā)生的火災(zāi)中因儲(chǔ)罐引起的火災(zāi)最多，造成的損失也最大。儲(chǔ)罐的防火安全性大小主要取決于儲(chǔ)罐內(nèi)油氣空間的大小，油氣空間越大，越容易形成易爆的混合氣體。由于儲(chǔ)罐通氣，必然產(chǎn)生石油和石油產(chǎn)品的蒸發(fā)損耗和儲(chǔ)罐通氣時(shí)的安全問題。儲(chǔ)罐呼吸系統(tǒng)就是針對(duì)這兩個(gè)問題而設(shè)置的[1]。儲(chǔ)罐呼吸系統(tǒng)是控制儲(chǔ)罐大小呼吸的專用附屬設(shè)備，可以保護(hù)儲(chǔ)罐在超壓或超真空時(shí)免遭損壞，它主要由通氣管、呼吸閥、阻火器等組成，通常安裝于儲(chǔ)罐通氣管路上。只有選用合適的油罐呼吸系統(tǒng)，同時(shí)正確的對(duì)油罐呼吸系統(tǒng)加以檢查和維護(hù)，使之正常處于良好狀態(tài)，才能為整套油罐系統(tǒng)提供可靠的安全保證。

2、儲(chǔ)罐呼吸系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范分析

正確計(jì)算儲(chǔ)罐通氣量是設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐呼吸系統(tǒng)的前提。我國標(biāo)準(zhǔn)SH/T 3007-2007《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]和美國API Std2000《常壓及低壓通氣儲(chǔ)罐》中對(duì)儲(chǔ)罐的通氣都有一定的要求，儲(chǔ)罐正常通氣所需通氣量（以下稱為正常通氣量）一般由下列條件確定：1）儲(chǔ)罐在最大出液量時(shí)的吸氣量；2）在氣溫降至最低時(shí)，罐內(nèi)氣體收縮時(shí)的吸氣量；3）儲(chǔ)罐在最大進(jìn)液量時(shí)，又在罐內(nèi)最大蒸發(fā)時(shí)的呼出量；4）在氣溫升至最高時(shí)，罐內(nèi)液體膨脹和蒸發(fā)時(shí)的呼出量。除此之外，API Std2000還規(guī)定了一種緊急情況下的呼出量，即由于外部發(fā)生火災(zāi)，儲(chǔ)罐吸收外部火源來的熱量而造成液體汽化以及氣體膨脹，導(dǎo)致的通氣量，以下稱為緊急通氣量。緊急通風(fēng)能力是任何儲(chǔ)罐的最大通風(fēng)要求。任何壓力容器或帶壓設(shè)備，在處理或加工易燃液體或氣體的生產(chǎn)平臺(tái)上，在其使用期間內(nèi)都可能受熱，即使容器內(nèi)介質(zhì)不易燃燒，這種危險(xiǎn)依然存在。當(dāng)含油烴類液體的容器暴露在周圍明火時(shí)，容器將吸引熱量。如果這種吸熱持續(xù)到足夠長的時(shí)間，容器內(nèi)壓力將上升，若不進(jìn)行緊急通氣放空，罐內(nèi)壓力超過其設(shè)計(jì)壓力，從而引起容器內(nèi)出現(xiàn)應(yīng)力破壞。

陸上儲(chǔ)罐通氣放空一般選擇在通氣口位置就近排放至大氣中，且設(shè)有事故泄壓設(shè)備，緊急通氣量造成的管路及阻火器損失影響較小。但對(duì)于海上通氣放空，根據(jù)《海上固定平臺(tái)安全規(guī)則》[4]規(guī)定，通常來自壓力低的釋放源，且通常是間歇釋放源，需要在一個(gè)安全位置排放至大氣中。由于海上平臺(tái)設(shè)施布局緊湊，儲(chǔ)存易燃物品的設(shè)備通常被集中布置，安全排放點(diǎn)一般距離儲(chǔ)罐較遠(yuǎn)，常需要由管路接至排放點(diǎn)，且開排罐、柴油罐之類的小型常壓低壓儲(chǔ)罐上一般不設(shè)置安全泄壓裝置，緊急通氣量將全部通過通氣管路進(jìn)行排放。因此，若通氣管路及阻火器按照正常通氣量進(jìn)行確定，則放空開口可能不適合處理緊急通氣排放，導(dǎo)致罐中氣體無法排出，影響儲(chǔ)罐安全。以埕島油田EDC DPB平臺(tái)用開排罐為例，進(jìn)行通氣量計(jì)算，來分析采用正常通氣量與緊急通氣量計(jì)算的區(qū)別。

3、儲(chǔ)罐通氣量計(jì)算應(yīng)用舉例

以下均根據(jù)美國API Std2000《常壓及低壓通氣儲(chǔ)罐》[2]標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。1）正常通氣量計(jì)算。

