天然气气封系统在原油储罐呼吸中的应用

岳建祥

中石化江苏油建工程有限公司，江苏扬州 225126

天然气气封系统在原油储罐呼吸中的应用

岳建祥

中石化江苏油建工程有限公司，江苏扬州 225126

通过分析原油储罐在运行过程中出现大小呼吸的原因及原油储罐罐顶安装呼吸阀解决大小呼吸时存在的安全隐患及大气污染等缺点，提出了利用天然气气封系统解决上述问题的方法。当储罐气体压力高于气封压力时，储罐内气体通过泄压阀自动排入火炬水封罐内；当储罐内气体冷凝或收缩导致储罐内压力下降并低于系统设定值时，通过补气系统中的旋风分离器分离出的天然气对储罐进行补气封，以阻止外界气体进入。该系统已在中石化加蓬AKONDO油田储罐中成功应用，有效解决了传统罐顶安装呼吸阀导致的排气对周围空气的污染和吸气造成罐内空气和油蒸气混合的情况，避免了储罐的胀罐和瘪罐的发生，为储罐吸气、排气现象引起的安全和环保问题提供了一种新的解决思路。

原油储罐；吸气；排气；天然气气封系统

原油储罐在运行过程中由于收、发油或环境温度、压力变化会出现补气、排气现象（俗称大小呼吸），国内通常采用在原油储罐罐顶安装呼吸阀的方式。而这种方式在排气过程中对大气造成污染，在吸气过程中会形成空气和油蒸气的混合气体，存在一定的危险性。本文通过分析大小呼吸的成因，提出采用天然气气封系统解决原油储罐的补气、排气问题，并已在中石化加蓬AKONDO油田生产储罐设施中成功应用。

1 原油储罐出现大小呼吸的原因

1.1 储罐大呼吸

大呼吸是指在原油储罐收、发油作业时的呼吸。原油储罐进油时，由于油面逐渐升高，气体空间逐渐减小，罐内压力增大，当压力超过呼吸阀控制压力时，一定浓度的油蒸气开始从呼吸阀呼出，直至罐内压力低于呼吸阀控制压力时停止。原油储罐向外发油时，由于油面不断降低，气体空间逐渐增大，罐内压力减小，当压力小于呼吸阀控制值时，原油储罐开始吸入新鲜空气，由于油面上方空间油气没有达到饱和，促使油品蒸发加速，使其重新达到饱和，罐内压力再次上升，造成部分油蒸气从呼吸阀呼出。

1.2 储罐小呼吸

小呼吸是指在原油储罐没有收、发油作业情况下的呼吸，由于外界气温、压力在一天内会有周期性升降，因而罐内气体空间温度、油品蒸发速度、油气浓度和蒸气压力也随之变化，这种变化会导致储罐内油蒸气的呼出和空气的吸入[1]。

2 罐顶安装呼吸阀存在的问题

不管是大呼吸还是小呼吸，都是罐内压力与罐顶呼吸阀的控制压力平衡的结果。当出现罐内压力超过罐顶呼吸阀控制压力时，此过程中排放出的油蒸气会造成周围大气的环境污染[2]。而当原油储罐内压力小于呼吸阀控制值时，此过程会造成原油储罐上部气相空间形成空气和油蒸气的混合气体，如当混合气体浓度处于爆炸极限时可能会由于静电作用或者操作不当造成的明火导致油罐爆炸。

当罐顶呼吸阀呼气和排气设置压力失灵时，也可能造成呼吸阀动作不灵敏从而导致胀罐瘪罐的发生：当罐内压力大于呼吸阀设置的排气压力时呼吸阀未动作会造成胀罐，当罐内压力小于呼吸阀设置的吸气压力时呼吸阀未动作会造成瘪罐。

