常压可燃液体储罐氮封工艺系统设计

杨建宁

（中国市政工程西北设计研究院有限公司陕西分院，西安 710000）

1 应采用氮封系统进行保护的储罐类型

1.1 结构类型

当前，有2种结构形式的可燃液体储罐需采用氮封进行保护，即内浮顶储罐和固定顶储罐。

1.1.1 内浮顶储罐

内浮顶储罐常用于储存火灾危险性为甲、乙类挥发性比较强的物料或对洁净度要求比较高的物料。浮盘在液体浮力作用下可浮动于液面上方，可随罐内液面升降，起到减少物料挥发物料损失的作用。尽管储罐液面上方有浮盘的保护，但浮盘与储罐壁之间不可避免地存在一定的密封间隙，所储存的物料在气温较高时容易挥发，易挥发的物料有可能沿着空隙溢出聚集于浮盘上部空间。当以上物料的蒸汽浓度处于爆炸上下限范围内时，如遇静电或其他不可预见因素产生的火花，就可能发生爆炸或者火灾事故而造成损失，因此必须采用氮封系统对其进行保护。

1.1.2 固定顶储罐

固定顶储罐作为一种广泛应用的仓储容器，适用于常压液态物料的储存。当储存物料需与空气隔离或者物料易挥发产生危险爆炸危险性气体时，人们就需要采用氮封系统对这种储罐进行保护。

1.2 储罐的使用范围

一般的常压储罐常采用立式圆筒形钢制储罐，其顶部结构形式属于弱顶结构，其顶部与筒体进行弱焊连接，它可以在事故工况下发生爆炸时起到顶部可掀翻泄压的作用，以避免筒体破坏造成物料大面积泄露，其设计压力（表压）限制在-0.5～6.0 kPa范围内。因此，当储存物料的蒸汽压数值在6 kPa以上时，可考虑采用浮顶罐进行储存。

储存液体物料常压闪点低于45℃时，由于物料挥发性强烈，储罐可能会承受一定的内压，可采用压力储罐或低温类保冷效果好的常压类储罐。

2 氮封系统的作用、应用

氮封阀是氮封系统的主要控制元部件，其作用就是：当储罐内力受外界因素影响降低时，氮封阀会自动开启将气源管道内的氮气向罐内补充以维持储罐微正压状态，防止储罐由于压力过低被外界大气压压瘪。当液面上升或储存介质的蒸发量过大造成储罐内压力增大，储罐上部空间气相压力超过储罐顶部的呼吸阀的开启压力时，呼吸阀开启，排除储罐内部分气相介质，使储罐维持在微正压（400～1 000 Pa），即使储罐处于可承受的压力范围内[4-7]。

2.1 氮封系统的作用

2.1.1 保护储罐

当气温骤降引起物料蒸汽大量冷凝或者物料大量外输引起液面迅速降低等因素造成储罐内力降低时，氮封阀开启，及时向储罐内补充氮气，避免常压储罐因真空度过大被外界大气压压瘪。

2.1.2 保护储存物料

如只采用呼吸阀，当储罐内压力降低时，外界空气会吸入储罐内；如采用氮封系统，氮气作为储罐降压时的补气气源，可控制物料上层气相的空气含量，以防止物料被外界气体污染，提高物料长期存储的安全性。

2.1.3 减少大气环境污染

氮封系统维持储罐内微正压可减少物料的蒸发量，从而起到减少物料挥发的作用。

2.2 氮封系统的应用

储罐是否需要氮封，主要根据物料的物性来决定，通常在以下几种工况下，储罐需要用氮封：

储存挥发性大或毒性大，对环境污染较大的液体储罐；储存物料容易发生氧化或本身吸水性或水溶性比较强的储罐；储存物料闪点较低的液体储罐[8-9]。

3 氮封系统设计

3.1 设计原则

考虑到氮封阀需要检修，为保证储罐或者物料安全，应给氮封系统设置备用氮气补充装置，通常采用气动直通薄膜调节阀旁路与供应氮气的主管连接，正常工况下可使用氮封系统进行保护；当氮封阀失灵或者处于检修校正状态下不能正常工作时，备用的旁路相应调节阀开启，给储罐内补充氮气；当因气温升高引起物料大量挥发或者物料大量进入储罐使储罐压力高于设计值时，先通过呼吸阀排放罐内气体，当呼吸阀无法满足降压要求时，通过紧急泄压阀开启排除气相降低压力，这两种系统可通过电气控制系统进行连锁，分别设定相应的工作压力级别进行控制。紧急泄压阀设置定压不应高于储罐的可承受的最高工作压力，以确保储罐的安全排放。

3.2 常用的氮封系统

3.2.1 氮封阀控制的氮封系统

氮封阀一般采用自力式氮封阀，可通过自反馈系统自动控制氮气流量，使阀后压力保持恒定范围内[1]。该种阀门的特点包括：可控制精度高，可进行自反馈矫正；调节压差比大，特别适合微压气体控制；压力设定在执行器上实现，可在运行状态下连续设定。

氮封是采用氮封阀本身的反馈调节机制控制相应阀门开关度，从而达到调整储罐内压力的目的。储罐上设置的压力变送器为氮封阀提供连锁信号反馈，压力低于系统设定压力值且持续降低时，氮封阀接收到储罐压力变送器连锁信号后打开，氮气经氮封阀进入罐内直到储罐内压力达到正常范围。罐内压力高时,气相通过呼吸阀或者紧急泄压阀排出[10-11]。

3.2.2 氮封阀配水封的氮封系统

当储存物料对水蒸气含量要求不严格时，可采用氮封阀配水封的氮封系统，如图1所示。

水封的作用：当储罐内压力超过设氮封系统的定值时，通过水封装置向外排放气体，达到泄压的目的；当氮封阀和机械呼吸阀同时失灵，罐内产生负压时，可通过水封系统吸入空气，保护储罐不发生变形损坏[2]。

图1 配套水封的氮封系统

3.3 氮封系统供气量的计算

氮封装置的供气量可根据物料的外输量、气温因素引起的气象冷凝或收缩量来确定。氮气计算用量应大于或等于物料外输时储罐需要的补充气量与气温骤降（如暴雨天气）而引起的罐内气体收缩或者迅速冷凝引起气相减少所需的补充气量之和。

物料的外输补充气量等于最大输出能力。当气温因素引起罐内气体收缩或迅速冷凝造成气相减少时，需要补充气量，人们在设计时可参靠美国石油学会相关标准。《常压和低压储罐的放空》（API 2000）有如下规定：对有效容积不小于3 180 m3的常压液体储罐，补充气量与储罐壳体面积和罐顶的表面积呈比例关系，每单位面积（壳体面积和罐顶的表面积）每小时需要补充0.6 m3氮气；对有效容积小于3 180 m3的储罐，每单位容积每小时需要补充的气量为0.78 m3。设计时，上述两项所需气量之和再加一定量的损耗，就是单个储罐氮封系统所需消耗的氮气量[3]。

4 结语

人们应根据储罐储存的物料物性要求来确定氮封系统使用的氮气纯度，其不宜低于99.96%，一般来说，化工项目都有相应的空分系统，空分装置生产的氮气或者仓储项目使用的制氮机制取的氮气经系统调压后即可满足使用条件。

储罐设置氮封系统可以防止罐内气相空间形成爆炸性混合物，同时可防止和避免可燃有毒介质的挥发对环境造成污染；减少吸水性物料对水分的吸收；降低易氧化物料的氧化反应。储罐设置氮封系统是原料储存环节至关重要的保护性措施。