① 吸氣量計(jì)算（液體移動(dòng)的吸氣量和熱效應(yīng)產(chǎn)生的通氣量之和）a）液體移動(dòng)產(chǎn)生的吸氣量計(jì)算。

吸氣量Q1=0.94q1=33GPM=264SCFHair（見API Std2000表1） 儲(chǔ)罐最大出液量按開排泵排量考慮，DPB平臺(tái)共設(shè)有1臺(tái)開排泵，q1=35GPM；b）熱效應(yīng)產(chǎn)生的通氣量計(jì)算。開排罐尺寸：17ft（長）×6ft（寬）×5ft（高）；根據(jù)API Std 2000 表2，吸氣量在數(shù)量上等于儲(chǔ)罐容積，開排罐容積V=17×6×5=510ft3=91bbl，則熱效應(yīng)產(chǎn)生的吸氣量Q2為91SCFHair。因此吸氣量Q3=Q1+Q2=281+91=355SCFHair；② 呼出量計(jì)算（液體移動(dòng)的呼出量和熱效應(yīng)產(chǎn)生的通氣量之和）。a）液體移動(dòng)產(chǎn)生的呼出量計(jì)算。呼出量Q4=1.01q2=154GPM=1232SCFHair（見表1）。 儲(chǔ)罐在最大進(jìn)液量按甲板收集的含油雨水量及撬塊排水量考慮，q2=152GPM；b）熱效應(yīng)產(chǎn)生的通氣量，同吸氣量計(jì)算，Q5=91SCFHair。因此呼出量Q6=Q4+Q5=1232+91=1323SCFHair。

2）緊急通氣量計(jì)算。儲(chǔ)罐緊急通氣量應(yīng)按下式計(jì)算：SCFH =3.091×（QF/L）×（T/M）1/2=95362 SCFHair；SCFH = 放空要求， 標(biāo)準(zhǔn)立方英尺空氣/小時(shí)；A = 罐的潤濕表面， 用ft2表示；潤濕面積等于到地上高度為30ft（9.14m）那部分立式殼體的總表面積。對(duì)于安裝在地面上的立式儲(chǔ)罐，底板面積不包括在潤濕面積內(nèi)；A=2×（17×5+6×5）+17×6=332 ft2；Q = 火災(zāi)輸入的熱量， Btu/hr；Q=199300×A0.566 （200

3）計(jì)算結(jié)果討論。DPB平臺(tái)開排罐緊急通氣量為95362SCFHair，其值遠(yuǎn)大于正常通氣量1323SCFHair（吸入量與呼出量的最大值）。按正常通氣量計(jì)算選擇管徑及阻火器，則管路及阻火器損失見下表1?？梢娺x擇4寸管徑及阻火器即可滿足儲(chǔ)罐正常通氣要求。但由于該儲(chǔ)罐未考慮安全泄壓裝置，在外部著火等緊急情況下，儲(chǔ)罐正常設(shè)計(jì)壓力1psi，若選用4寸管線及阻火器，則通過全部緊急通氣量，總損失已達(dá)到3.55psi，遠(yuǎn)超過儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)壓力，將導(dǎo)致大量氣體無法排出，從而引起容器內(nèi)應(yīng)力破壞，影響儲(chǔ)罐安全，因此必須按6寸管徑進(jìn)行選擇。

式中： λ-摩擦系數(shù)；V-風(fēng)管流速；D-管徑；r-油蒸汽密度；g-重力加速度；V2r/2g-動(dòng)壓；ζ-局部阻力系數(shù)；∑ζ（V2r/2g）-局部阻力損失。說明2：阻火器損失，這里參考Groth 公司生產(chǎn)的7618型號(hào)波紋型阻火器，阻火器損失數(shù)據(jù)來自Groth7618型樣本。說明3：管路總損失（△P）△P=RL+Z1+Z2，L-儲(chǔ)罐至安全排放點(diǎn)通氣管長度。

4、結(jié)論

合適的呼吸系統(tǒng)可為儲(chǔ)罐提供可靠的安全保證，而正確計(jì)算儲(chǔ)罐通氣量是設(shè)計(jì)儲(chǔ)罐呼吸系統(tǒng)的前提。儲(chǔ)罐呼吸系統(tǒng)應(yīng)不僅適于排放正常通氣量，還應(yīng)適于排放緊急通氣量。在進(jìn)行呼吸系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)首先對(duì)儲(chǔ)罐所處環(huán)境、本體條件進(jìn)行充分的分析，尤其在對(duì)海上平臺(tái)上未安裝安全泄壓裝置的小型儲(chǔ)罐，如開排罐、柴油罐進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)等，更需要慎重。

參考文獻(xiàn)：

[1] 朱彤. 油罐阻火器的選擇與使用[J].石油庫與加油站，2003，12（6）：29-33.

[2] 中華人民共和國石油化工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). 石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范. SH/T3007-2007.