罐區氣相連通工藝呼吸過程模擬分析

劉 迪，王志瑞，王 鵬，于安峰

(1.中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266071 2.中國石化滄州煉化公司，河北滄州 061000)

0 引言

油品損耗是石油化工企業在油品儲存過程中一個不可避免的問題，油品蒸發損耗掉油品中較輕的組分，不僅會導致油品數量損失、質量降低，還會造成大氣污染。油蒸氣與空氣混合后易在低洼、不通風處聚積形成爆炸混合物，大大增加了罐區發生火災爆炸的危險性。

近些年來，隨著人們環保意識的逐漸提高、國家和地方環保污染控制指標日趨嚴格，企業對環境污染問題日益重視，減少儲罐區無組織氣體污染物的排放作為提高企業經濟效益、保護環境的重要手段，引起了廣泛關注[1]。目前治理罐區儲罐呼出排放VOCs的主要方法是利用油氣密閉收集系統將罐區內多座儲罐氣相空間通過管道連通，管路匯集后的末端配置油氣回收裝置，實現杜絕罐頂氣排放VOCs、油氣回收處理裝置的尾氣達標排放。

1 罐區氣相連通工藝呼吸過程工藝分析

罐區同種油品的多個儲罐在生產運行過程中，經常是有的儲罐在進行收油作業，有的儲罐同時在進行發油作業。因此，通過對同種油品儲罐之間設置氣相連通管道，可以實現多個運行過程中儲罐進氣量和排氣量的部分平衡，不僅可以減少氮氣用量，還可以減少儲罐在收油作業時的油氣排放[2]。

目前企業設計采用的多儲罐氣相連通系統通常由儲罐、緊急泄壓閥、呼吸閥、阻火器、氮封系統、油氣支管線、集氣總管以及油氣回收裝置組成，具體工藝如圖1所示[3]。

圖1 罐區氣相連通工藝示意

當儲罐因進料或者氣溫升高導致儲罐罐頂聚積一定壓力時，儲罐內揮發氣體經阻火器、油氣支管排出儲罐匯入集氣總管，由集氣總管收集各儲罐的油氣并最終進入油氣回收處理裝置。當油氣處理裝置距離儲罐距離較遠，僅依靠油氣的積聚壓力難以克服管道摩阻損失到達處理裝置時，可以在集氣主管道上設置風機引入油氣[4]。

2 罐區氣相連通工藝呼吸過程動態模型

2.1 動態建模分析

儲罐呼吸是動態變化的過程，影響油罐呼吸損耗的因素較多、變化復雜?；贏spen HYSYS軟件的動態模擬，可綜合考慮外界熱量輸入、儲罐進料量變化、容器內組分相態變化，實現儲罐呼吸工況下系統排放量的實時監控，能夠合理地預測呼吸量，為復雜工況下分析儲罐的呼吸過程提供指導依據。

本文基于Aspen HYSYS構建某典型拱頂罐氣相連通呼吸過程動態模型如圖2所示。5個柴油拱頂罐氣相通過管路相互連通，當儲罐氣相壓力升高時，儲罐向排放總管排氣。排氣總管壓力增加至102.5 kPa時壓控閥開啟，儲罐呼出的氮氣及油蒸氣混合氣體經過加壓后送往油氣回收設施處理。儲罐設置氮封系統，罐頂設有補氮線上設有壓力控制閥，當儲罐壓力低于101.5 kPa時開啟向儲罐內補入氮氣，壓力高于101.8 kPa時關閉。

圖2 罐區氣相連通工藝呼吸過程動態模型

2.2 工藝模擬的基本設定

a)儲罐及呼吸閥設置：拱頂儲罐容積為5 000 m3、初始壓力為101.8 kPa、溫度為25 ℃、儲存物料為柴油。利用HYSYS中泄壓閥RV1-RV5表示呼吸閥的呼氣過程，閥門的開啟壓力為呼吸閥呼氣壓力的設定值102.8 kPa；閥門VLV1-air-VLV5-air表示儲罐呼吸閥的吸氣過程，真空壓力設為101.0 kPa。

