某大型地下原油儲備庫氮氣供應方案比較

孫超然 李旭東（中國石油工程建設有限公司華東設計分公司，山東 青島 266071）

某大型地下原油儲備庫氮氣供應方案比較

孫超然 李旭東（中國石油工程建設有限公司華東設計分公司，山東 青島 266071）

氮氣在大型地下原油儲備庫主要用于首次灌裝原油前置換地下洞庫內的空氣，以及在原油出罐過程中向地下洞庫內補充氮氣，保證洞庫內的氣體有一定的壓力，防止空氣進入洞庫，保證油儲洞庫的安全。

依據某大型地下原油儲備庫的工藝需求，氮氣注入系統規模為4000Nm3/h，氮氣純度99.9%，10年左右運行一次，每次運行時間約90天。另外距離該大型地下原油儲備庫20km外有某大型空分裝置，所產氮氣富余量可以滿足該大型地下原油儲備庫氮氣注入系統的需求。

根據上述條件，本項目氮氣供應方案主要分為自制氮氣和依托附近現有空分裝置外購兩大類，自制和外購氮氣也分別各有不同的方案，本文將對各種方案進行比選，選出相對適合本項目的氮氣供應方案，提高系統可靠性，減少投資，降低維護操作成本。

1 自制氮氣方案

目前國內市場上氮氣的生產主要有深冷法、變壓吸附法和膜制氮三種工藝。下面將對這三種工藝進行比較，選出最合適的一種工藝作為自制氮氣方案，再與外購氮氣方案進行比選。

1.1 深冷法

深冷空分制氮是一種傳統的制氮方法，它是以空氣為原料，經過壓縮、凈化，利用熱交換使空氣液化，再利用液氧和液氮的沸點不同（在1大氣壓下，前者的沸點為-183℃，后者為-196℃）精餾，使氮氧分離來獲得氮氣。

深冷法特點是制氮純度高（一般在99.99%以上），品質好，制氮量大，可生產液氮。但是工藝流程長，設備復雜，占地大，工程造價較高；啟動時間長（＞12h），連續運行時間適用于1年以上，運行成本較高，適用于連續不斷大量使用高純度氮氣的企業。由于某大型地下原油儲備庫氮氣需求為間斷量（10年運行一次），深冷法工藝顯然不太適合。

1.2 膜制氮法：

膜制氮法利用空氣中的氮氣和氧氣在膜中的溶解度和擴散系數不同，在膜兩側壓差的作用下，滲透率較快的水蒸氣、氧氣等一些氣體先透過膜，成為富氧氣體，而滲透率較慢的氮氣則滯留富集，成為干燥的富氮氣體，從而達到氧氮分離的目的。

膜制氮法的特點是體積小、啟動快、流程簡單、占地少、氮氣壓力穩定。但是純度低、膜易損、工作壓力高、運行費用較高，一般規模較小，工業應用不多。本項目氮氣注入系統規模為4000Nm3/h，膜制氮法工藝也不太適合。

1.3 變壓吸附法：

變壓吸附制氮的原理：在一定的壓力下，由于空氣動力學效應，氧和氮在碳分子篩表面上的擴散速率不同，氧的擴散速率遠大于氮。在吸附未達到平衡時，氧被碳分子篩大量吸附，氮在氣相中得到濃縮富集，形成產品氮氣。由于碳分子篩對氧的吸附容量隨著壓力的不同而有明顯差異，降低壓力，即可解吸碳分子篩吸附的氧分子，使碳分子篩再生，并循環使用。

變壓吸附法的特點是氮氣純度可以在95～99.99%調節，假如需要更高純度氮氣需增加氮氣純化設備。投資低，流程短，運行成本低，操作簡單，占地小，啟動時間較短。

相對于前兩種自制氮氣方案，如果需要自制氮氣方案，變壓吸附制氮工藝最適合本項目。

1.4 變壓吸附制氮方案描述

空氣經壓縮機壓縮至0.85MPa（G）并被壓縮機后冷卻器冷卻至約40℃后，進入空氣凈化單元除去壓縮空氣中的塵、水及油霧，然后進入PSA變壓吸附單元。該單元設置2個吸附塔，1個塔吸附產氮，1個塔脫附再生，通過PLC控制切換閥的開關，使2個塔循環交替。PSA變壓吸附單元出來的氮氣進入氮氣緩沖罐，然后進入氮氣管網。流程示意如下：

