天然氣氣封系統在原油儲罐呼吸中的應用

岳建祥

中石化江蘇油建工程有限公司，江蘇揚州 225126

天然氣氣封系統在原油儲罐呼吸中的應用

岳建祥

中石化江蘇油建工程有限公司，江蘇揚州 225126

通過分析原油儲罐在運行過程中出現大小呼吸的原因及原油儲罐罐頂安裝呼吸閥解決大小呼吸時存在的安全隱患及大氣污染等缺點，提出了利用天然氣氣封系統解決上述問題的方法。當儲罐氣體壓力高于氣封壓力時，儲罐內氣體通過泄壓閥自動排入火炬水封罐內；當儲罐內氣體冷凝或收縮導致儲罐內壓力下降并低于系統設定值時，通過補氣系統中的旋風分離器分離出的天然氣對儲罐進行補氣封，以阻止外界氣體進入。該系統已在中石化加蓬AKONDO油田儲罐中成功應用，有效解決了傳統罐頂安裝呼吸閥導致的排氣對周圍空氣的污染和吸氣造成罐內空氣和油蒸氣混合的情況，避免了儲罐的脹罐和癟罐的發生，為儲罐吸氣、排氣現象引起的安全和環保問題提供了一種新的解決思路。

原油儲罐；吸氣；排氣；天然氣氣封系統

原油儲罐在運行過程中由于收、發油或環境溫度、壓力變化會出現補氣、排氣現象（俗稱大小呼吸），國內通常采用在原油儲罐罐頂安裝呼吸閥的方式。而這種方式在排氣過程中對大氣造成污染，在吸氣過程中會形成空氣和油蒸氣的混合氣體，存在一定的危險性。本文通過分析大小呼吸的成因，提出采用天然氣氣封系統解決原油儲罐的補氣、排氣問題，并已在中石化加蓬AKONDO油田生產儲罐設施中成功應用。

1 原油儲罐出現大小呼吸的原因

1.1 儲罐大呼吸

大呼吸是指在原油儲罐收、發油作業時的呼吸。原油儲罐進油時，由于油面逐漸升高，氣體空間逐漸減小，罐內壓力增大，當壓力超過呼吸閥控制壓力時，一定濃度的油蒸氣開始從呼吸閥呼出，直至罐內壓力低于呼吸閥控制壓力時停止。原油儲罐向外發油時，由于油面不斷降低，氣體空間逐漸增大，罐內壓力減小，當壓力小于呼吸閥控制值時，原油儲罐開始吸入新鮮空氣，由于油面上方空間油氣沒有達到飽和，促使油品蒸發加速，使其重新達到飽和，罐內壓力再次上升，造成部分油蒸氣從呼吸閥呼出。

1.2 儲罐小呼吸

小呼吸是指在原油儲罐沒有收、發油作業情況下的呼吸，由于外界氣溫、壓力在一天內會有周期性升降，因而罐內氣體空間溫度、油品蒸發速度、油氣濃度和蒸氣壓力也隨之變化，這種變化會導致儲罐內油蒸氣的呼出和空氣的吸入[1]。

2 罐頂安裝呼吸閥存在的問題

不管是大呼吸還是小呼吸，都是罐內壓力與罐頂呼吸閥的控制壓力平衡的結果。當出現罐內壓力超過罐頂呼吸閥控制壓力時，此過程中排放出的油蒸氣會造成周圍大氣的環境污染[2]。而當原油儲罐內壓力小于呼吸閥控制值時，此過程會造成原油儲罐上部氣相空間形成空氣和油蒸氣的混合氣體，如當混合氣體濃度處于爆炸極限時可能會由于靜電作用或者操作不當造成的明火導致油罐爆炸。

當罐頂呼吸閥呼氣和排氣設置壓力失靈時，也可能造成呼吸閥動作不靈敏從而導致脹罐癟罐的發生：當罐內壓力大于呼吸閥設置的排氣壓力時呼吸閥未動作會造成脹罐，當罐內壓力小于呼吸閥設置的吸氣壓力時呼吸閥未動作會造成癟罐。

