常低壓儲罐壓力泄放裝置的選用

馮建東，李姜楠

(北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176)

常低壓儲罐，由于罐內(nèi)壓力低，當(dāng)進出料或環(huán)境溫度發(fā)生變化時，會導(dǎo)致罐內(nèi)壓力波動，使儲罐存在脹裂或者凹癟的隱患。為保證儲罐安全，需要了解如何準確選擇儲罐所需壓力泄放裝置。根據(jù)儲罐參數(shù)計算所需泄放量，再結(jié)合介質(zhì)特性選擇壓力泄放裝置的類型、口徑和材質(zhì)，不僅可以確保儲罐安全運行，同時能有效減少介質(zhì)的揮發(fā)浪費和環(huán)境污染。

1 儲罐所需泄放量的計算

儲罐所需泄放量是指為滿足日常操作，確保罐內(nèi)壓力維持在安全范圍內(nèi)所需的最小泄放能力。儲罐所需泄放量主要包括所需呼出量、所需吸入量、所需緊急泄放量和所需氮氣密封量4個參數(shù)。下面逐一介紹每個參數(shù)的計算方法[1]。

1.1 所需呼出量的計算

當(dāng)儲罐進料或環(huán)境溫度升高時，氣相空間的變小和介質(zhì)揮發(fā)都會造成儲罐壓力升高。當(dāng)壓力接近儲罐允許的最大值時，需排出一定的罐內(nèi)氣體以維持罐壓穩(wěn)定，此時儲罐的所需泄放量稱為“所需呼出量”。

造成儲罐超壓的原因有很多，其中以進料和環(huán)境溫度升高這兩種為主。筆者認為進料引起的呼出量與溫度升高引起的呼出量之和可近似等于儲罐所需呼出量VOREQ：

VOREQ=VOP+VOT

式中：VOREQ為所需呼出量；VOP為進料引起的呼出量；VOT為溫升引起的呼出量。

1.1.1進料引起的呼出量

進料時，由于液態(tài)介質(zhì)體積增加使氣相空間變小，且液體的擾動也加劇介質(zhì)的揮發(fā)，造成罐內(nèi)壓力升高，由此產(chǎn)生的呼出流量稱為“進料引起的呼出量”VOP。

(1)當(dāng)介質(zhì)蒸汽壓力≤5kPa(g)時：

VOP=VPF

式中：VPF為介質(zhì)最大進料量，m3/h。

(2)介質(zhì)蒸汽壓力>5kPa(g)時：

VOP=2·VPF

式中：VPF為介質(zhì)最大進料量，m3/h。

(3)對于閃蒸介質(zhì)，上述兩種情況均不適用，應(yīng)額外考慮。

1.1.2溫升引起的呼出量

環(huán)境溫度升高不僅使罐內(nèi)氣體膨脹，同時也會加劇介質(zhì)揮發(fā)，造成罐內(nèi)壓力升高，由此產(chǎn)生的呼出流量稱為“溫升引起的呼出量”VOT。

式中：VOT為溫升引起的呼出量，Nm3/h的空氣；Y為緯度系數(shù)(見表1)；Vtk為儲罐體積，m3；Ri為儲罐保溫系數(shù)。

其中，Ri儲罐保溫系數(shù)與保溫層的結(jié)構(gòu)形式有關(guān)：

(1)當(dāng)無保溫層時，Ri=1。

(2)當(dāng)全保溫層時，Ri=Rin。

式中：h為內(nèi)部傳熱系數(shù)(對于一般儲罐，h一般取4)，W/(m2·K)；lin為保溫層厚度，m；λin為保溫層傳熱系數(shù)，W/(m·K)。

(3)部分保溫時，Ri=Rinp；

式中：Ainp為儲罐保溫層面積，m2；ATTS為儲罐總表面積，包括側(cè)壁和罐頂，m2。

表1 緯度系數(shù)Y

1.2 所需吸入量的計算

當(dāng)儲罐出料或環(huán)境溫度降低時，氣相空間增大造成罐內(nèi)壓力降低。當(dāng)壓力接近儲罐允許的最大真空時，需吸入一定量氣體以維持罐壓穩(wěn)定，此時儲罐的所需泄放量稱為“所需吸入量”。

與所需呼出量類似，造成儲罐真空的原因以出料和環(huán)境溫度降低為主。筆者認為，出料引起的吸入量與溫度降低引起的吸入量之和可近似等于儲罐所需吸入量VIREQ。

