儲(chǔ)罐氣封系統(tǒng)供氣量的計(jì)算

譚海軍

中國成達(dá)工程有限公司 成都 610041

儲(chǔ)罐氣封系統(tǒng)供氣量的計(jì)算

譚海軍*

中國成達(dá)工程有限公司 成都 610041

氣封系統(tǒng)供氣量不僅受泵抽出儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存的液體所需的補(bǔ)充氣量與由于外界氣溫變化而產(chǎn)生的儲(chǔ)罐內(nèi)氣體冷凝和收縮所需補(bǔ)充氣量的影響，還受供氣系統(tǒng)及儲(chǔ)罐的安全和監(jiān)控設(shè)施的影響。結(jié)合工程實(shí)例介紹儲(chǔ)罐氣封系統(tǒng)的計(jì)算及與呼吸閥的異同，為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。

儲(chǔ)罐 呼吸閥 氣封系統(tǒng) 安全 監(jiān)控設(shè)施

石油化工企業(yè)有不少儲(chǔ)存易燃、易爆和有毒的常壓或低壓儲(chǔ)罐。儲(chǔ)罐在使用過程中，由于儲(chǔ)罐進(jìn)出物料或外界環(huán)境溫度的變化等引起儲(chǔ)罐內(nèi)氣體的膨脹或收縮，稱為儲(chǔ)罐的“呼吸”；該“呼吸”可能會(huì)泄漏從而導(dǎo)致污染環(huán)境，也可能使罐內(nèi)出現(xiàn)真空，導(dǎo)致空氣進(jìn)入。為了避免上述情況的發(fā)生，儲(chǔ)罐需設(shè)置保護(hù)系統(tǒng)。常見的保護(hù)措施有氣封系統(tǒng)和呼吸閥。

1 氣封系統(tǒng)的組成

完整的氣封系統(tǒng)由調(diào)節(jié)閥、呼吸閥、緊急泄放閥和相應(yīng)的壓力檢測儀表等組成。調(diào)節(jié)閥可以采用壓力調(diào)節(jié)閥或?qū)I(yè)的自力式調(diào)節(jié)閥(即氮封閥)。氮封系統(tǒng)見圖1。

圖1 氮封系統(tǒng)

氣封系統(tǒng)是將氣體充到儲(chǔ)罐的氣相空間，使儲(chǔ)罐內(nèi)維持一定壓力(正壓)。氣封系統(tǒng)可以防止儲(chǔ)罐內(nèi)物料因與進(jìn)入的空氣接觸而被污染變質(zhì)；保持儲(chǔ)罐內(nèi)氣相為非可燃?xì)怏w或者減少排出儲(chǔ)罐氣體的可燃?xì)怏w濃度；防止?jié)窨諝膺M(jìn)入儲(chǔ)罐導(dǎo)致儲(chǔ)罐銹蝕等。呼吸閥是通過正負(fù)壓閥盤的重量來控制儲(chǔ)罐的排氣正壓和吸氣負(fù)壓，利用儲(chǔ)罐本身的承壓能力減少介質(zhì)排放來保護(hù)儲(chǔ)罐的安全裝置。呼吸閥既可作為單獨(dú)的儲(chǔ)罐保護(hù)設(shè)施，也可作為氣封系統(tǒng)的一部分。長期以來，對(duì)于氣封系統(tǒng)和呼吸閥的計(jì)算方法認(rèn)識(shí)有誤，如《氣封的設(shè)置》HG/T20570.16和《石油化工設(shè)計(jì)手冊》均將氣封系統(tǒng)供氣量的計(jì)算等同于呼吸閥呼吸量的計(jì)算。雖然氣封系統(tǒng)和呼吸閥均需要考慮由于泵抽出儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存的液體所需的補(bǔ)充氣量與由于外界氣溫變化而產(chǎn)生的儲(chǔ)罐內(nèi)氣體冷凝和收縮所需補(bǔ)充的氣量之和。但是氣封系統(tǒng)主要是保護(hù)儲(chǔ)罐內(nèi)的介質(zhì)不受污染及防止儲(chǔ)罐內(nèi)形成燃燒或者爆炸條件，而呼吸閥主要是用于保護(hù)儲(chǔ)罐本身，因而二者的計(jì)算是完全不同的。

2 呼吸閥通氣量的計(jì)算

呼吸閥的吸入量由兩部分組成：① 液體出罐時(shí)最大出液量所造成的空氣吸入量，應(yīng)按照液體最大出液量考慮；② 大氣最大降溫導(dǎo)致罐內(nèi)氣體收縮造成儲(chǔ)罐吸入的空氣量。在《石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范》和《VentingAtmosphericandLow-pressureStorageTanks》API2000-2009規(guī)定儲(chǔ)罐熱呼入通量可按表1中的參數(shù)確定。

3 氣封系統(tǒng)通氣量的計(jì)算

API2000-2009中規(guī)定，氣封系統(tǒng)所需的氣體量需按儲(chǔ)罐的最大液體排出量及儲(chǔ)罐配備的安全和監(jiān)控設(shè)施綜合考慮確定。根據(jù)儲(chǔ)罐的安全和監(jiān)控設(shè)施不同可分為三個(gè)等級(jí)。另外，氣封系統(tǒng)的計(jì)算不僅僅需要考慮瞬時(shí)的通氣量，還需要考慮為了滿足氣封用氣所需要的儲(chǔ)備氣體量。氣封最小的供氣量流量用V表示，供氣需最小的備用氣氣體體積用V1表示。計(jì)算如下：

