精細化工常壓儲罐的工藝安全設計

高斌鵬

(南通泰禾化工股份有限公司，江蘇南通，226400)

常壓儲罐作為精細化工企業液體原料、中間體和產成品儲存的設施，具有極為廣泛的應用。精細化工企業一般為小規模生產，儲罐容積較小，適用于GB 51283-2020《精細化工企業工程設計防火標準》[1]，即甲B和乙類液體單罐容積不超過1000m3；丙類液體單罐容積不超過5000m3。除此之外，精細化工常壓儲罐具有化學品種類多、介質危險的特點，隨著企業運行對安全環保的高要求，需要對常壓儲罐進行詳細地分析和完備的工藝設計，提供安全運行條件。

1 儲罐的工藝危害分析

在進行常壓儲罐設計前，應明確儲存物料的種類、數量和危險特性；查明物料的可燃性、閃點、蒸汽壓、爆炸極限、極限氧濃度(LOC)、忌水性、忌氧性、儲存溫度、熔點、沸點和腐蝕性等數據，分析儲罐是否存在腐蝕、泄露、靜電、火災爆炸等事故風險，根據風險后果確立常壓儲罐的設計方案和配套的安全設施。

根據物料的特性及儲罐容積，確定儲罐的結構型式、呼吸方式。考慮到環保要求，除合成硫酸、液堿等不揮發物質儲罐可直通大氣外，鹽酸及副產酸堿、丙類物質等應設置呼吸閥，且呼吸閥排氣應接至尾氣裝置妥善處理。一般情況下，介質具有以下特點的常壓儲罐，應設置氮封系統，并對系統排氣接至尾氣裝置處理。

(1)儲罐采用易熔材料制作浮盤；

(2)甲B、乙A類易燃易爆液體；

(3)物料忌水(與水反應)；

(4)水進入將導致物料腐蝕性發生變化的物質(氯代烴類)；

(5)物料接觸空氣被氧化；

(6)物料接觸空氣發生聚合；

(7)介質為水溶性或與水混溶的并對其中水份有控制要求；

(8)儲存介質毒性較大或易揮發介質；

(9)物料儲存過程生成自燃類物質(例如硫化亞鐵)。

2 儲罐的物理設計

2.1 常壓儲罐的材質選擇

根據儲存介質的腐蝕程度，優先選擇鋼制儲罐，也可以選用全玻璃鋼、碳鋼內襯玻璃鋼或襯塑、襯膠、襯玻璃等非金屬材質。對于常壓儲罐，一般較少采用鎳基合金、銅基合金或復合鋼板，腐蝕性介質儲罐可以采用非金屬材質代替。

2.2 常壓儲罐的設計壓力

鋼制常壓儲罐的設計一般按照GB 50341-2014《立式圓筒形鋼制焊接油罐設計規范》[2]執行，部分儲罐根據API 650[3]設計，非金屬儲罐可根據相關標準或施工實例進行設計。

由于精細化工常壓儲罐容積較小，對設計壓力提高而引起的造價上升相對不敏感，為保證儲罐的本質安全，便于設置氮封系統的分程壓力控制，可以適當提高儲罐設計壓力，根據GB 50341-2014附錄A或API 650附錄F設計為壓力不超過18kPa的微內壓儲罐，當儲罐內部壓力產生的舉升力大于罐壁、罐頂及其所支撐構件的總重量時，應設計為微內壓錨固儲罐。

2.3 伴熱或保冷設計

當介質需要高低溫儲存或需要循環防止聚合時，可以采用在儲罐內增加盤管，儲罐壁增加伴熱/保冷管、半管或夾套，以及罐頂增加冷凝器，設置外循環等方式實現，并在儲罐外部增加保溫隔熱層，附屬設施的重量及載荷應在儲罐的壓力設計中一并考慮。

2.4 內浮頂的設計

采用內浮頂的儲罐，應按照SH/T 3194-2017《石油化工儲罐用裝配式內浮頂工程技術規范》等規范標準進行設計。

3 氮封系統設計

3.1 氮封系統的應用現狀

基于安全環保考慮，氮封系統在精細化工常壓儲罐得到廣泛應用，固定頂罐氮封系統主要結構型式和配件如圖1所示，在實際的使用過程中，系統不正常工作的現象較為普遍，究其原因，主要有以下幾個方面。