VIREQ=VIP+VIT

式中：VIREQ為所需吸入量；VIP為出料引起的吸入量；VIT為溫度降低引起的吸入量。

1.2.1出料引起的吸入量

出料時，由于液態(tài)介質(zhì)體積減少、氣相空間增大，造成罐內(nèi)出現(xiàn)真空，由此產(chǎn)生的吸入流量稱為“出料引起的吸入量”VIP。

VIP=VPE

式中：VPE為介質(zhì)最大出料量，m3/h。

1.2.2溫度降低引起的吸入量

環(huán)境溫度降低時，氣相介質(zhì)收縮造成罐內(nèi)出現(xiàn)真空，由此產(chǎn)生的吸入流量稱為“溫度降低引起的吸入量”VIT。

式中：C為修正系數(shù)(見表2)；Vtk為儲罐體積，m3；Ri為儲罐保溫系數(shù)(同1.1.2)。

表2 修正系數(shù)C

1.3 所需緊急泄放量的計算

罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)時，由于溫度驟升導(dǎo)致罐內(nèi)介質(zhì)迅速揮發(fā)，壓力急劇增長，為維持儲罐壓力在安全范圍內(nèi)，必須緊急排出罐內(nèi)氣體降低壓力，此時儲罐的所需泄放量稱為“所需緊急泄放量”q。

式中：Q為火焰?zhèn)鳠崃浚琖(見表3)；F為環(huán)境因數(shù)(見表4)；L為在泄放壓力和溫度下介質(zhì)的汽化潛熱，J/kg；T為泄放氣體的絕對溫度(通常認定泄放壓力下介質(zhì)的沸點就等于泄放氣體的溫度)，K；M為蒸汽相對分子質(zhì)量。

表3 火焰?zhèn)鳠崃縌

表4 環(huán)境因數(shù)

1.4 所需氮氣密封量的計算

當(dāng)罐內(nèi)形成真空時，介質(zhì)會開始揮發(fā)，為減少揮發(fā)量，通常采用向罐內(nèi)補充氮氣的方式維持儲罐壓力在微正壓狀態(tài)，此時儲罐的所需氮氣流量稱為“所需氮氣密封量”。

根據(jù)罐內(nèi)介質(zhì)和配置的不同，氮封等級分為3級。

(1) 1級氮封，主要應(yīng)用于1區(qū)儲罐[2]：

式中：C為修正系數(shù)(見表2)；Ri為儲罐保溫系數(shù)(同1.1.2)；Vtk為儲罐體積，m3；VPE為介質(zhì)最大出料量，m3/h；1級氮封，除上述所需氮氣密封量外，還應(yīng)滿足下述要求：Ⅰ 裝有耐燒型管端阻火器；Ⅱ裝有真空警報裝置；Ⅲ裝有氣源監(jiān)測裝置，維持氮氣持續(xù)供應(yīng)。

(2) 2級氮封，主要應(yīng)用于2區(qū)儲罐[2]：

2級氮封，除上述所需氮氣密封量外，還應(yīng)滿足下述要求：Ⅰ裝有管端阻火器；Ⅱ儲罐充入氮氣時，禁止出料。

(3)3級氮封，主要應(yīng)用于2區(qū)儲罐[2]：

3級氮封，除上述所需氮氣密封量外，還應(yīng)滿足下述要求：Ⅰ 儲罐需維持在正壓狀態(tài)，并裝有真空警報裝置；Ⅱ儲罐真空低于設(shè)定值時禁止出料。

2 常用壓力泄放裝置

常用壓力泄放裝置可分為重力/彈簧加載呼吸閥、緊急泄放閥、先導(dǎo)式呼吸閥和氮封閥等，下面逐一介紹常用壓力泄放裝置的功能及特點。

2.1 壓力泄放裝置主要參數(shù)

(1)設(shè)定壓力。泄放裝置開啟時進口處的表壓。

(2)超壓。超過設(shè)定壓力的壓力增值，可用設(shè)定壓力的百分比表示。

(3)泄放壓力。泄放裝置達到規(guī)定超壓時，進口處的表壓。泄放壓力不應(yīng)大于儲罐設(shè)計標準規(guī)定的最大值。

(4)最大允許泄漏率。在75%設(shè)定壓力時，泄放裝置允許漏率的最大值。對于重力/彈簧加載呼吸閥和緊急泄放閥，因其密封方式等原因，閥門不能實現(xiàn)零泄漏，在低于設(shè)定壓力即未開啟時，閥門會存在著一定量的輕微泄漏。

表5 最大允許泄漏率[1]

(5)理論泄放量。流道面積與泄放裝置流道面積相等理想管的計算泄放量。

(6)額定泄放量。在規(guī)定泄放壓力下裝置的實際泄放量。泄放裝置額定泄放量應(yīng)不小于儲罐所需泄放量。通常采用“理論泄放量×泄放系數(shù)×超壓修正系數(shù)”計算得出。

