储罐氮封用气量计算与研究

张 鹏 周建文

(九江石化设计工程有限公司，江西 九江 332000)

目前，石油化工行业的储罐主要储存易燃易爆、可燃及有毒的油品介质。为保证储罐运行安全、减少储存介质对环境的污染，国家及石化行业出台了许多标准、规范，例如：《石油化工企业设计防火标准》GB50160、《石油化工储运系统罐区设计规范》(SH/T3007)、《中国石油化工股份有限公司炼油轻质油储罐安全运行指导意见》(石化股份炼调(2010)14号附件)。这些标准、规范要求储罐设置的措施中氮封为主要的安全及环保措施之一。

1 氮封主要作用

一般情况下，储罐设置氮封系统主要是从生产运行安全、环境保护、产品质量等方面考虑，其作用主要为：

(1)防止可燃介质储罐内的油气与空气接触形成爆炸性气体，降低发出事故的危害性，提高储罐的运行安全。

(2)有效隔绝储存易氧化、易聚合不稳定的物料与氧气接触，防止生成聚合物、氧化物。

(3)隔绝空气，防止储存含硫量较高的油品产生的FeS自燃。

(4)保持罐内正压，减少油气蒸发损耗；氮气比油品蒸汽轻，储罐呼吸时有效减少油气的呼出，保护环境。

2 氮封技术

目前，储罐氮气密封技术主要分为两种，一种为压力控制技术，另一种为氧含量控制技术。

2.1 压力控制技术

基本原理：在储罐上设置氮封系统，主要包括氮封阀、限流孔板、带阻火器呼吸阀及紧急泄放孔。系统维持罐内气相空间压力在0.4kPa左右，当气相空间压力高于0.5kPa时，氮封阀关闭，停止氮气供应；当气相空间压力低于0.2kPa时，氮封阀开启，开始补充氮气，保证储罐在正常运行过程中不吸进空气[1]。

工艺流程：在每台储罐上设置先导式氮封阀组和限流孔板旁路，正常情况下使用氮封阀组维持罐内气相空间压力。当氮封阀需要检修或故障时，使用限流孔板旁路给储罐内补充氮气；当氮封阀事故失灵不能及时关闭，造成罐内压力超过0.9kPa时，通过带阻火器的呼吸阀外排；当氮封阀事故失灵不能及时开启时，造成罐内压力降低至-0.3kPa时，通过带阻火器呼吸阀向罐内补充空气，确保罐内压力不低于储罐的设计压力低限-0.5kPa。为确保设置氮封储罐事故工况下的安全排放，应在储罐上设置紧急泄放阀，紧急泄放阀定压不应高于储罐的设计压力上限2.0kPa。

2.2 氧含量控制技术

基本原理：在储罐上设置氮封系统，主要包括氧气浓度检测器、氮气控制阀、限流孔板。系统维持罐内气相空间氧气浓度不大于5%，消除爆炸条件。

工艺流程：在储罐内安装氧气检测器，实时监测储罐内气相空间氧气浓度，同时将高浓度报警与氮气管道控制阀门联锁。当氧气浓度达到高浓度值时报警，联锁打开氮气阀门，向储罐内补充氮气，直至检测指标达到设定要求时联锁关闭氮气阀门。补充氮气的流量控制使用限流孔板，流量宜控制不小于油品出罐流量(若有联通管道，氮气流量不小于液体流量差)，且Q不应小于100m3/h，氮气管道的管径为DN50，氮气的操作压力为0.5MPa。氧气浓度监测信号引入控制室，控制室设氧气浓度超标报警仪。

3 氮封气用量计算

氮封系统设置需正确计算氮气用量，为产氮设备选型或厂区氮气平衡提供准确的技术参数。储罐氮封用氮量基本由两部分组成，一部分是由机泵抽出液体需补充的气体量，第二部分是由气温变化引起罐内气体冷凝所需补充的气量。

目前，储罐氮封系统氮气用量计算主要方法如下。

3.1 计算方法一

此方法为《石油化工设计手册》[2]中气封计算方法，主要依据按照美国石油协会API标准2000中规定进行估算。这种估算方法基准是允许罐内气体每小时温度变化37.8℃，是偏于保守的估算方法，且此中估算方法只适用与拱顶罐或其它固定顶罐，不适用内浮顶罐。

即：Q=Q1+Q2其中，Q为氮气消耗量，m3/h；

Q1为泵抽出储罐内液体所需要补充的气体量，m3/h；

Q2为环境温度变化而产生的储罐内气体热胀冷缩所需补充的气量，m3/h。当储罐容积小于3180m3时，Q2=0.178V；当储罐容量大于3180m3时，Q2=0.6S。式中V为储罐最大容积，m3；S为储罐罐壁和罐顶表面积之和，m2。

此估算方法与《石油化工储运系统罐区设计规范》(SH/T3007)[3]规定储罐通气管或呼吸阀的通气量确定方法基本一致。规范《石油化工储运系统罐区设计规范》规定储罐呼吸阀的吸气量不得小于液体出罐时的最大出液量所造成的空气吸入量加上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，储罐吸入或呼出空气量可按下表确定：