圖1 典型的氮封系統配置圖

3.1.1 工藝設計不合理

設計時未能充分考慮供氮方式、泄氮方式、背壓、物料性質和壓力分程設定等因素，千篇一律照搬，氮封壓力控制范圍狹窄，相互之間易產生交集，各組件工作互相干擾，無法正常運行。

3.1.2 閥門選型不正確

氮封閥、呼吸閥、緊急泄放人孔等設施選型不正確，密封材質不當，無法滿足設計要求。

3.1.3 安裝調試存在瑕疵

氮封閥取壓點不具代表性、閥后管道過細過長、氮封閥通氣量調節過大、呼吸閥盤不密封、調試不當等問題，都將導致系統不正常。

3.1.4 儲罐密封不嚴

由于儲罐老化、腐蝕等因素，導致消防泡沫發生器、人孔口、接管口等部位密封不嚴，氮封閥始終處于工作狀態。

3.1.5 維護不當

氮封閥、呼吸閥、緊急泄放人孔等設施缺乏維護，存在腐蝕、卡死、彈簧失穩等情況。

3.2 正常通風量的計算

常壓儲罐通氣量應包括液體進出儲罐引起的液體傳輸效應，以及環境溫度升降引起的熱效應。精細化工儲罐液體進出流量較小，一般不超過50m3/h。熱效應形成的通風量可根據SH/T 3007-2014《石油化工儲運系統罐區設計規范》[4]和《API 2000-2009通風大氣和低壓儲罐》[5]計算確定，根據計算結果來看，兩者相差不大[6,7]，規范基于安全考慮，實際數值都偏于保守，詳細計算過程可參考相關文獻。

3.3 分程壓力控制

根據氮封系統原理結合SH/T 3007-2014等國內標準和API2000三種氮封等級的要求，如圖1所示，一個典型的精細化工常壓儲罐氮封系統可以包含以下幾個部分。

3.3.1 供氮閥

當儲罐出料或環境溫度降低時，儲罐內部壓力降低至供氮閥設定開啟壓力，供氮閥自動打開補充氮氣，儲罐內壓力升高至供氮閥設定關閉壓力時，供氮閥自動關閉。

3.3.2 泄氮閥

當儲罐進料或環境溫度升高時，儲罐內部壓力超過泄氮閥設定壓力時，泄氮閥自動打開排氣，儲罐壓力恢復后泄氮閥自動關閉。

3.3.3 緊急呼吸閥

當儲罐出料或環境溫度降低，且供氮閥故障無法打開時，儲罐內部壓力降低至緊急呼吸閥吸氣壓力時，緊急呼吸閥自動打開吸入空氣，防止儲罐發生吸癟事故；當儲罐進料或環境溫度升高，且卸氮閥故障無法打開時，儲罐內部壓力升高至緊急呼吸閥排氣壓力時，緊急呼吸閥自動打開排氣，防止儲罐發生起升事故。由于緊急呼吸閥工作時儲罐直通大氣，所以緊急呼吸閥必須配套阻火器一同使用。

3.3.4 儲罐進出料緊急切斷閥及聯鎖

當儲罐出料且供氮閥故障，由緊急呼吸閥起作用時，吸入空氣達到一定量會導致儲罐氣相空間形成爆炸性氣體，故應盡量減少儲罐吸入空氣量，儲罐上設置的壓力變送器檢測到壓力低于設定值時，應聯鎖出料閥關閉，切斷儲罐出料；當儲罐進料且卸氮閥故障，由緊急呼吸閥排氣時，為減少未經處理氣體對大氣環境的污染，應盡量減少排氣，儲罐上設置的壓力變送器檢測到壓力高于設定值時，應聯鎖進料閥關閉，切斷儲罐進料。

3.3.5 緊急泄壓人孔

當發生儲罐進料且前述的安全設施失效，或儲罐遭受外部火災炙烤，或供氮閥持續故障開啟，或儲罐內部加熱盤管泄露，或儲罐冷卻媒介中斷等異常情況時，大量氣體來不及排放，儲罐內部壓力升高至緊急泄放壓力時，緊急泄放人孔打開排氣。由于緊急泄放人孔口徑較大(不小于DN500)，可以滿足儲罐異常情況泄壓排放要求。