3 天然气气封系统的应用

针对传统采用罐顶安装呼吸阀解决储罐大小呼吸的方式存在的不足，结合加蓬AKONDO油田生产设施项目环保和安全要求较高的实际情况，在设计阶段进行分析和论证，最终提出了在加蓬项目中应用天然气气封系统来解决传统呼吸阀的不足之处。

3.1 天 然气气封系统工作原理

天然气气封系统主要由火炬水封罐、旋风分离器、对应的低压管网、补气系统和排气系统等组成。当储罐进油或由于外界温度升高使储罐内液体气化而使罐内气体压力高于气封压力时，储罐内气体通过泄压阀自动排入火炬水封罐内。当储罐内原油被泵抽出或由于外界温度降低，储罐内气体冷凝或收缩导致储罐内压力下降并低于系统设定值时，通过旋风分离器分离出的天然气对储罐进行气封气的补入，阻止外界气体进入。常用的气封气包括氮气、天然气等，考虑到储罐内原油的性质以及进站原油分离出的伴生气较多，天然气作为气封气较为安全和经济，本项目采用天然气作为气封气。

3.2 天然气气封系统在储罐排气中的应用

本项目共涉及3座1 000 m3原油储罐，设计压力为（-600 Pa，+2 160 Pa）。其排气系统工艺流程见图1（以其中1座储罐为例）。

图1 原油储罐排气系统工艺流程

当由于进油或环境温度、压力变化引起储罐内压力出现正压时（如为微正压时则保持其罐内压力），如罐内压力继续上升并达到突破火炬水封罐水封压力时，储罐内气体则通过罐顶的放空管道排放至火炬系统的水封罐内并同时突破水封压力至火炬筒体燃烧。本项目水封罐设计水封高度为80～110 mm，实际运行中为100 mm。因此当罐内压力继续上升至980 Pa左右时，罐内气体开始突破水封罐至火炬筒体燃烧。如出现事故工况，导致突破水封也无法使原油储罐的压力正常泄放而致使储罐内压力继续上升，当储罐内压力上升至+1 960 Pa时，罐顶安装的液压安全阀则会动作，罐顶压力将使液压安全阀内部分液压油被顶出，从而使罐内压力得到释放。

此方案在加蓬AKONDO现场接近2年的应用表明，当罐内压力上升至980 Pa左右时，便通过突破水封至火炬筒体燃烧，并将罐内压力稳定在980 Pa以下，而液压安全阀基本无需动作。因而在储罐正压过程中不会有油蒸气排出罐外，避免了储罐安装呼吸阀的频繁排气对周围大气环境的污染，同时避免了胀罐事故。

3.3 天然气气封系统在储罐补气中的应用

针对储罐由于发油或温度、压力变化导致罐内压力下降的情况，通过旋风分离器分离出的天然气对储罐系统进行补气。补气系统中设计有自力式调节阀、电动切断阀和罐顶液压安全阀等。

3.3.1 补气量的计算

对于极端工况下储罐系统需要的补气量，根据SY/T 0511.1-2010《石油储罐附件第1部分》附录A.5.1中呼吸阀通气量的计算方法计算[3]。

3座1 000 m3的原油储罐放空管道是联通的，储罐总容积为3 000 m3，放空管容积约100 m3，SY/T 0511.1-2010中容积小于3 200 m3油罐的通气量变化计算公式为：

式中：Q为由于气温变化（包括骤降大雨致使油气温度下降）引起的通气量变化，m3/h；V为储罐总容积，按气相空间总容积考虑，m3。

本文按最不利工况，即3座罐都为空罐时加上放空管道体积考虑，则有：

Q=0.178×3 100=552（m3/h）

因此在3座储罐都为空罐，同时又骤降暴雨的极端工况下，储罐的补气量取值为600 m3/h。

3.3.2 补气系统

原油储罐补气系统工艺流程见图2（以其中1座储罐为例）。

图2 原油储罐补气系统工艺流程

储罐补气系统中自力式调节阀补气调节范围为0～600 m3/h，电动切断阀开启、关闭压力为200 Pa、600 Pa，罐顶液压安全阀补气动作压力为-490 Pa。当储罐内压力下降至200 Pa以下时，电动切断阀自动打开，随后自力式调节阀通过阀后取压管取压使阀门动作并打开对储罐进行补气。当补气压力上升至600 Pa以上时，电动切断阀关闭，停止对储罐进行补气。当出现事故工况导致储罐系统压力继续下降，下降至-490 Pa时，罐顶液压安全阀动作，部分液压油吸入罐内使罐内压力得到补充。