b)排氣總管壓控閥設置：利用HYSYS動態模擬中的數字點控制器與電子表格相結合以實現壓控閥的功能，取壓點為排氣總管的壓力，當排氣總管壓力高于102.5 kPa時，排氣總管閥門VLV0-1、VLV0-3開啟向油氣回收裝置排氣。隨著排氣的進行，當排氣總管壓力降低至102.1 kPa時，閥門VLV0-1、VLV0-3關閉，停止向油氣回收裝置排氣。

c)氮封閥設置：氮氣補入壓力為800 kPa，閥門VLV100-VLV104為氮封閥，數字點控制器結合電子表格實現氮封閥功能，取壓點為儲罐氣相壓力，當儲罐壓力低于101.5 kPa時氮封閥開啟向儲罐內補入氮氣，壓力高于101.8 kPa時關閉。

3 罐區氣相連通工藝動態模擬結果分析

氣相連通罐區儲罐的大呼吸過程可通過合理作業進行平衡，因而本文主要考慮針對儲罐小呼吸過程進行模擬分析。

3.1 溫升過程動態模擬

影響拱頂罐小呼吸量因素主要包括油品的真實蒸氣壓、儲存溫度、環境溫度變化、儲罐氣相空間、儲罐的結構尺寸以及保溫刷漆情況等[5]，本文主要考慮環境溫度變化導致儲罐溫升以及不同液位對“小呼吸”呼氣過程的影響。5個儲罐的液位分別為低液位30%、中液位50%、高液位85%時，輸入熱量代表環境變化導致的溫升，使得5個罐的溫升分別為1，1.5，2，3 ℃/h，運行得到不同溫升時儲罐的排氣量如表1所示。

表1 不同液位、不同溫升時單罐排氣量

當儲罐溫度從初始溫度25 ℃開始上升時，儲罐及排氣總管并未立即開始排氣，而是經歷了一段升壓時間(即從儲罐初始壓力升高至排放總管壓控閥開啟壓力的時間)，升壓時間與儲罐的溫升速率相關，不同液位下當溫升速率相同時升壓時間幾乎相同。溫度的變化導致氣相連通的5個儲罐氣相壓力上升，當排氣總管壓力升至102.5 kPa時壓控閥開啟，儲罐呼出的廢氣通過排氣總管送至油氣回收裝置處理，運行中呼吸閥始終未開啟，實現VOCs的零排放。

圖3 不同溫升、不同液位時儲罐排氣量

從圖3可知,隨著溫升速率增加，同一儲罐儲存液位下小呼吸排放量呈線性增加。相同溫升速率條件下，液位越高罐內氣相空間越小，由于外界溫升導致儲罐氣相熱脹冷縮程度越小，呼吸排放量即越小。通過擬合得到不同液位時單個儲罐小呼吸量與溫升的定量關系式，可用于不用工況下儲罐小呼吸量的估算，如圖3中公式所示。

3.2 溫降過程動態模擬

當儲罐所處環境溫度驟降時(如降雨過程)儲罐氣相空間收縮，為了防止儲罐真空補入氮氣從而維持儲罐微正壓，HG/T 20570.16-1995《氣封的設置》中給出了關于補氮量的大小規定，以允許罐內氣體每小時37.8 ℃的溫降為標準。為了對儲罐極限溫降工況進行分析，模擬中取儲罐氣相初始溫度為60 ℃、初始壓力102.5 kPa，溫降為37.8 ℃/h，運行1 h后儲罐溫度降低至22.2 ℃，得到不同液位時的單罐氮封量、呼吸閥補入空氣量及罐內氧含量等參數，如圖4～圖6所示。

圖4 30%液位-儲罐補氣量及氧含量

圖5 50%液位-儲罐補氣量及氧含量

圖6 85%液位-儲罐補氣量及氧含量

根據不同液位時儲罐補氮氣量、補空氣量及罐內氧含量曲線可以看出，儲罐氣相壓力隨溫度降低至氮封閥開啟壓力101.3 kPa時氮封閥開啟向儲罐內補入氮氣，由于補入氮氣量不及時儲罐壓力進一步降低至呼吸閥真空設定值101.0 kPa時，空氣補入儲罐內，罐內氧含量即隨之增加。