表1 儲(chǔ)罐熱呼入通量

(1)第一級(jí)：氣封的供氣需要被監(jiān)控(如檢測儲(chǔ)罐的壓力和檢測氧氣的濃度)。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)真空到達(dá)設(shè)定值時(shí)，觸發(fā)報(bào)警。罐內(nèi)可根據(jù)IEC60097-10劃為1區(qū)且排放管端安裝有阻爆燃的耐燒型阻火器。對(duì)于第一級(jí)的氣封流量，可按下式計(jì)算。

V=0.1CVtk0.7+Vpe

(1)

式中，C為系數(shù)，與物料的飽和蒸汽壓，儲(chǔ)存溫度和項(xiàng)目所在地緯度有關(guān)，見表2[4]；Vtk為儲(chǔ)罐容積，m3；Vpe為最大液體排出量，m3/h。

V1=0.04Vtk (2)

(2) 第二級(jí)：儲(chǔ)罐氣封壓力第一級(jí)報(bào)警觸發(fā)后需連鎖停止出料。罐內(nèi)可根據(jù)IEC 60097-10劃為2區(qū)且排放管端安裝有阻爆燃的阻火器。對(duì)于第二級(jí)的氣封量，可按下式計(jì)算。

V=0.2CVtk0.7+Vpe

(3)

V1=0.08Vtk

(4)

(3)第三級(jí)：儲(chǔ)罐無壓力監(jiān)控連鎖等措施或排放管未設(shè)阻火器。對(duì)于第三級(jí)的氣封量，可按下式計(jì)算。

V=0.5CVtk0.7+Vpe

(5)

V1=0.12Vtk

(6)

4 實(shí)例

新疆某項(xiàng)目甲醇罐區(qū)設(shè)有3臺(tái)5000m3的甲醇儲(chǔ)罐，甲醇輸送泵的流量為100m3/h。儲(chǔ)罐設(shè)有氮封系統(tǒng)并配有阻火器、壓力高低報(bào)警及連鎖等。分別根據(jù)上述方法計(jì)算儲(chǔ)罐呼吸閥和氮封系統(tǒng)的通氣量。

4.1 儲(chǔ)罐呼吸閥通氣量

查表1，儲(chǔ)罐的熱呼吸通氣量應(yīng)為787m3/h，則儲(chǔ)罐呼吸閥的總通氣量為：

V=787+100=887 m3/h

4.2 儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)通氣量

由于儲(chǔ)罐設(shè)有阻火器、壓力報(bào)警及連鎖，無氧氣濃度檢測，應(yīng)按第二級(jí)計(jì)算儲(chǔ)罐需要的通氣量。該項(xiàng)目緯度為43.77，甲醇20℃飽和蒸汽壓與己烷近似，平均儲(chǔ)存溫度低于25℃，所以系數(shù)C取3。

V=0.2×3×50000.7+100=333 m3/h

V1=0.08×5000=400 m3

4.3 儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)通氣量

按一、三級(jí)計(jì)算儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)通氣量。

(1)第一級(jí)儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)通氣量的計(jì)算。

V=0.1×3×50000.7+100=216.5 m3/h

V1=0.04*5000=200 m3

(2)第三級(jí)儲(chǔ)罐氮封系統(tǒng)通氣量的計(jì)算。

V=0.5×3×50000.7+100=732.5 m3/h

V1=0.12×5000=600 m3

5 結(jié)語

雖然儲(chǔ)罐呼吸閥和氣封系統(tǒng)均需要考慮儲(chǔ)罐內(nèi)液體泵出所需的補(bǔ)充氣量和由于外界氣溫變化而產(chǎn)生的儲(chǔ)罐內(nèi)氣體冷凝和收縮所需補(bǔ)充的氣量之和。但是二者的計(jì)算和需要考慮的因素是完全不同的。氣封系統(tǒng)既需要考慮氣封所需的通氣量，還需要考慮滿足氣封用氣所需要的儲(chǔ)備氣體量。氣封系統(tǒng)通氣量不僅僅與儲(chǔ)罐容積、出液量有關(guān)系，還與項(xiàng)目所在地緯度及物料的飽和蒸汽壓有關(guān)。從以上計(jì)算可知，不同的安全監(jiān)控等級(jí)下儲(chǔ)罐氣封系統(tǒng)所需的通氣量均小于呼吸閥的通氣量，所以如果簡單的使用呼吸閥的通氣量作為氣封系統(tǒng)的用氣量很不合理；氣封系統(tǒng)計(jì)算不僅僅需要考慮其通氣量，還需要考慮滿足氣封通氣的儲(chǔ)備氣體。另外，氣封系統(tǒng)的用氣量還與儲(chǔ)罐的安全和監(jiān)控設(shè)施有關(guān)，不同安全及監(jiān)控等級(jí)的儲(chǔ)罐氣封系統(tǒng)需要的氣體用量相差很大。因此從節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用考慮，應(yīng)該增加儲(chǔ)罐的安全及監(jiān)控設(shè)施，減少氣封系統(tǒng)的密封氣消耗；且不能用呼吸閥的通氣量代替氣封系統(tǒng)用氣量，否則會(huì)增加運(yùn)行費(fèi)用。

1HG/T20570.16-95，氣封的設(shè)置[S].

2 王松漢.石油化工設(shè)計(jì)手冊(第4卷)工藝和系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

3SH/T3007-2014，石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

4APISTANDARD2000SIXTHEDITION,NOVEMBER2009VentingAtmosphericandLow-pressureStorageTanks[S].

2016-05-19)

*譚海軍：高級(jí)工程師。2007年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(北京)油氣儲(chǔ)運(yùn)專業(yè)獲碩士學(xué)位。主要從事化工工藝設(shè)計(jì)。 聯(lián)系電話：(028)65537144，E-mail：tanhaijun@chengda.com。