此方案在加蓬AKONDO油田接近2年的现场应用表明，当罐内压力下降至200 Pa以下时，通过此套补气系统完全满足储罐补气需求，使储罐维持在微正压，而液压安全阀基本无需动作。因而在储罐发油过程和环境温度、压力变化过程引起储罐内压力下降过程中，避免了储罐安装呼吸阀的频繁吸入空气造成罐顶气相空间存在空气和油蒸气，同时避免了储罐由于补气不足可能造成的瘪罐事故。

4 结束语

在中石化加蓬AKONDO油田原油储罐项目中天然气气封系统已安全稳定地运行了近2年，有效解决了传统罐顶安装呼吸阀导致的排气对周围空气的污染和吸气造成罐内空气和油蒸气混合的情况，并最大限度地避免了由于事故工况造成的储罐的胀罐和瘪罐情况的发生，得到了加蓬当地石油局的高度认可。

天然气气封系统在运行过程中，要加强对流程中涉及到的如自力式调节阀、电动阀的维护保养，并加强对罐顶液压安全阀油位的检查。对于排气系统水封罐的液位高度，虽然设置为自动补水，但也要加强检查。希望通过此实例能够对原油储罐的“大小呼吸”现象造成的空气污染和可燃混合气体情况的解决提供一种新的思路和启示。

[1]SY/T 0511.1-2010，石油储罐附件第1部分：呼吸阀[S]．

[2]何小珍.浅谈影响储罐有机废气大小呼吸的因素及减缓措施[J].广东化工，2006，33（7）：97-98．

[3]戴小平，徐俊.有机溶剂储罐呼吸气的计算及防治措施[J].浙江化工，2010，41（7）：27-30.

Application ofnaturalgas sealing system in crude oilstorage tank breathing

YUE Jianxiang

Sinopec Engineering&Construction Jiangsu Corporation，Yangzhou 225126，China

Based on the investigation on reasons causing working loss and standard storage loss in crude oil tanks and the analysis on shortcomings causing potentialhazards or air pollution in the resolution of installing breathing valves at the roof of crude oiltanks，we put forward an approach of using naturalgas sealing system to solve the aforesaid problems.When gas pressure in the crude oil tank is higher than that of the natural gas seal，gas will freely flow into water sealed tank of flare system through pressure relief valve.In the event of gas condensation or contraction in the crude oil tank which causing gas pressure dropping below the set value，natural gas cyclone separator will supplement gas into crude oil tank to prevent gas to flow in from outside.The natural gas sealing system has been applied in storage tanks in Sinopec Gabon AKONDO Oilfield，and has effectively solved the problem of exhaust gas pollution caused by traditional method of installation breathing valves at crude oiltank roof and the mixture problem of air and oilgas caused by crude oiltank suction.The naturalgas sealing system has also been proven effective in avoiding crude oiltank sunken or expanded.It provides a new solution for issues in terms of storage tank safety and environmentalproblems caused by the gas suction and exhaust of crude oiltank.

crude oiltank；suction；exhaust；naturalgas sealing system

10.3969/j.issn.1001-2206.2017.01.017

岳建祥（1986-），男，陕西西安人，工程师，2010年毕业于西安石油大学油气储运工程专业，长期从事油气田地面工程建设技术管理工作。Email：358204796@qq.com

2016-07-23；

2016-11-21