石油化工常壓及低壓儲罐的氮封系統設計

王佰亮

沈陽化工研究院設計工程有限公司　沈陽　110021

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石油化工常壓及低壓儲罐的氮封系統設計

王佰亮*

沈陽化工研究院設計工程有限公司沈陽110021

闡述合理設定氮封系統中各閥(氮封閥、泄氮閥、呼吸閥)的壓力，可避免氮封失效。泄氮閥和氮封閥分別起“呼”、“吸”作用，呼吸閥僅起安全保護作用。分別從氮封系統適用工況、設計原則、供氣量計算、注意事項等方面進行了詳細闡述，通過對氮封系統的合理設計，可規避安全風險、降低事故概率。

石油化工儲罐氮封設計

石油化工企業的罐區經常存儲大量的易揮發化工原料，當從外界進料打入儲罐時，隨著儲罐內液體的增加，儲罐內的氣體就需要向外界排出以便液體進入儲罐中；當從儲罐輸送物料到生產設備時，隨著儲罐內液體的減少，就需要向儲罐內吸入氣體以便液體的輸送。由于儲罐設置在室外，罐內物料會隨著外界環境溫度的變化引起罐內溫度的變化，從而引起罐內氣體壓力的變化。熱脹冷縮的效應導致儲罐的氣相空間出現體積膨脹或收縮，表現出“呼氣”或“吸氣”現象。為防止儲罐出現超壓或負壓狀態，工業生產中通常需要采取兩種保護措施：① 在罐頂安裝阻火呼吸閥；② 采用氮封系統[1]。本文介紹了氮封系統設計的相關內容，為從事相關化工設計工作人員提供一定的參考借鑒。

1　氮封系統適用的工況

為防止儲罐內物料因與進入的外界氣體(空氣)接觸而被污染變質或與外界進入的氣體(空氣)發生化學或生物反應，常需設置氮封系統。用氮氣使儲罐內維持一定壓力(正壓)，防止儲罐內物料與外界氣體接觸[2]。儲罐氮封系統特別適合用于各類大型儲罐的氣封保護系統[3]，主要用于工況：① 儲存介質閃點低于60℃，易燃易爆；② 儲存介質毒性較大或易揮發；③ 儲存介質含硫，而儲罐材質為碳鋼，會有硫化亞鐵生成，為防止硫化亞鐵自燃[4]；④ 儲存介質為水溶性或與水混溶的，并對其中水份有控制要求時；⑤ 儲存介質接觸空氣發生聚合；⑥ 儲存介質接觸空氣被氧化；⑦ 儲存介質常溫(37.8℃)時的飽和蒸汽壓大于88KPa。

2　氮封系統應用于儲罐的工作原理

氮封系統由氮封閥、呼吸閥(含阻火器)、泄氮閥、緊急泄放裝置(泄壓閥、泄壓人孔)組成。

當儲罐出液閥開啟輸送物料時，罐內液面下降，氣相部分容積增大，罐內氣相壓力降低，氮封閥開啟，向儲罐注入氮氣，罐內氮氣壓力上升，當罐內壓力上升至氮封閥壓力設定值時，氮封閥自動關閉。當儲罐進液閥開啟，向罐內添加物料時，液面上升，氣相部分容積減小，罐內壓力升高，當罐內壓力高于泄氮閥壓力設定值時，泄氮閥打開，向外界釋放氮氣，罐內氮氣壓力下降，降到泄氮閥壓力設定值時，泄氮閥自動關閉[5]。當氮封閥和泄氮閥失靈時，此時呼吸閥代替氮封閥和泄氮閥起到保護作用。緊急泄放裝置(卸壓閥、泄放人孔)作用是當發生火災時，儲罐因受熱引起罐內液體蒸發量劇增，此時泄放裝置便開始向罐外呼出，以避免儲罐因超壓而損壞。具體流程見圖1。

3　氮封系統壓力設定設計原則

鋼制立式圓筒形固定頂儲罐的設計壓力一般為：-0.5～2KPa，在如此小的壓力范圍內，如何保證各安全附件的壓力區間沒有交集，是確保氮封系統能夠正常運行的關鍵。氮封系統失效原因主要是各安全附件的定壓不準確、壓力區間有交集。一般泄氮閥的壓力設定點略大于氮封閥的壓力設定點，以免供、泄氮裝置頻繁工作，浪費氮氣、影響設備的使用壽命。呼吸閥的呼出設定值應大于泄氮閥壓力設定值，呼吸閥的吸入設定值應小于氮封閥的壓力設定值，罐頂呼吸閥僅起安全保護作用，呼吸閥在正常情況下不工作。當氮封閥或泄氮閥失靈，導致罐內壓力過高或過低，此時，呼吸閥才動作。呼吸閥呼出的起跳壓力應低于該呼吸閥所在儲罐的最高設計壓力，但應高于該儲罐的操作壓力，以確保儲罐的正常操作。呼吸閥吸入的起跳壓力應高于該呼吸閥所在儲罐的最低設計壓力，從而保護儲罐不被損壞。具體壓力關系見圖2。