3.3.6 氧含量檢測

當儲罐出料或環境溫度降低時，往儲罐內通入一定量的氮氣和空氣，只要儲罐氣相空間氧含量低于該物質最大允許氧濃度(MAOC，一般比極限氧濃度LOC低2%[8])，可以保證儲罐氣相不被點燃，此種情況下，需在儲罐頂部設置氧含量檢測儀來判斷氧含量；另外一種情況，當儲罐出料且供氮閥故障，由緊急呼吸閥起作用時，吸入空氣達到一定量會導致儲罐氣相空間形成爆炸性氣體，為防止該情況的發生，可以在罐頂設置氧含量檢測儀，在罐內氧含量超標時聯鎖停止出料或發出報警。無論何種情況，由于儲罐內部氣相空間氣體分布不均，氧含量檢測儀的取樣代表性存在問題，若僅設一個取樣點位，則可靠性較低。該方式可作為儲罐輔助安全措施之一，而不應作為一個獨立保護層。

根據以上介紹，常壓儲罐氮封系統各設施壓力應滿足以下關系：

P出料切斷及聯鎖≤P緊急呼吸閥吸氣

P0

其中，P0為當地大氣壓。

以上即為常壓儲罐的分程壓力控制。實際上，由于國標常壓儲罐設計壓力較低，以及推薦的氮封壓力控制范圍狹窄(0.2～0.5kPa)[4]，各分程壓力相互之間易產生交集，各組件工作互相干擾，加之精細化工儲罐較石油化工儲罐容積較小，與石油化工行業大型儲罐相比，維持同等壓力下的呼吸氣量小，極易導致氮封系統失效。

以沿海地區(大氣壓101.325kPa)精細化工企業常見的50m3常壓儲罐為例，若25℃下壓力設定在0.2～0.5kPa之間，即P供氮閥開啟=0.2kPa，P泄氮閥工作=0.5kPa，根據理想氣體狀態方程，折算成氮氣允許波動量約為135L(標準狀態)，意味著普通自力式調節閥的一次脈沖供氣，就可能導致儲罐超過泄氮閥工作壓力。

為了解決上述問題，必須增大各壓力分程區間，常壓儲罐適當提高儲罐設計壓力，同時提高各壓力設定值，通過該方式還可以避免呼吸閥的泄露影響氮封運行(呼吸閥存在一定的泄露，DN150以下的呼吸閥在0.75倍的開啟壓力泄漏量<0.04m3/h[9])。下面舉例說明一種典型的精細化工儲罐分程壓力控制設定(不考慮背壓的情況下)，其中呼吸閥的排氣壓力不按SY/T 0511.1-2010《石油儲罐附件 第1部分：呼吸閥》執行，需通過調整閥盤的配重或增加彈簧實現。

儲罐按GB 50341-2014附錄A設計，壓力為6kPa的微內壓固定頂儲罐；保持儲罐氮封壓力0.5～1.8kPa；P出料切斷及聯鎖=-295Pa，P緊急呼吸閥吸氣=-295Pa；P供氮閥開啟=0.5kPa，P供氮閥關閉=1.2kPa，P泄氮閥工作=1.8kPa，P緊急呼吸閥排氣=2.5kPa，P進料切斷及聯鎖=3kPa，P緊急泄放=4.5kPa。

3.4 供氮方式的選擇和優缺點

目前精細化工企業氮封系統常用的供氮方式有以下兩種，如圖1所示，各有優缺點。

3.4.1 采用自力式微壓調節閥供氮

在進氮氣管道上設置自力式微壓調節閥，在閥前對氮氣進行預減壓至工作壓力，在閥后取壓控制閥門動作。該供氮方式采用機械結構，無需外部動力源，系統簡單，投資省，應用廣泛。

3.4.2 采用BPCS聯鎖供氮

在儲罐上設置壓力變送器，氮氣管道上設置氣動調節閥，在調節閥前對氮氣進行預減壓，通過PLC或DCS設置聯鎖控制儲罐壓力在一定范圍(低開高停)。該方式投資較大，但由于前述3.1的各種原因，部分單位氮封系統運行不正常，該供氮方案仍得到普遍應用。

3.5 泄氮方式的選擇和優缺點

氮封系統泄氮方式的種類和優缺點通常包含以下幾種，如圖1所示。

3.5.1 采用呼吸閥/單呼閥泄氮

呼吸閥/單呼閥分為彈簧式和重力式兩種，儲罐壓力達到設定壓力后，呼吸閥/單呼閥閥盤打開，氮氣排出儲罐，若排氣需進行處理，應采用帶呼出接管的呼吸閥/單呼閥。該方式結構簡單、投資省，應用最為廣泛。

