常压储罐氮封系统供气量计算方法探讨

田 甜

(中石化宁波工程有限公司上海分公司，上海 200030)

1 概述

石油化工厂的储罐储存的多为易燃、易爆、易挥发的物料，为防止其和氧气接触，避免发生燃烧爆炸，通常在储罐的气相空间充入氮气以隔绝空气。在储罐内充入氮气后 ,不仅可减少避免有毒有害物质进入大气污染环境，同时还可阻止储罐内的物料与空气接触发生化学反应，减小发生火灾的可能性，提高介质的储存安全性。这种用氮气作为储罐的保护气体的措施称为氮封。氮封压力一般维持在0.5～1.5kPa之间。

2 氮封系统的工作原理及组成

氮气密封系统就是用氮气来补充储罐内的气相空间。有两种原因导致储罐内的气相空间变化，第一种是：当界区外物料打入储罐时，随着罐内液位的上升，储罐内的气体需向外排出以便保证储罐压力不会突然增大；当储罐内的物料被泵送至下游设备时，随着罐内液位的下降，需向储罐内补入氮气以保证储罐压力不会突然减少而抽扁储罐。第二种是：由于储罐设置在室外，受气温骤然变化而引起罐内温度的变化，热胀冷缩的效应导致储罐气相空间出现体积膨胀或收缩，从而引起罐内气体压力的变化[1]。

在正常的情况下，为防止储罐出现超压或负压状态，使用氮封系统即可维持压力平衡，在氮封阀事故失灵不能及时开启关闭时，呼吸阀能够起到良好的补充作用，为了确保储罐事故工况下的安全排放，还应在储罐上设置紧急泄放阀[2]。详见图1。

图1 氮封系统组成

3 氮封系统供气量计算方法

由氮气密封系统的基本工作原理可知，氮气供气量主要有两部分用途，一是由于储罐向外输出物料时，泵抽出引起储罐内物料体积减少而通过控制阀A补入氮气，二是由于储罐环境温度骤然降低而引起罐内气相空间中气体的冷凝和收缩，此时需补充氮气保持罐内压力稳定。其中，液体出罐时最大出液量所造成的氮气吸入量，应按液体最大出液量考虑。环境温度导致罐内气体收缩导致的氮气补充量可使用SH/T 3007-2014《石油化工储运系统罐区设计规范》[3]和美国石油协会编制的标准API2000-2014《常压和低压储罐的通气》[4]计算。SH/T 3007-2014和API2000-2014的计算方法有所不同，下面将分别说明两种计算方法。

3.1 SH/T 3007-2014计算方法

SH/T 3007-2014《石油化工储运系统罐区设计规范》中，根据5.1.6 c)条规定，因大气最大温降导致罐内气体收缩所造成储罐吸入的空气量和大气最大温升导致罐内气体膨胀而呼出的气体，宜按表1确定。

表1 储罐热呼吸通气需要量

从表1可知，标准SH/T 3007-2014计算气温变化引起的补氮量是根据储罐体积选择的，当储罐容积与列表不一致时，可用内插法求的所需气量。此气量与储罐最大出液量相加即为储罐需要的最大补氮量。

3.2 API2000-2014计算方法

API2000-2014适用于操作压力为103.4kPaG以内的常压或低压储罐，储罐类型分为制冷储罐和非制冷储罐。对于非制冷储罐，气温变化引起的吸气量可根据以下公式进行计算：

VIT=C*Vtk0.7*Ri

(1)

C-系数(由储存温度计纬度决定)，详见表2；

Vtk-储罐容积，m3；

Ri-保温系数(无保温时，Ri=1；部分保温Ri=Rinp见公式(2)；全保温Ri=Rin见公式(3))

(2)

ATTS-储罐总表面积(包括罐体和罐顶)，m2；

Ainp-储罐保温层表面积，m2；

(3)

h-通常取4W/(m2·K)；

lin-保温层厚度，m；

λin-保温层导热系数，W/(m·K)。

表2系数C

4 举例

本例为地处新疆的某聚合加氢树脂原料罐罐顶氮封量计算。如图2所示，聚合加氢树脂原料罐由三个完全相同的储罐(全保温)T-1001/1002/1003组成，原料双环戊二烯由卸车站台卸车泵送入，并由原料输送泵送至主装置。双环戊二烯液体易燃易爆易聚合，密度980 kg/m3，闪点32℃，自燃点503℃。储罐设计参数如下：

图2 聚合加氢树脂原料罐

储罐设计压力：2/-0.49kPaG；工作压力：常压；设计温度：60℃；工作温度：40℃。储罐直径/高度：11500/9600 mm；容积：1000 m3。

卸车泵送来流量(max)55 m3/h；

输送泵送至主装置流量(max)：6 m3/h。

储罐选用固定顶储罐，安全措施选择：氮封；呼吸阀；紧急泄放阀。氮封量计算结果如下：

(1)按照SH/T 3007-2014计算，氮封量分为两部分，一部分为输送泵将物料送往主装置引起罐内液位下降所造成的氮气补入量，为输送泵的最大流量6 m3/h；另一部分为环境气温变化引起储罐内气体收缩造成储罐吸入氮气量，由于单台储罐容积为1000 m3，对照表1，可得氮气补入量为169 m3/h，因此，单台储罐的氮气最大补入量为6+169=175 m3/h≈175Nm3/h，由于充入氮气减压至1kPaG,约等于标况下大气压。

(2)按照API2000-2014计算，氮封量依旧分为两部分，一部分为输送泵引起的储罐液位下降，为6 m3/h；另一部分按照公式(1)计算：

VIT=C*Vtk0.7*Ri

=C*10000.7*Ri

储罐全保温，此时Ri=Rin，按照公式(3)

根据统一规定，保温材料为岩棉制品，求得导热系数λin=0.042，W/(m·K)，保温厚度为60 mm，Rin=0.146。由于装置处于新疆地区，介质性质蒸汽压接近正己烷，储存温度≥25℃，查表2可得C=5，带入公式(1)，VIT=92 Nm3/h，因此，单台储罐的氮气最大补入量为6+92=98 Nm3/h。

5 结论

由计算结果可以看出，按照API2000-2014计算出的氮封量大大少于SH/T 3007-2014。因此，氮封设计过程中，在介质及工艺操作情况允许的条件下，可采取储罐增加保温层的方式，减少环境温度上升或下降对储罐气体的影响，从而减少密封氮气的用量，从而节省设备投资及能耗。在设计中应注意，储罐保温分为全保温(罐体罐顶均设置保温层)和部分保温(仅罐体保温)。对于同一储罐全保温比部分保温所需氮封量更少，但须注意罐顶做保温后的防滑措施。

参考文献

[1]张 华,陈莉莉.工艺设计中的氮气密封系统研究[J].安徽化工,2014,41(9):194.

[2]住房和城乡建设部.GB 50160-2008 石油化工企业设计防火规范[S].北京:中国计划出版社,2008.

[3]工业和信息化部.SH/T 3007-2014 石油化工储运系统罐区设计规范[S].北京:中国石化出版社,2014.

[4]API.API 2000-2014 Venting Atmospheric and Low-pressure Storage Tanks[S].Washington:[s.n.],2014.