表1 罐热呼吸通气需要量

3.2 计算方法二

根据关于印发《石油化工储运罐区罐顶油气连通安全技术要求(试行)》的通知(中国石化安技(2018)33号)[4]的有关规定，当储罐内存储的物料被泵抽出和(或)由于外界温度降低时，储罐内气体冷凝或收缩，需要补入氮气。氮气补充速率根据氮封采取的不同措施分为三种级别。

1)三种氮封级别的补氮速率计算公式如下：

V1=0.1C×Ri×Vtk0.7+Vpe

V2=0.2C×Ri×Vtk0.7+Vpe

V3=0.5C×Ri×Vtk0.7+Vpe

其中，V1、V2、V3分别为级别1、2、3的氮封流量，m3/h；

C为储存因子，与物料的蒸汽压、储存温度和储罐地理纬度相关，见表2：

表2 储存因子C

Ri为储罐绝热消减因子，与储罐采取的保温(保冷)方式相关；

-当储罐无保温时：Ri=1；

-当储罐整体采用保温时：Ri=1/(1+h·lin/λin)；

其中，h是是内部热传导系数，单位：W/m2·k；对于典型储罐通常取4W/(m2·k)；lin是保温层厚度，单位m；λin是保温层的热导率，W/(m·k)。

-当储罐部分采用保温时：Ri=(Ainp/ATTS)·[1/(1+h·lin/λin)]+(1-Ainp/ATTS)；

其中，ATTS是储罐的总表面积(罐壁及罐顶)，单位：m2；Ainp是储罐保温层面积，单位：m2；

Vtk为储罐容积，单位：m3；

Vpe为最大泵出量，单位：m3/h。

2)三种氮封级别配套安全措施

对于采用第一级别补氮速率的储罐，应采取以下安全措施：

(1)设置储罐气相空间压力低报警，报警值为呼吸阀设定负压；

(2)设置在线氧含量监测；

(3)呼吸阀阻火器应为长时间耐烧型大气爆燃阻火器，阻火等级为ⅡA，耐烧时间不低于2小时。

对于采用第二级别补氮速率的储罐，应采取以下安全措施：

(1)设置储罐气相空间压力低报警，并联锁切断储罐出料；

(2)呼吸阀应安装大气爆燃阻火器，阻火等级为ⅡA型。

对于采用第三级别补氮速率的储罐，应采取以下安全措施：

(1)补氮速率应能确保储罐压力处于大气压力以上；

(2)应设置储罐压力低报警，并联锁切断储罐出料，联锁压力应高于大气压；

(3)压力监测报警联锁系统采用冗余设计；

4 实例

江西某炼化厂成品罐组布置了2台5000m3的储存苯乙烯的内浮顶储罐，储罐操作温度为13℃，罐整体保温(泡沫玻璃，50mm厚)，直径为22.5m，壁高为14m，拱高2.46m，罐顶曲率半径27m。储罐设置氮封设施，氮封设置采用压力控制方案，主要设施包括氮封阀、呼吸阀、单呼阀、紧急泄放孔。氮封阀开启压力为0.2kPa，关闭压力为0.5kPa。罐组储罐设置气相联通管。罐组配套机泵最大输送量为360m3/h。当地全年平均气温为17.2℃，夏季极端最高气温40.9℃，冬季极端最低气温-9.7℃，历年最热月平均温度(7月)29.4℃，历年最冷月平均温度(1月)4.1℃。

4.1 采用计算方法一

氮气用量：Q=Q1+Q2

其中：Q1=360m3/h；

Q2=2×0.6S=2×0.6×(3.14×22.5×14+2×3.14×27×2.46)=1687.46m3/h

则：Q=Q1+Q2=360+1687.46=2047.46m3/h

4.2 采用计算方法二

根据储罐附件配置情况，采用第二级别补氮速率进行计算：

V2=2×0.2C×Ri×Vtk0.7+Vpe

其中：储存因子C据表查得为6.5

储罐整体采用保温：Ri=1/(1+h·lin/λin)

其中：h取常规值4W/m2·k；lin为保温层厚度0.05m；λin是保温层的热导率0.058W/(m·k)

则：Ri=1/(1+4×0.05÷0.058)=0.225

Vtk为储罐容积5000m3；

Vpe为最大泵出量360m3/h；

则：V2=2×0.2C×Ri×Vtk0.7+Vpe=2×0.2×6.5×0.225×50000.7+360=587.2m3/h

根据实例计算结果可知，方法一中氮封用量计算值比方法二计算值大。方法一为估算值，未考虑储罐保温、储存温度及环境温度等因素的影响，导致计算结果偏大。现实中，工厂企业所需氮气实际用量也远小于方法一计算值。因此，如需选配制氮设施时，建议采用方法二进行计算。

5 结语

储罐设置氮封既能有效减少油气的挥发、提高企业的经济效益，也能保证产品的质量及生产运行安全、保护环境，符合国家环保政策。

储罐选配需从经济、安全及实用等方面统筹考虑，对于可通过选用内浮顶罐满足要求的，尽量选用内浮顶储罐；对于需设置氮封设施的，必须合理配置氮封阀、呼吸阀、紧急泄放孔等储罐附件且准确确定各附件技术参数。储罐可通过设置保温、喷淋设施、气相连通管等设施减少油气蒸发损耗，节约氮气用量。