不同液位條件下，氮封閥開啟時間近似相同約為0.1 h時刻，溫度驟降1 h內補入氮氣量近似相同約為125 m3。儲罐液位越低呼吸閥開啟時間越早補入空氣量越大，在低液位30%時補入空氣量最大，單個儲罐補入空氣量為283 m3，儲罐內氧含量約為1.73%。

3.3 循環降溫升溫過程動態模擬

3.3.1氣相氧含量累積過程分析

儲罐在夜晚或暴雨天氣下罐壁溫度下降，罐內氣體收縮、油氣凝結，罐內壓力隨之降低，當壓力降低到呼吸閥允許低限值時，空氣進入罐內；白天受熱輻射影響油溫升高，導致罐內氣相空間氣體膨脹和油面蒸發加劇，罐內壓力隨之升高而向外排氣，儲罐溫升溫降過程反復循環。基于構建的工藝模型對循環溫升溫降過程進行模擬，設定儲罐初始溫度為60 ℃、壓力102.5 kPa使得儲罐1 h內溫降37.8 ℃，每次溫降結束后將儲罐重新升溫至60 ℃，保持溫降參數一致的條件下溫度驟降1 h，循環3次得到液位為30%，50%，85%工況下罐內氧含量的變化曲線，如圖7～圖9所示。

圖7 30%液位-循環溫升溫降過程氧含量

圖8 50%液位-循環溫升溫降過程氧含量

圖9 85%液位-循環溫升溫降過程氧含量

儲罐液位為30%，50%，85%時分別經歷3次溫升溫降循環，液位越低時呼吸閥開啟時間越早，儲罐內氧含量開始增加的時刻即越早。液位30%的儲罐經歷3次溫降循環后氣相空間內氧含量(體積分數)增加至4.5%，液位50%的儲罐氧含量累積增加至4.1%，液位85%的儲罐含氧量累積增加至2.9%。

3.3.2可燃氣體最小氧氣濃度

點火源、氧氣、可燃物是發生燃燒爆炸的3個基本要素。燃燒爆炸不僅需要可燃氣體濃度處于爆炸極限范圍內、火源能量值達到氣體最小點火能，還需要可燃物與氧氣合適的配比，即氧氣含量達到最小氧濃度以上[6]。

當可燃氣體處于爆炸下限濃度時，可燃氣體恰好完全反應所需要的臨界氧含量即為其最小氧濃度[7]。可燃氣體與氧氣完全燃燒的化學反應過程如下式所示：

式中n、m、λ、f分別表示碳、氫、氧和鹵元素的原子數。

當可燃氣體濃度等于爆炸下限時，理論最小氧濃度可由下式進行計算。文獻[8]指出大多數石油產品的最小氧氣濃度為10%～11%，工程中為了安全起見，通?？刂苾迌瓤扇颊羝械难鹾繛?%～8%以下。

根據溫降過程模擬結果分析可知，該罐區拱頂儲罐單次溫降過程中，儲罐處于低液位30%液位狀態時補入空氣量最大，此時氧含量約為1.73%，遠低于6%～8%的最小氧含量值，發生火災爆炸的危險性較低。然而儲罐經歷多次溫升溫降循環后罐內氧氣含量不斷累積增加，當罐內氧氣含量累積高于可燃氣體最小氧氣濃度時，儲罐發生火災爆炸的危險性大大增加，因此工藝中應設置氧含量監測設備和除氧裝置進行定期除氧。

4 結語

a)利用Aspen HYSYS構建典型罐區氣相連通工藝呼吸過程，基于該工藝利用合理收發油作業平衡罐區大呼吸量，因而僅對小呼吸溫升、溫降工況以及循環溫升溫降工況進行模擬，獲取了典型氣相連通工藝中儲罐的小呼吸量、氧含量、補氮量等關鍵參數，可為工藝參數的分析及設備尺寸的設計提供數據支撐。

b)儲罐單次溫降時罐內氣相氧氣含量較低，火災爆炸的危險性較低，而經多次升溫降溫后氣相氧含量不斷累積迅速增大，因此氣相連通工藝中應設置氧含量監測設備和除氧裝置，定期除氧。