浮顶储罐设置PVV的必要性与计算方法探讨

王 建

(中石化石油工程设计有限公司,山东 东营262700)

我国从70年代开始建造5万m3浮顶油罐,80年代中后期开始建造10万m3浮顶油罐【1】,之后又自主设计建造了12．5万m3和15万m3两种规格的浮顶油罐.经过近40年的发展和改进,大型浮顶储罐的材料选用、设计计算、施工方法、附件设置等趋于成熟,但是浮顶边缘呼吸阀(以下简称PVV)的设置原则和计算方法等方面尚存争议,尤其是当海外项目的储罐规格、介质特性、环境条件、配套设施等与国内工程存在较大差异时,无法照搬国内经验,必须综合考虑安全性、经济性等因素,科学合理地评估设置PVV的必要性以及确定其规格和数量等.

1 浮顶PVV简介

1．1 设置PVV的必要性

运行状态下,环形间隙的上部被浮顶密封隔离,下部被介质液封,从而形成一个比较封闭的气相空间.随着运行时间的延长,原油介质中的挥发性气体、进油管线泵入的气体逐渐积聚而形成压力.该空间保持一定的正压有助于抑制油气挥发,但是压力超出允许范围则可能对罐壁、浮顶和密封造成损害.另外,环境温度骤降等特殊工况下可能使该气相空间形成负压,也存在损坏罐体、浮顶或密封的风险.通过设置一定规格和数量的PVV,可以使气相空间的压力维持在安全的范围,减少油气挥发损耗,并实现可燃性气体的集中排放.

1．2 PVV安装位置及相关浮顶附件介绍

通常情况下,PVV安装位置如图1所示,其通过导通管与浮顶环形间隙连接,使气相空间的压力保持在适当的范围内.

图1 PVV安装示意

与PVV相关的浮顶附件介绍如下:

1)浮顶密封,安装在环形间隙的顶部.性能良好的密封产品可以减少99%以上的原油挥发损耗.

2)自动通气阀,安装在浮顶上.当浮顶落至检修高度时,自动通气阀自动打开,气体得以排出或补充;当浮顶升起后通气阀关闭,以防止油气挥发损耗.

1．3 PVV的设置依据

GB 50341【2】和 API 650【3】是应用较为广泛的国内和国际储罐设计建造标准,然而这两个标准中都只要求在浮顶安装自动通气阀,未提及PVV.API 2000【4】和ISO 28300【5】是国际通用的储罐泄放标准,然而这两个标准也都明确规定不适用于外浮顶储罐的泄放计算.

尽管在主要标准中没有强制要求安装PVV,但是世界各地建造的外浮顶原油储罐大都安装有PVV.近年来我国10万m3和12．5万m3储罐大都安装8个4″的PVV,15万m3储罐安装9个4″的PVV;壳牌公司规定直径不大于50 m的浮顶罐至少安装2个4″的PVV,直径大于50 m的至少安装3个.可见,世界各国都认可浮顶储罐设置PVV的必要性,但是由于缺少通用的计算方法,导致PVV设置的数量出现了较大差异.

2 浮顶环形空间工况分析

以支柱是否与罐底接触为基准,把浮顶分为支撑状态和漂浮状态.当浮顶处于支撑状态时,自动通气阀全开,浮顶内外压力平衡;当浮顶处于漂浮状态时,自动通气阀关闭,环形空间的压力需要通过PVV进行调节.

2．1 正压工况

环形空间出现正压的工况主要有两个:

1)工况一,支撑状态下原油液位从图2所示的状态达到图3所示的液封临界状态后,气相被封于边缘环形空间,继续泵入原油至浮顶浸液深度C(如图4所示)后,浮顶转为漂浮状态.该过程中浸液深度C所对应容积的空气被压缩,导致环形空间压力升高.

2)工况二,浮顶处于漂浮状态后,原油中夹带或蒸发的油气逐渐在环形空间积聚,加之环境温度升高等因素影响,导致压力升高.

2．2 负压工况

环形空间出现负压的工况也主要有两个:

1)工况一,浮顶处于漂浮状态时,由于雨、雪等原因导致环形空间温度急降,从而形成负压.如泰国石油公司要求考虑15 min降温20℃的工况.

图2 自动通气阀呼出阶段

图3 液封临界状态

图4 PVV呼出阶段

2)工况二,浮顶从漂浮状态向支撑状态过渡的过程中,支柱与罐底接触的瞬间环形空间依然保持浸液深度C,如图5所示.此后,继续泵出原油直至图3所示临界状态,环形空间体积膨胀、压力降低;当压力达到PVV的吸气开启压力时,PVV开启,外界空气得以补充.液位继续降低,自动通气阀解除液封,PVV关闭,如图6所示.

3 基于风险分析安装PVV的必要性

如第2节所述,浮顶储罐运行过程中难免出现正压和负压,此压力主要施加于罐壁、一次密封和浮顶外边板.

图5 PVV吸入阶段

如表1所示,环形空间存在压力时的危险工况主要有两个:一是正压工况下罐壁应力超标;二是正、负压工况下一次密封损坏.具体分析如下:

1)浮顶储罐虽然常被称为常压储罐,但是环形空间的正压是实实在在存在的.以泰国某项目为例,该项目拟储存的21种原油和凝析油在60℃下的饱和蒸气压最高可达82．6 k Pa,如果不及时泄压,很可能造成罐壁的变形或开裂.