主要設備及有關參數詳見表1。

主要消耗見表2。

對于某大型地下原油洞庫，變壓吸附制氮方案有以下優缺點：

a主要優點：氮氣供應穩定；對外依賴程度低，供應有保障。

b主要缺點：一次投資較高；常年不運行，設備需要維護；占地面積相對較大。

2 外購氮氣方案

本項目可依托20km外的某大型空分裝置（其中中壓氮氣最大產量35000Nm3/h，液氮產量10500Nm3/h，完全可以滿足本項目用氣需求），通過管道敷設或者購買液氮汽化，滿足某大型地下原油儲備庫氮氣注入系統需求。

2.1 管道敷設方案

敷設1條從某大型地下原油儲備庫至某大型空分裝置的DN150中壓氮氣管線，壓力4.0MPa，常溫，管線長度約26km，與庫外原油管道伴行埋地敷設。

對于某大型地下原油洞庫，管道敷設供氮方案有以下優缺點：

a主要優點：設施簡單，易于維護。

b主要缺點：距離遠，征地困難，一次投資高；依賴某大型空分裝置，操作時需協調某大型空分裝置配合；管道平時需要充氮保護。

2.2 購買液氮汽化方案

本項目可以從某大型空分裝置購買液氮儲存，使用時通過汽化器進行汽化。

主要工藝流程為：槽車→液氮儲罐→汽化器→氮氣管網。

主要設備及規格見表3。

流程說明：項目所用4000Nm3/h氮氣，需要約6.2m3/h的液氮進行汽化，一臺100m3的液氮儲罐儲藏液氮量可持續使用16小時，3臺液氮罐儲量可用兩天，3座液氮儲槽可交替進行灌裝及供氮，液氮儲存壓力0.8MPa。

表1 變壓吸附制氮方案主要設備表

表2 變壓吸附制氮方案消耗指標

表3 購買液氮汽化方案主要設備規格表

表4 方案對比表

對于某大型地下原油洞庫，液氮儲藏汽化方案有以下優缺點：

a主要優點：一次投資較少；設備維護量小；操作簡單；周邊地區液氮供應有保證。

b主要缺點：由于洞庫置換操作時氮氣消耗量較大，一天需要液氮150m3，按液氮槽車容積30m3計算，一天需要消耗5車液氮。調度工作繁重，液氮調運不及時將會影響洞庫的運行。

3 方案比較

自制氮氣（變壓吸附制氮）方案與依托某大型空分裝置外購氮氣方案（管道敷設輸送和購買液氮汽化）對比見表4。

結合表4與前面章節論述，從投資、占地、可操作性等方面綜合比較，依托某大型空分裝置購買液氮汽化方案對于本項目而言比較適合。

4 結語

大型地下原油儲備庫在選用氮氣供應方案時需要結合工程項目的實際情況全面考慮決定。

（1）當附近沒有能可靠依托的大型空分裝置時，選用變壓吸附制氮方案較為合理。

（2）當附近有能可靠依托的大型空分裝置，且距離較近，管道敷設線路合理，征地相對容易時，購買氮氣通過管道敷設輸送方案較為合理。

（3）當附近有能可靠依托的大型空分裝置，但距離較遠，管道敷設困難，征地困難，購買液氮汽化案較為合理。

（4）對于本項目而言依托某大型空分裝置購買液氮汽化方案是最合理方案。

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Comparison of nitrogen supply schemes for a large underground oil depot

SUN Chaoran，LI Xudong(CNPC Eastchina Design Institute Limited Company，Qingdao Shandong，266071)

介紹了大型地下原油儲備庫的幾種氮氣供應方案；針對某大型地下原油儲備庫幾種氮氣供應方案的工藝性能、主要設備和相對投資進行比較；提出了相對適合的氮氣供應方案。

變壓吸附；管道輸送；液氮汽化

Thispaperintroducesseveralnitrogen supply scheme for a large underground oil depot;compares process performance,major equipment,and relative investment;put forward the relatively suitable scheme.

pressure shift adsorption,pipeline transportation, liquid nitrogen vaporization