惰性气封系统工艺设计的初探与比较

刘　颖　上海寰球工程有限公司　上海　200032



惰性气封系统工艺设计的初探与比较

刘颖*上海寰球工程有限公司上海200032

摘要介绍国内规范与美国石油学会标准在惰性气封系统工艺设计的相关内容，通过对设置目的、耗气量计算原理及工艺控制的初步探究，发现二者的异同。在此基础上，进行工程设计举例。结果表明通过工艺控制改进，该系统可为防止储罐回火提供新的设计思路。

关键词惰性气封系统工艺设计

*刘颖：工程师。2007年毕业于华东理工大学化学工艺专业获硕士学位。现从事化工工艺设计工作。联系电话：13761040149，E-mail：chinashliu@163.com。

化工厂经常会储存和使用易燃易爆、有毒或者敏感介质，由此带来相应的安全风险，如危险接触，火灾和爆炸等。风险的概率和危害程度与工艺流程的特点、工艺条件、安全设施设置和安全操作有关。惰性气封系统作为一种常用的危险控制措施被广泛地运用。本文通过比较中外规范中惰性气封系统的工艺设计和系统控制的差异，为相关工程设计时开拓思路。

1气封系统设置的目的及原理

关于惰性气封系统设置的作用，化工行业标准《工艺系统工程设计技术规定》HG/T 20570.16“气封的设置”侧重于防止物料与空气接触发生污染变质，或者阻止发生化学或生物学反应。耗气量的计算原理是基于地上非冷冻式低压储罐的“呼吸”，即当储罐泵出液体或者外部气温降低时，储罐内会形成负压，从而自外界吸入气体[1]。设计思路是满足最大吸气量的需求，最大限度的减少空气进入储罐内的可能。

美国石油学会标准《常压和低压储罐的放空》 API Std 2000-2014侧重于降低储罐内可燃气形成的可能。规范中定义了三种惰性气封等级[2]。耗气量的计算原理同样是基于储罐的“呼吸”。但与国内标准不同的是，其设计基础来自于国际电工委员会标准《用于爆炸性气体的电气设备》 IEC 60079-10。设计思路是限定最小的惰性气体供气量及惰性气封气保有容积。通过实施相应的工艺控制，限制储罐内气相空间的爆炸危险区域分区。这与国内标准存在着明显差异。

2工艺系统中氧含量的控制

比较国内外标准，惰性气封系统的设置实际上是控制储罐内气相空间中的氧含量。其中，美国的标准体系对氧含量的要求描述则更为详细。

装置开停车、设备维修甚至正常操作状态时，系统均存在进入空气的可能，其危害多数来自氧。若不加预防或控制，系统中氧含量可逐步增加并富集。当氧浓度上升到某一水平，系统的正常生产和安全将受到威胁。引入惰性气封可降低外部氧进入的可能，同时“稀释”作用可以使氧含量维持在某一安全水平，从而降低风险。

《管道系统中的阻火器》 API 2028中推荐了一个系统氧含量的控制水平，在炼化厂或化工厂中，根据经验，将工艺管道系统中的氧含量维持在不大于5%时一般视为是安全的。另外，美国海岸警卫队(USCG)要求海运输送气体收集系统当氧含量增加到8%及以上时必须停车[3]。取值可能是根据引起物质燃烧必需的氧浓度下限的50%制定的[4]。

系统氧含量安全指标并非一成不变。倘若系统总压增加，若氧浓度不变，氧分压将随之增加。则单位空间内自由的氧分子总量还是会增加，风险仍会增大。所以氧含量控制指标应随着系统总压的增加而降低。

3回火(Flashback)现象及其防护手段

储罐的引燃或爆炸可与放空管道被外部引燃后回火有关。储存易燃介质的储罐，其放空管道内存在可燃性气体，在外部引燃条件下，例如雷击等，放空管端处会着火。当放空管内气体流速较小时，由于燃烧火焰不能稳定在管口而向管内窜动，造成回火现象。

回火现象非常危险。实际工作中，通常的设计思路是控制罐内的氧含量，使之不发生燃烧。并采取措施防止回火发生。

混合气体燃烧时，火焰的稳定程度与气体流速特性曲线和火焰传播特性曲线有关[5]。为防止回火，可采取的手段不外乎两种：一是降低火焰传播速度，二是提高气体在管内的流速。一般是在放空管端处加装阻火器。

但是在某些场合，阻火器的安装会受到限制。如物料结垢、腐蚀或者自聚等原因会造成阻火器堵塞，从而影响储罐的放空。需要寻找替代方法来解决这个问题。例如美国标准中设置了三种惰性气封等级，可用于储罐回火保护。

4惰性气封供气量的计算

4.1国内行业标准中惰性气封供气量计算

HG/T 20570.16中气封装置供气流量计算：

V补充=V泵+V温变

(1)

式中，V泵为储罐泵出液体的补气流量，等于最大的泵出液体流量；V温变为外部气温降低产生的补气流量，根据API 2000相关规定计算。

由于出版时间的局限，HG/T 20570-95所引用的当初的API标准，如今已经被新版本中的评价方法和公式取代。

在API 2000-2014中，外部气温变化产生的补气量计算式：

(2)