图6 自动通气阀吸入阶段

2)常用的一次密封有弹性填充密封和机械密封,其中弹性填充密封一般有很好的变形性,而机械密封的密封膜与Shoe Plate和外边板的螺栓固定处往往容易发生撕裂.采用厚度为0．25 mm的聚四氟乙烯密封膜进行50 k Pa耐压试验,保压10 min,试验结果显示,在螺栓孔处普遍出现撕裂(如图7和图8所示).所以采用机械密封的浮顶尤其应设置PVV以保护密封膜.

表1 正、负压工况分析

图7 聚四氟乙烯密封膜压力试验

图8 聚四氟乙烯密封膜撕裂

4 PVV相关计算

API 2000用于固定顶储罐泄放量计算时,一般是基于储罐的全容积或全接液面积选用相关参数.与固定顶不同,浮顶处于漂浮状态时,始终与油面接触,油气仅存在于环形间隙且容积相对较小,所以API 2000特别注明,不适用于外浮顶储罐的泄放计算.本文的解决思路是,基于各工况所对应的液相和气相空间确定计算模型的容积和接液面积,进而在API 2000中选用合适的参数和计算公式.下面以某海外项目12万m3原油储罐为例,探讨PVV的相关计算.

4．1 储罐设计参数

某海外项目12万m3原油储罐设计参数见表2.

4．2 PVV额定通气量

PVV的额定通气量一般由厂家提供,国内项目也可按照SY/T 0511．1【6】选取适合开启压力等级的PVV之后得到对应的额定通气量.国际采购时,各供货商的产品往往自成体系,而且大都采用“定压＋超压限度”的参数组合计算PVV的泄放能力.本例中选用美国EMERSON公司定压0．75 k Pa的PVV,超压限度30%(0．225 k Pa),额定呼气通气量(标准状态)815．6 m3/h,额定吸气通气量(标准状态)253．2 m3/h.

表2 储罐设计参数

4．3 环形空间呼吸量计算

4．3．1 正压工况一

从空罐到液封临界状态的时间:

从液封临界状态到浸液深度C的时间:

由式(1)和式(2)可见,原油充满浸液深度C的过程只有12．4 s,远小于其从空罐到HMin的2．34 h.因此,可以假设液位到达液封临界状态之前环形空间的气体温度已经稳定,只考虑由于体积压缩而引起的压力升高.参考API 2000,该过程中的呼气量可近似等于原油的泵入流量(标准状态)4 620 m3/h.

4．3．2 正压工况二

当环境温度升高时,储罐温度随之升高,一方面加剧了原油的挥发,另一面会使环形空间的压力升高.罐内液位越低,则响应环境温度的速度越快,所以可使用液封临界液位HMin计算VThermal outGbreathing.

参考API 2000,有

式中:VThermaloutGbreathing——由于温度升高气体膨胀或加速挥发引起的呼气量,m3/h;

Y——与储罐所在纬度相关的参数,取0．32;

Vtk——用于计算的储罐容积,取HMin所对应的容积;

Ri——保温减弱系数,该罐无保温所以系数取1．0.

则

4．3．3 负压工况一

环境温降主要影响气相空间的温度和压力.当浮顶处于支撑状态时,空气可以通过自动通气阀进入罐内,所以不需要考虑该状态;当浮顶处于漂浮状态,且气相空间处于负压或微正压时遭遇环境温度骤降,则气体收缩压力下降,PVV吸气以维持压力平衡.

参考API 2000,有

式中:VThermalinGbreathing——由于温度降低气体收缩或冷凝引起的吸气量,m3/h;

Z——与储罐所在纬度和介质温度相关的参数,取6．5;

V′tk——环形气相空间所对应容积,约49 m3;

则

4．3．4 负压工况二

参考API 2000,满足介质温度低于40℃或者蒸气压力小于5 k Pa的条件时,该工况下的吸气量可近似等于原油的泵出流量(标准状态)1 870 m3/h.

4．4 PVV数量确定

综合4．3节的4种工况,PVV的需求数量如表3所示.

表3 PVV需求数量汇总

由表3可见,该储罐PVV的数量应不少于8个.

5 优化建议

5．1 PVV与自动通气阀连通

如4．3和4．4节所述,环形空间通气量最大的两个工况是支撑状态与漂浮状态相互转换的两个过程.这两个过程中虽然自动通气阀是完全打开的,但是因为液封的存在无法工作.通过设置如图9所示的连通管将环形空间与自动通气阀连通,可使其参与压力调节,甚至可以借此减少PVV的数量,提高项目经济性.

图9 带连通管的PVV设计

5．2 减小低液位时的流量

从2．1和2．2节的工况分析可以看出,最大呼吸量均出现在液封临界状态.如果在此状态适当减小泵的流量,则可进一步优化PVV的数量,以实现更好的经济性.同时,由于此状态下罐内液位较低,减小流量也是满足防静电和输油泵气蚀余量的共同要求(一般情况下,由于输油泵汽蚀余量的限制,在罐内液位较低时需要降低泵的流量来保证有效汽蚀余量).

6 结论

1)环形空间的压力如果不加以限制可能会对罐体和密封造成损坏,所以非常必要在浮顶安装PVV.

2)通过对环形空间的4种正、负压工况进行分析和计算发现,最大呼吸量均出现在浮顶支撑状态与漂浮状态的转换过程,分别约等于泵入流量和泵出流量.最大呼吸量确定后,根据所选PVV的额定呼吸量即可确定所需PVV的数量.

3)在PVV与自动通气阀之间设置连通管有利于气相空间压力调节.

4)罐内液位低于液封临界状态时,适当降低泵的流量可以减少PVV的数量,同时也可满足防静电和防气蚀的要求.