3.5.2 采用液封泄氮

在排氣管道上設置液封罐，根據氮封壓力設置一定的液封高度H，一般采用水作為液封介質，忌水物質可采用油作為液封介質，相比呼吸閥方式，需要增加液封罐和液封介質，稍顯繁瑣。正常工作需要保持液封高度，檢查維護較頻繁，實際應用比較常見。

3.5.3 采用自力式微壓調節閥泄氮

在排氣管道上設置自力式微壓調節閥，在閥前儲罐側取壓控制閥門動作。該泄氮方式采用機械結構，無需外部動力源，具有不受背壓影響的顯著優點。需要注意的是，與供氮不同，泄氮用自力式調節閥的前后壓差一般較小，閥門口徑較大，相比呼吸閥和液封罐投資有所增加，實際應用比較常見。

3.5.4 采用BPCS聯鎖泄氮

在儲罐上設置壓力變送器，排氣管道上設置氣動調節閥，通過PLC或DCS設置聯鎖控制儲罐壓力在一定范圍(高開低停)。該方式同樣不受背壓影響，但投資較大，應用較少。

3.6 背壓的控制

儲罐泄氮排氣需要進一步深化處理的，需特別注意泄氮設施的背壓控制。采用3.5中3.5.1和3.5.2的方式，需在設定呼吸閥排氣壓力和液封高度時扣除背壓壓力，例如尾氣系統壓力為-1kPa，儲罐設定排氣壓力2.5kPa，則呼吸閥開啟壓力應為3.5kPa，以水為介質的液封高度為350mm。

3.7 氮封系統設置的注意事項

(1)在實際工藝設計過程中，應根據儲存物料的特性，采用HAZOP等方法進行定量或半定量風險分析，根據后果可接受程度，結合API2000等標準，確定氮封等級，采用供氮、泄氮、緊急呼吸閥、BPCS聯鎖切斷進出料、緊急泄放人孔和儲罐氣相空間氧含量檢測等措施中的一種或幾種，進行氮封系統設計。

(2)國內生產氮封配套設施的廠家眾多，良莠不齊，技術水平也不一致，在采購過程中，工藝技術人員應及時介入，與廠家做好技術交底和溝通，在自力式調節閥的通氣能力、前后差壓要求及瞬時流量，呼吸閥的泄漏量、閥盤重量、流量-壓降曲線、密封程度和含阻火盤的壓差等方面認真研討，確保達到工藝要求。

(3)供氮方式采用自力式微壓調節閥的，閥門應裝在罐頂，閥后管道擴徑，并伸入儲罐頂200mm。供氮聯鎖用的壓力變送器取壓點或自力式微壓調節閥的取壓點應盡量遠離閥門位置，直接裝在罐頂。

(4)氮源管道應采用不銹鋼管道，避免鐵銹對系統的影響。

(5)泄氮方式采用呼吸閥和液封罐，并且排氣需要收集統一處理的，在排氣管道上應設置緩沖罐，并采取措施保證緩沖罐的壓力穩定，宜保持在-0.5～-1kPa。

(6)即使自力式調節閥出廠前經過調校，但運輸安裝過程仍有可能發生變化，在儲罐投用前，應對自力式調節閥進行校準，調整后的最低通氣量應不小于儲罐計算通氣量。

4 自動化設計

精細化工儲罐多為間歇批次操作，人工操作固有風險較高，目前行業自動化水平逐步提升，企業應加大投入，盡量實現DCS遠程操作。需要注意的是，作為儲罐類設備，液位控制極為重要，無論風險分析結果如何，每個儲罐應至少設置兩臺不同類型的液位遠傳儀表，通過二取一設置相應連鎖和報警。

根據物料特性，儲罐應設置溫度、壓力、液位等連續監測和報警設施。涉及到重大危險源的，還應設置安全儀表系統或緊急停車系統，安全儀表系統的檢測器、執行器和邏輯處理器應區別過程控制系統獨立設置。

5 其他設計

可燃液體儲罐應從底部進料，控制物料流速，按照相應規范妥善設置防雷和靜電接地設施。

精細化工企業原輔料及產成品規模較小，多使用槽罐車運輸，儲罐應設置氣相平衡管，裝卸車時連接罐車形成氣體回路，減少裝卸車過程中產生的廢氣總量。

6 結語

精細化工常壓儲罐的工藝設計應從實際和運行的角度考慮，合理設置安全設施，努力做到本質安全。

同時應該看到，精細化工行業與石油化工行業相比，具有自身的特點，在設計過程中不能照搬石油化工相關標準，行業也應該不斷總結，有針對性地建立相應的標準，以提升本行業的安全水平。