油罐氮封系統的應用及探討

曾偉力

（中國石化九江石化公司油品儲運運行部，江西九江 332000）

0 引言

油品在儲運過程中，不可避免地存在油品損耗。相關資料表明：油品儲運系統的損耗占加工量的3%～5%，其中蒸發損耗占50%～60%[1]。因此，尋找安全生產、節能降耗的途徑是石油化工企業發展過程中的必由之路。多年來，為解決油品蒸發損耗問題，石油煉化企業采取了一系列措施，如噴淋水冷卻、絕熱涂料等方式，取得了一定的節能降耗效果，但并不理想且成本較高，更重要的是并未提高儲罐運行過程中的安全性。

氮封系統在油罐中的應用，是石油煉化企業安全生產、節能降耗的有效途徑，其可以保持容器頂部保護氣（一般為氮氣）的壓力恒定，以避免容器內物料與空氣直接接觸，大大降低物料揮發，防止物料被氧化，從而保證儲罐的安全。

近幾年，很多石油煉化企業投用氮封系統后，在安全生產、節能降耗等方面取得了很好的效果，并且在實際應用中不斷地摸索前行。

1 氮封系統工作原理

1.1 氮封系統

氮封系統是利用氮氣補充油罐內氣體空間，不但可減少油品損耗、防止空氣污染，而且可以保證油品質量（如可以防止加氫原料被氧化）和儲罐安全（含硫油品在罐內形成FeS 導致自燃事故發生）[2]。

1.2 工作原理

氮封裝置由氮封調節閥、阻火呼吸閥和緊急泄壓閥組成。

當儲罐進液閥開啟、向罐內添加物料時，液面上升，氣相部分容積減小，壓力升高；當罐內壓力升至高于呼吸閥呼出壓力設定值（國內多家石化企業呼吸閥泄氮壓力為1.5 kPa）時，呼吸閥打開，向外界釋放氮氣，使罐內壓力下降，壓力降至設定值時呼吸閥自動關閉。

當儲罐出液閥開啟、儲罐放料時，液面下降，氣相部分容積增大，罐內壓力降低。當罐內壓力降至低于氮封調節閥壓力設定值（九江石化呼吸閥泄氮壓力為-0.3 kPa）時，氮封調節閥開啟，向儲罐內注入氮氣，使罐內壓力上升。當壓力升至設定值時供氮閥自動關閉。圖1 為儲罐氮封系統組成。

圖1 儲罐氮封系統

2 氮封系統應用對儲存損耗量影響的理論依據

按照美國石油學會推薦的儲罐儲存損失量計算公式：

式中 Ks——密封系數，取0.2（傳統二次密封取0.9）

V——儲罐所在地的平均風速

n——風速指數

P*——蒸氣壓函數，一般取0.035

D——油罐直徑

Uy——油蒸氣摩爾質量

Kc——油品系數

Ef——密封系數

氮封系統投用后，由于儲罐氣相空間保持為壓力1 kPa 以上的氮氣，大大減少油氣揮發，油蒸氣摩爾質量Uy大大減少，由式（1）可以得出儲罐儲存損失量Ls將明顯降低。

3 氮封系統投用效果

3.1 投用前后同一區域內H2S 含量對比

某煉廠對中間料罐區氮封系統投用前后隨機定點多次監測空氣中H2S 含量并作對比，對比結果顯示空氣中H2S 含量在氮封系統投用后大大降低（表1）。

表1 氮封系統投用前后H2S 監測數據

3.2 投用前后同一區域內烴含量對比

某煉廠對中間料罐區氮封系統投用前后罐頂隨機指定點通過有毒氣體分析儀多次監測空氣中揮發性有機氣體（FID）含量并作對比，結果顯示空氣中烴類含量在氮封系統投用后大大降低（表2）。

表2 氮封系統投用前后烴類含量監測數據

4 油罐氮封系統應用中的問題

4.1 氮封調節閥取壓點位置不合理

多數煉廠在投用氮封系統初期都遇到同樣的問題導致氮封系統無法正常運行，即氮封調節閥取壓點位置不合理。原氮封工藝設計中，氮封調節閥取壓點在氮封閥后氮氣進罐管道上，而該點壓力P 可以用式（2）[3]計算：