(7)泄放系數(shù)K。泄放系數(shù)是實際泄放量與理論泄放量的比值，通常取值在0.6～0.95之間。

(8)超壓修正系數(shù)C。規(guī)定超壓下泄放量與100%超壓下泄放量的比值。

2.2 壓力泄放裝置工作原理

通過控制配重、彈簧或其他形式產(chǎn)生的密封力與罐壓形成的開啟力相互作用，實現(xiàn)閥門的動作。

(1)關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)罐壓小于設(shè)定壓力時，其形成的開啟力小于密封力，此時閥門處于密封狀態(tài)。

(2)泄放過程。當(dāng)罐內(nèi)壓力增加到大于設(shè)定壓力時，開啟力增大，推動閥盤逐漸打開，閥門開啟。

(3)回座過程。隨著閥門泄放罐內(nèi)壓力開始降低，開啟力減小直至小于密封力，閥盤下落實現(xiàn)回座。

2.3 重力/彈簧加載呼吸閥

重力/彈簧加載呼吸閥是常低壓儲罐上最常見的壓力泄放裝置，其主要結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 呼吸閥結(jié)構(gòu)示意

2.3.1重力/彈簧加載呼吸閥的分類

(1)根據(jù)功能分為單呼閥、單吸閥、呼吸閥。

(2)根據(jù)泄放形式分為大氣泄放和管道泄放。

2.3.2重力/彈簧加載呼吸閥的特點

重力/彈簧加載呼吸閥結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性強、維護方便且經(jīng)濟性好，是常低壓儲罐最常用的一種壓力泄放裝置。同時可選擇阻火器、夾套、彎管、吹掃和襯里等配套附件，應(yīng)對各種特殊工況。

2.4 緊急泄放閥

緊急泄放閥主要應(yīng)用在火災(zāi)工況，將介質(zhì)揮發(fā)出的大量氣體迅速排出，避免儲罐脹裂導(dǎo)致二次危害，其主要結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 緊急泄放閥結(jié)構(gòu)示意

2.4.1緊急泄放閥的分類

根據(jù)開啟形式分為直啟式和旋啟式。

2.4.2緊急泄放閥的特點

緊急泄放閥結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性強、維護方便且經(jīng)濟性好，其口徑通常很大，也可用作人孔使用，是常低壓儲罐常用的壓力泄放裝置。

2.5 先導(dǎo)式呼吸閥

相較重力/彈簧加載呼吸閥，先導(dǎo)式呼吸閥具備更好的密封性和泄放能力，主要應(yīng)用在有毒有害、易燃易爆或超低溫領(lǐng)域等極端工況，其主要結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 先導(dǎo)式呼吸閥結(jié)構(gòu)示意

2.5.1先導(dǎo)式呼吸閥的分類

根據(jù)使用條件的不同，先導(dǎo)式呼吸閥可分為常規(guī)先導(dǎo)式呼吸閥和超低溫型先導(dǎo)式呼吸閥。常規(guī)先導(dǎo)式呼吸閥主要應(yīng)用在儲存液氨、化肥、甲醇等不允許存在介質(zhì)外漏的儲罐。超低溫先導(dǎo)式呼吸閥則應(yīng)用在超低溫領(lǐng)域，包括液氧液氮、低溫乙烯和液化天然氣等行業(yè)。

2.5.2先導(dǎo)式呼吸閥的工作原理

導(dǎo)閥通過取壓管感應(yīng)罐內(nèi)壓力，控制主閥膜片腔內(nèi)壓力即密封力的大小，與罐壓產(chǎn)生的開啟力相互作用，實現(xiàn)閥盤的啟閉動作。

2.5.3先導(dǎo)式呼吸閥的特點

(1)低于90%設(shè)定壓力，實現(xiàn)零泄漏。當(dāng)罐內(nèi)壓力低于90%設(shè)定壓力時，主閥膜片腔提供的密封力遠大于開啟力，使先導(dǎo)式呼吸閥在低于90%設(shè)定壓力時實現(xiàn)零泄漏。而重力/彈簧加載呼吸閥接近設(shè)計壓力時，密封力與開啟力非常接近，導(dǎo)致閥門密封效果下降，出現(xiàn)不可避免的泄漏。

(2)10%超壓全開。當(dāng)導(dǎo)閥開啟后，主閥膜片腔內(nèi)壓力會由導(dǎo)閥迅速排出，使作用在主閥膜片腔上的密封力急劇減小，閥盤快速升起，實現(xiàn)閥門的全開啟。