3 天然氣氣封系統的應用

針對傳統采用罐頂安裝呼吸閥解決儲罐大小呼吸的方式存在的不足，結合加蓬AKONDO油田生產設施項目環保和安全要求較高的實際情況，在設計階段進行分析和論證，最終提出了在加蓬項目中應用天然氣氣封系統來解決傳統呼吸閥的不足之處。

3.1 天 然氣氣封系統工作原理

天然氣氣封系統主要由火炬水封罐、旋風分離器、對應的低壓管網、補氣系統和排氣系統等組成。當儲罐進油或由于外界溫度升高使儲罐內液體氣化而使罐內氣體壓力高于氣封壓力時，儲罐內氣體通過泄壓閥自動排入火炬水封罐內。當儲罐內原油被泵抽出或由于外界溫度降低，儲罐內氣體冷凝或收縮導致儲罐內壓力下降并低于系統設定值時，通過旋風分離器分離出的天然氣對儲罐進行氣封氣的補入，阻止外界氣體進入。常用的氣封氣包括氮氣、天然氣等，考慮到儲罐內原油的性質以及進站原油分離出的伴生氣較多，天然氣作為氣封氣較為安全和經濟，本項目采用天然氣作為氣封氣。

3.2 天然氣氣封系統在儲罐排氣中的應用

本項目共涉及3座1 000 m3原油儲罐，設計壓力為（-600 Pa，+2 160 Pa）。其排氣系統工藝流程見圖1（以其中1座儲罐為例）。

圖1 原油儲罐排氣系統工藝流程

當由于進油或環境溫度、壓力變化引起儲罐內壓力出現正壓時（如為微正壓時則保持其罐內壓力），如罐內壓力繼續上升并達到突破火炬水封罐水封壓力時，儲罐內氣體則通過罐頂的放空管道排放至火炬系統的水封罐內并同時突破水封壓力至火炬筒體燃燒。本項目水封罐設計水封高度為80～110 mm，實際運行中為100 mm。因此當罐內壓力繼續上升至980 Pa左右時，罐內氣體開始突破水封罐至火炬筒體燃燒。如出現事故工況，導致突破水封也無法使原油儲罐的壓力正常泄放而致使儲罐內壓力繼續上升，當儲罐內壓力上升至+1 960 Pa時，罐頂安裝的液壓安全閥則會動作，罐頂壓力將使液壓安全閥內部分液壓油被頂出，從而使罐內壓力得到釋放。

此方案在加蓬AKONDO現場接近2年的應用表明，當罐內壓力上升至980 Pa左右時，便通過突破水封至火炬筒體燃燒，并將罐內壓力穩定在980 Pa以下，而液壓安全閥基本無需動作。因而在儲罐正壓過程中不會有油蒸氣排出罐外，避免了儲罐安裝呼吸閥的頻繁排氣對周圍大氣環境的污染，同時避免了脹罐事故。

3.3 天然氣氣封系統在儲罐補氣中的應用

針對儲罐由于發油或溫度、壓力變化導致罐內壓力下降的情況，通過旋風分離器分離出的天然氣對儲罐系統進行補氣。補氣系統中設計有自力式調節閥、電動切斷閥和罐頂液壓安全閥等。

3.3.1 補氣量的計算

對于極端工況下儲罐系統需要的補氣量，根據SY/T 0511.1-2010《石油儲罐附件第1部分》附錄A.5.1中呼吸閥通氣量的計算方法計算[3]。

3座1 000 m3的原油儲罐放空管道是聯通的，儲罐總容積為3 000 m3，放空管容積約100 m3，SY/T 0511.1-2010中容積小于3 200 m3油罐的通氣量變化計算公式為：