式中 Po——罐內混合氣體靜壓力，MPa

Pv——氮氣在管道中流動的動壓力，MPa

Pf——進氣管道中的壓力降，MPa，正常情況下應為0.01～0.02 MPa

其中Pv與Pf之和一般在0.2～0.4 MPa，故取壓點取到的壓力遠遠高于氮封調節閥停止工作的設定壓力，故氮封控制閥應瞬間處于停止補氮狀態；停止補氮后，氮封調節閥再次測到取壓點壓力低于設定值時，氮封控制閥再次補氮。因此造成氮封調節閥一直處于“開啟—關閉—開啟”的狀態。

4.2 氮封調節閥取壓點位置合理但連接方式有誤

以九江石化輕質油儲罐氮封系統為例：將取壓點位置取在罐頂透氣口擋板上，取壓點管線有橫向以及彎曲等配管方式，在氮封系統試投用過程中發現：由于氣溫變化導致油氣冷凝為液態，使取壓點橫向管線或彎頭處管線堵塞，氮封裝置由于無法采集到罐內準確壓力（取壓值低于氮封調節閥停止補氮的設定值），致使氮封裝置一直處于補氮狀態（圖2）。

圖2 氮封調節閥取壓管線錯誤連接方式

5 解決措施

5.1 現場糾偏法

設定合理的氮封調節閥取壓點位置。氮封調節閥取壓點位置必須取在罐頂板上，且取壓管線不能出現橫向或彎曲的情況，這樣可確保取壓管內暢通，且取壓管反映的壓力為罐內氣相空間的真實壓力，保證氮封調節閥的準確取壓。

5.2 變更設備選型法

目前先導自力式氮封閥型式可分為兩大類：①外取壓型：取壓點在外部罐頂，取壓后傳輸至先導系統運作控制氮封閥；②內取壓型：氮封閥主體安裝內置取壓點，無需在外部罐頂開孔取壓。現場受生產條件限制而無法重新設置外部取壓點時，可采取重新選型的方式，變換先導自力式氮封閥型式以解決問題。

6 改進設想

由于目前氮封技術仍然處于未成熟階段，氮封系統投用后，罐內超出設計壓力后罐頂呼吸閥及緊急泄壓閥應處于開啟狀態撤壓至設計壓力；相反，罐內低于設計壓力后氮封閥應處于開啟狀態補充氮氣至設計壓力。若罐內超出設計壓力后呼吸閥及緊急泄壓閥出現故障未開啟，或罐內低于設計壓力后氮封閥處于故障狀態未開啟時，儲罐將處于危險狀態。且氮封系統中的阻火式呼吸閥、緊急泄壓閥都需要每年進行專業校驗，罐頂拆卸困難且風險性高。故設想將氮封系統增加“爆破片”，以絕對保證儲罐投用氮封系統的安全性。

爆破片是防止壓力設備發生超壓破壞的重要安全裝置，廣泛應用于化工、石油、輕工等行業。爆破片能在規定的溫度和壓力下爆破以泄放壓力，且便于安裝更換。根據GB 567—1999 相關規范，建議每年更換罐頂爆破片，以保證其正常工作。

可選用0.02 bar（2 kPa）的正拱形爆破片（圖3a））及0.005 bar（0.5 kPa）的反拱形爆破片（圖3b））分別安裝于儲罐罐頂四周（圖4）。當罐內壓力為常壓儲罐設計壓力2 kPa 時，正拱形爆破片破裂泄壓；當罐內壓力為常壓儲罐設計真空-0.5 kPa 時，反拱形爆破片破裂補壓。

圖3 拱形爆破片

圖4 爆破片安裝位置

7 結束語

氮封系統應用于儲罐可有效降低油品蒸發損耗，保證安全生產，提高經濟效益。同時，氮封系統必須合理配置系統附件并合理布置取壓位置，氮封系統投用后會有一定量的氮氣損耗，為確保氮封系統投用后的安全性，還需要繼續探索更合理的配置。