2.6 氮封閥

氮封閥類似于微壓自力調(diào)節(jié)閥，主要應(yīng)用在儲存有毒有害和易燃易爆介質(zhì)的儲罐，抑制介質(zhì)揮發(fā)，當(dāng)罐內(nèi)壓力降低至設(shè)定值時，向罐內(nèi)補充一定量的氮氣，使儲罐壓力維持在微正壓狀態(tài)。

圖4 氮封閥結(jié)構(gòu)示意

2.6.1氮封閥的工作原理

氮封閥通過主膜片腔的取壓口感應(yīng)罐內(nèi)壓力，通過作用在膜片上的開啟力與彈簧的密封力相平衡，當(dāng)罐內(nèi)壓力低于設(shè)定值時，彈簧開啟力大于密封力，閥門打開，氮氣從入口進入罐內(nèi)，隨著罐內(nèi)的壓力逐漸升高，作用在膜片上的關(guān)閉力逐漸增大直至關(guān)閉。

2.6.2氮封閥的特點

氮封閥相對于自力式調(diào)節(jié)閥而言，具有更大的減壓比，入口與氣源(0.4～0.8MPa)直接連接，減壓至千帕水平。閥門結(jié)構(gòu)簡單，避免現(xiàn)場氮封系統(tǒng)采用多級減壓的麻煩。

2.7 常用的罐頂安全泄壓裝置組合

大多數(shù)儲罐通常采用重力/彈簧加載呼吸閥、緊急泄放閥和氮封閥的組合，以滿足儲罐日常運行和火災(zāi)工況的需要，罐頂布置示意見圖5。

對于介質(zhì)不允許排放到大氣的工況，建議采用排管道式呼吸閥或先導(dǎo)式呼吸閥，避免介質(zhì)直接泄放到環(huán)境中。

3 安全泄壓裝置選用和注意事項

3.1 安全泄壓裝置選用注意事項

(1)承裝易燃易爆或有毒有害介質(zhì)的儲罐，應(yīng)選用管道泄放或先導(dǎo)式安全泄壓裝置，泄放介質(zhì)應(yīng)妥善處理，不得直接排入大氣。

(2)承裝易結(jié)晶或由于溫度變化可能反應(yīng)生成固態(tài)介質(zhì)的儲罐，應(yīng)選用帶伴熱措施的安全泄壓裝置，避免閥盤與閥座粘連。

(3)承裝含有固體顆粒介質(zhì)儲罐，應(yīng)選用帶吹掃結(jié)構(gòu)的安全泄壓裝置，定期清潔密封面。

(4)選用時應(yīng)考慮出口管線及后端系統(tǒng)(如抽風(fēng)機、回收系統(tǒng)和火炬等)產(chǎn)生的背壓對安全泄壓裝置開啟及泄放的影響。

圖5 常規(guī)儲罐安全泄壓裝置配置

3.2 安全泄壓裝置安裝時的注意事項

(1)安全泄壓裝置應(yīng)垂直安裝在儲罐頂部，只有一臺閥門時應(yīng)設(shè)置在頂部中心。有多臺閥門同時安裝在頂部時，安裝位置應(yīng)均勻分布。

(2)承裝液體介質(zhì)的儲罐，液面以上的氣相空間部分最小為液體總?cè)莘e的2%，且避免液體介質(zhì)進入安全泄壓裝置，造成失效。

(3)儲罐與安全泄壓裝置間連接管和管件的通孔，其截面積不應(yīng)小于安全泄壓裝置的進口截面積。

(4)儲罐與安全泄壓裝置之間一般不宜裝設(shè)截止閥門，如由于其他原因需設(shè)置截止閥門時，儲罐正常運行期間截止閥門須保證全開，截止閥門的結(jié)構(gòu)和通徑不應(yīng)影響安全泄壓裝置的泄放。

(5)若儲罐一個連接口上裝設(shè)兩個或者兩個以上安全泄壓裝置時，該連接入口的截面積，應(yīng)至少等于這些閥的入口截面積總和。

(6)多個安全泄壓裝置出口匯聚到同一管線時，匯聚管的截面積應(yīng)大于這些閥的出口截面積總和。

4 結(jié)語

(1)本文依照API 2000標準，詳述了常低壓儲罐所需泄放量，包括所需呼出量、所需吸入量、緊急泄放量和所需氮氣密封量的計算方法，確保所選安全泄壓裝置能有效保護儲罐免受超壓危害。

(2)介紹了安全泄壓裝置的類型、特點、常見組合和選用安裝注意事項，以保證能合理選用泄壓裝置。