式中，C为与物料蒸汽压、平均储存温度和储罐地理纬度相关的因子；Ri为保温折减系数；Vtk为储罐容积，m3。

式(2)中，C因子是由物料的物性、物料储存条件及储罐所在地理位置决定的，可以通过查表获得。而保温折减系数Ri是由物料储存时的热交换情况、储罐是否保温、保温形式与面积、保温材料的性质以及保温层厚度综合决定的。通过收集这些信息或参数，计算获得。

综合式(1)和式(2)，气封供气流量的计算公式：

(3)

4.2美国标准中惰性气封供气量的工艺计算

API2000-2014附录F中提供了三种惰性气封等级，可以限定不同等级的最小供气流量和惰性气封气保有容积。设计时可以根据物料特性和工艺需要确定补气量和惰性气封气保有容积，以匹配气封等级和进行相关设置。三种惰性气封等级的相关计算公式如下：

(1)1级气封

(4)

惰性气封气保有容积VI，m3：

VI=0.04×Vtk

(2)2级气封

(5)

各参数符号同前。

惰性气封气保有容积VI，m3：

VI=0.08×Vtk

(3)3级气封

(6)

各参数符号同前。

惰性气封气保有容积VI，m3：

VI=0.12×Vtk

5惰性气封系统等级的控制要求

美标体系中，惰性气封系统等级与储罐内爆炸危险区域分区及工艺系统控制相关。

若按1级气封方案补气，需对气封供应进行监控，包括测量储罐内压力及其氧含量，当储罐内压力降到吸气设定值时系统应报警。按此流量，储罐内爆炸危险区域可划分为1区。同时，储罐须安装管端型防爆燃且可承受气体组别为IIA的物料燃烧的阻火器。

按2级气封方案补气，储罐内爆炸危险区域可为2区。除满足对1级气封的控制要求外，还须在罐压报警设定值之下增加泵的关停信号。同时，储罐须安装与1级气封同样要求的阻火器。

3级气封方案中，储罐内爆炸危险区域也为2区，但是需始终保持储罐内的正压环境，泵的关停设定值高于环境压力。设置监控系统冗余，无需安装阻火器。

6算例

一台300m3的地上式固定顶苯酚储罐，其尺寸为Φ8000mm×6000mm。设计正压+0.02MPa(G)，设计负压-0.0005MPa(G)。设计温度100℃，操作温度为65℃，储罐有加热装置维持罐内温度。建设地点位于南京。储罐外层全部覆盖保温层，保温材料采用岩棉，保温厚度为60mm。最大泵送能力为60m3/h。储罐设计有氮封装置及呼吸阀，设定压力为正压+0.01MPa(G)，负压-0.0003MPa(G)，呼吸阀排向大气。现比较几种氮封设计方案所需的氮气流量，见表1。

表1　氮气流量比较表

美标中各气封方案在压力设定点控制动作见表2。

表2　各气封方案在压力设定点的控制动作

由表1和表2计算结果可以看出， HG/T 20570与API 2000在补气量计算值和工艺设计上存在明显差异。

惰性气补气用量计算值不同的原因在于：气温变化造成的补气量一项，计算公式中的项系数不同，即国标体系公式(3)系数为1；而美标体系的三级气封方案公式(式(4)，(5)，(6))各系数为分别0.1，0.2和0.5。

7结语

(1)从两种体系的计算方法来看，HG/T 20570.16中的方法计算出的补气量大于美标计算值。其计算过程简单，易于理解。气封气计算值较大，会增加运营成本。

(2)API 2000-2014对气封系统的设置描述严谨，相关的工艺设计与控制要求明确。计算值低于国内标准，可能会增加投资成本。

(3)中美两种标准体系之气温变化造成的补气量一项，计算公式中的项系数是造成其计算值差异的根本原因。采用国标计算时，补气量按最大吸气量计算；采用美标计算时，在储罐内保有一定量惰性气体的情况下，各级气封方案允许惰性气补气量有或多或少的折减。

(4)国标计算用气量较大，同时由于《石油化工储运系统罐区设计规范》SH/T 3007-2014又规定：采用惰性气封系统的储罐在通大气的通气管或呼吸阀上应安装阻火器。所以国内标准设计趋保守。

(5)对于部分不适宜安装阻火器的场合，国标没有提出明确的解决方案。而API 2000-2014的三级气封系统的设计，为装置的灵活设计提供了一个设计思路。通过自动化控制增加系统安全性，可以作为替代阻火器的备用方案，用来防止储罐回火。

参考文献

1HG/T 20570-95，工艺系统工程设计技术规定 [S].

2API STANDARD 2000-2014, Venting Atmospheric and Low-pressure Storage Tanks [S] .

3API RECOMMENDED PRACTICE 2028-2002, Flame Arresters in Piping Systems [S].

4API STANDARD 521- 2014，Pressure-relieving and Depressuring Systems [S].

5傅维镳，张永康，王清安. 燃烧学 [M]. 北京：高等教育出版社，1989-04.

6SH/T 3007-2014，石油化工储运系统罐区设计规范 [S].

(收稿日期2015-09-15)