圖1　氮封系統流程

圖2　儲罐安全附件壓力關系

4　氮封系統供氣量的計算

儲罐氮封裝置的供氣量應大于或等于由于泵抽出儲罐內儲存的液體所需的補充氣量與外界氣溫變化而產生的儲罐內氣體冷凝和收縮所需補充的氣量之和。

(1)泵抽出儲罐內液體所需補充的氣量等于泵的最大輸出能力。

(2) 因氣溫變化而引起儲罐內的氣體冷凝和收縮需補充的氣量，在美國石油學會標準《常壓和低壓儲罐的放空》API 2000中規定為：對容積≥3180m3的儲罐，這個氣量與儲罐外殼和罐頂的表面積有關，每平方米罐外殼和罐頂表面積，每小時需補入0.6m3氮封氣；對容積<3180m3的儲罐，每立方米容積，每小時需補入0.178m3氮封氣。上述的氣量可以允許罐內氣體每小時溫度變化37.8℃，并且是偏于安全的。常用儲罐因外界氣溫變化所需的供氣量見HG/T 20570.16-95表2.0.1。

(3)將以上兩項所需氣量相加，即得氮封裝置所需氮封量。

5　氮封系統應用于儲罐的優點

儲罐氮封系統裝置(氮封閥、泄氮閥、呼吸閥)是一套自力式微壓力控制系統，主要用于保持容器頂部保護氣的壓力恒定，維持儲罐內的不可燃環境并抑制儲罐的氣體排放。氮封裝置具有節能，動作靈敏、運行可靠、操作與維修方便等特點，氮封裝置廣泛應用于石油化工行業，產品特點無需外加能源，在無電無氣的場合利用被調介質自身能量為動力源，引入壓力閥的指揮器以控制壓力閥芯位置，改變流經閥門介質流量，使閥門后端壓力保持恒定[6]。氮封裝置的供(泄)氮壓力設定方便，可連續運行。在設定壓力范圍內，如從100mm H2O 需調整到50mm H2O ，可通過調節氮封閥頂部的調節螺絲，改變彈簧的受力，即可達到需要新設定的工藝值。泄氮閥的調整設定也是如此。

6　氮封系統設計時注意事項

雖然氮封系統已經被廣泛應用，但在實際生產中的效果卻不盡如人意，所以氮封系統設計時，要注意如下事項：

(1)氮氣供氣管的接管位置應遠離泄氮管接口，并由罐頂部插入儲罐內約200mm，以防止氮氣短路[7]。呼吸閥應安裝在儲罐氣源的最高點，以降低物料蒸發損耗并保證發生火災時提供儲罐呼吸最直接和最大的通道。當需要安裝兩個呼吸閥時，它們與罐頂中心應對稱布置。呼吸閥選用全開啟式。同時，針對環境溫度和物料性質選擇合適的類型，如可采取防凍、防結晶等措施。寒冷地區就應選用全天候呼吸閥。

(2)氮封閥閥前壓力最好在2.5MPa以下，現場壓力較高時，可在氮封閥前安裝一只ZZYP 型自力式壓力調節閥將壓力減至1MPa以下，以提高可靠性和使用效果。

(3)氮封閥和泄氮閥安裝位置盡量靠近罐頂，不宜安裝在罐底部，因背壓管線長，壓力調節精度差。

(4)應結合當地的氣象條件，采取有效的保溫隔熱措施，同時合理設置氮氣儲罐容量，可有效減少供氣量，從而達到降低設備投資及運行費用的目的[8]。

7　結　語

通過合理設定氮封系統中各閥(氮封閥、泄氮閥、呼吸閥)的壓力來控制儲罐內的壓力，氮封閥和泄氮閥起“呼吸”作用，呼吸閥僅起安全保護作用，這樣可以避免阻火呼吸閥因頻繁起跳失靈，造成儲罐損壞，更重要的是采取氮封，可大幅降低安全風險概率。隨著安全、環保、節能意識的提高以及為滿足相關標準和規范的要求，氮封系統會越來越多的應用在石油化工企業儲罐上。

1楊向東，朱紅梅，田德永. 正負壓防止罐氣封裝置在化工生產中的應用[J]. 氮肥技術，2012，(1)：20-22.

2HG/T 20570.16-95，工藝系統工程設計技術規定[S].

3張華，陳莉莉. 工藝設計中的氮氣密封系統研究[J]. 廣東化工，2014，(9)：194.

4馮秀梅，武文廣. 含硫油品儲罐自燃與防范措施[J]. 化工設備與管道，2006, (4)：61-64.

5武興華. 自力式調節閥在氮封系統中的應用[J]. 揚子石油化工，2007，(4)：4-7.

6李樹勛，張喜軍，謝剛等. 波紋管平衡型自力式壓差調節閥分析[J]. 油氣儲運，2008, (3)：44-46.

7陳國忠. 油罐呼吸閥的作用及維護[J]. 內蒙古石油化工，2010，(8)：58-59.

8徐頂旺. 氮封設計中氮封供氣量計算方法的研究[J]. 化工設計，2012，(5)：13-15.

2016-08-04)

*王佰亮：工程師。2008年畢業于沈陽化工大學化學工程專業獲碩士學位。一直從事石油化工工藝設計工作，曾發表論文10余篇。

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