式中：Q為由于氣溫變化（包括驟降大雨致使油氣溫度下降）引起的通氣量變化，m3/h；V為儲罐總容積，按氣相空間總容積考慮，m3。

本文按最不利工況，即3座罐都為空罐時加上放空管道體積考慮，則有：

Q=0.178×3 100=552（m3/h）

因此在3座儲罐都為空罐，同時又驟降暴雨的極端工況下，儲罐的補氣量取值為600 m3/h。

3.3.2 補氣系統

原油儲罐補氣系統工藝流程見圖2（以其中1座儲罐為例）。

圖2 原油儲罐補氣系統工藝流程

儲罐補氣系統中自力式調節閥補氣調節范圍為0～600 m3/h，電動切斷閥開啟、關閉壓力為200 Pa、600 Pa，罐頂液壓安全閥補氣動作壓力為-490 Pa。當儲罐內壓力下降至200 Pa以下時，電動切斷閥自動打開，隨后自力式調節閥通過閥后取壓管取壓使閥門動作并打開對儲罐進行補氣。當補氣壓力上升至600 Pa以上時，電動切斷閥關閉，停止對儲罐進行補氣。當出現事故工況導致儲罐系統壓力繼續下降，下降至-490 Pa時，罐頂液壓安全閥動作，部分液壓油吸入罐內使罐內壓力得到補充。

此方案在加蓬AKONDO油田接近2年的現場應用表明，當罐內壓力下降至200 Pa以下時，通過此套補氣系統完全滿足儲罐補氣需求，使儲罐維持在微正壓，而液壓安全閥基本無需動作。因而在儲罐發油過程和環境溫度、壓力變化過程引起儲罐內壓力下降過程中，避免了儲罐安裝呼吸閥的頻繁吸入空氣造成罐頂氣相空間存在空氣和油蒸氣，同時避免了儲罐由于補氣不足可能造成的癟罐事故。

4 結束語

在中石化加蓬AKONDO油田原油儲罐項目中天然氣氣封系統已安全穩定地運行了近2年，有效解決了傳統罐頂安裝呼吸閥導致的排氣對周圍空氣的污染和吸氣造成罐內空氣和油蒸氣混合的情況，并最大限度地避免了由于事故工況造成的儲罐的脹罐和癟罐情況的發生，得到了加蓬當地石油局的高度認可。

天然氣氣封系統在運行過程中，要加強對流程中涉及到的如自力式調節閥、電動閥的維護保養，并加強對罐頂液壓安全閥油位的檢查。對于排氣系統水封罐的液位高度，雖然設置為自動補水，但也要加強檢查。希望通過此實例能夠對原油儲罐的“大小呼吸”現象造成的空氣污染和可燃混合氣體情況的解決提供一種新的思路和啟示。

[1]SY/T 0511.1-2010，石油儲罐附件第1部分：呼吸閥[S]．

[2]何小珍.淺談影響儲罐有機廢氣大小呼吸的因素及減緩措施[J].廣東化工，2006，33（7）：97-98．

[3]戴小平，徐俊.有機溶劑儲罐呼吸氣的計算及防治措施[J].浙江化工，2010，41（7）：27-30.

Application ofnaturalgas sealing system in crude oilstorage tank breathing

YUE Jianxiang

Sinopec Engineering&Construction Jiangsu Corporation，Yangzhou 225126，China

Based on the investigation on reasons causing working loss and standard storage loss in crude oil tanks and the analysis on shortcomings causing potentialhazards or air pollution in the resolution of installing breathing valves at the roof of crude oiltanks，we put forward an approach of using naturalgas sealing system to solve the aforesaid problems.When gas pressure in the crude oil tank is higher than that of the natural gas seal，gas will freely flow into water sealed tank of flare system through pressure relief valve.In the event of gas condensation or contraction in the crude oil tank which causing gas pressure dropping below the set value，natural gas cyclone separator will supplement gas into crude oil tank to prevent gas to flow in from outside.The natural gas sealing system has been applied in storage tanks in Sinopec Gabon AKONDO Oilfield，and has effectively solved the problem of exhaust gas pollution caused by traditional method of installation breathing valves at crude oiltank roof and the mixture problem of air and oilgas caused by crude oiltank suction.The naturalgas sealing system has also been proven effective in avoiding crude oiltank sunken or expanded.It provides a new solution for issues in terms of storage tank safety and environmentalproblems caused by the gas suction and exhaust of crude oiltank.

crude oiltank；suction；exhaust；naturalgas sealing system

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.01.017

岳建祥（1986-），男，陜西西安人，工程師，2010年畢業于西安石油大學油氣儲運工程專業，長期從事油氣田地面工程建設技術管理工作。Email：358204796@qq.com

2016-07-23；

2016-11-21