常压及低压储罐安全泄放系统设计分析

邢银全

(重庆化工设计研究院有限公司，重庆 400039)

石油化工企业在生产中经常会涉及到一些常压及低压储罐的使用，用以进行诸多液体产品和原料的贮存。石油化工行业中大部分原料和产品属于易燃易爆危险化学品。因此一旦设计泄放系统不合理，将会造成重大的安全环保事故，从而危及到人体健康与安全，导致无法估量的经济损失和人身财产安全。所以工程设计人员应全面准确的理解石油化工过程中安全泄放系统的工程设计，从而实质性的起到安全保护作用。

1 概述

一直以来，我国缺少专用标准及规范对常压、低压储罐安全泄放系统工艺流程设计、安全泄放设施选型及工艺计算等方面的介绍及设计规定。由于石油化工安全泄放工况通常比较复杂，以至于工艺系统工程师在安全泄放系统设计方面难于准确理解及使用相关标准及规范，安全泄放系统的设计能力不能满足多工况下生产系统安全泄放要求，给工厂的安全生产埋下了安全隐患。本文按照《石油化工企业设计防火规范》GB50160-2008(2018版)、《石油化工储运系统罐区设计规范》SH/T3007-2014、《化工装置工艺系统工程设计规定》HG/T 20570.1～ HG/T 20570.24-1995、《石油储罐附件 第1部分：呼吸阀》SY/T 0511.1-2010、《卸压和减压系统指南》SY/T10043-2002、《爆破片安全装置》GB 567.1～ GB567.4-2012、《石油化工可燃性气体排放系统设计规范》SH3009-2013、《Venting Atmospheric and Low-pressure Storage Tanks》API 2000-2014、《Sizing, Selection, and Installation of Pressure-relieving Devices》API 520-2014、《Pressure-relieving and Depressuring Systems》API 521-2014、《Welded Tanks for Oil Storage》API 650-2016、《Design and Construction of Large, Welded,Low-pressure Storage Tanks》 API 620-2014等规范中的标准，与相关工作经验结合起来，综合研究石油化工行业常压及低压储罐安全泄放附属设备设计运用，供罐区以及储罐等系统的设计工作者参考。

2 常压及低压储罐安全泄放系统的设计和运用

安全泄放系统包括呼吸阀管道、气封系统、紧急泄放阀门等，本文对这些系统设计使用的方法及难点进行详细分析。

2.1 呼吸阀通气量

基于石油化工产品而言，常压及低压储罐发挥着储存作用，其中非常关键的保护措施就是呼吸阀：①通过呼吸阀通气作用(呼气或吸气)，使储罐在进出物料或温度变化时，保持罐内正常的压力状态，防超压或真空致使储罐受损；②常压及低压储罐安装呼吸阀，有利于减少物料的蒸发，并降低火灾风险的发生概率。根据《石油化工储运系统罐区设计规范》(SH/T3007-2014)第5.1.3条规定：①储存甲B、乙类液体的固定储罐和地上卧式储罐;②采用氮气或其他惰性气体密封保护系统的储罐。均应使用呼吸阀。

1)分类研究。呼吸阀按作用原理可分为直接荷载重力式呼吸阀、直接荷载弹簧式呼吸阀和先导式呼吸阀。①直接荷载重力式：设定压力范围正压(G)200 Pa～6.9 kPa, 负压(G)-200 Pa～-430 Pa。②直接荷载弹簧式：设定压力范围正压(G)6.9～103.4, 负压(G)-430～-480 Pa。③先导式呼吸阀：设定压力范围正压(G)500～103.4 Pa, 负压(G)-200～-430 Pa。

2)通气量研究。设计运用的呼吸阀通气量需超过计算需要的吸入与呼出量，且由于呼吸阀的精度不高，工程上呼吸阀通气余量选择需要相对大些才满足通气要求。吸入量与呼出量的计算公式如下：

GO=GOF+GOT

(1)

G1=GIF+GIT

(2)

公式中GO、G1分别为由于最大化进料量导致的罐内气体呼出量，m3/h；GOT为由于环境温度上升造成的罐内气体发生膨胀导致的最大化呼出量，m3/h；GIT为由于环境温度下降造成的罐内气体收缩导致的最大化呼入量，m3/h。

值得注意是：最大进出物料导致的呼吸量并非直接按最大进出物料液体的体积流量进行取值，而是需要按物料闪点来考查物料挥发的影响，这是设计工作者最易忽略之处。

《石油化工储运系统罐区设计规范》(SH/T 3007-2014)规定，最大进料引起的罐内气体呼出量为：①当液体的闪点(闭口)高于 45 ℃ 的时候，取呼出量为最大进料体积流量的1.07倍；②当液体的闪点(闭口)≤45 ℃ 的时候，取呼出量为最大进液量的2.14倍考虑；③液体进入采用氮气或其他惰性气体密封保护系统的内浮顶储罐时所引起的罐内气体呼出量，应按最大进液体积流量考虑。

API 2000-2014规定最大进料引起的罐内气体呼出量为：①对于饱和蒸汽压≤5 kPa 的非挥发性液体，取呼出量为最大进料体积流量；②对于饱和蒸汽压>5 kPa 的挥发性液体，取呼出量为最大进料体积流量的2.0倍;③对于饱和蒸汽压更大的蒸汽性液体，呼出量可以达到最大进料体积流量的很多倍。当进料压力高于储罐的操作压力时，进料就会发生闪蒸，这时需要进行物料的闪蒸平衡计算确定呼出量，并取一定的余量，以便储罐的安全操作。

3)定压研究。呼吸阀定压应根据综合多方面考虑：①储罐在维持正常的操作下，设计储罐负压<呼吸阀负启动压<储罐操作压<呼吸阀正启动压<储罐设计正压。②按照《石油化工储运系统罐区设计规范》(SH/T 3007-2014)要求，采用的事故泄压设施启动压力应该比通气管排气压高一些，并比储罐设计正压低；事故泄压设施吸气压应该比通气管进气压低，并超过储罐设计的负压。③对呼吸阀需要注意：重力呼吸阀结构特征决定着呼吸阀定压>70%才能符合其限定的流量点，所以选型工作既要对呼吸阀定压加以关注，还需对其泄放压力进行计算，并对其进行合理控制；先导式的呼吸阀负压>10%的时候即可满足限定的流量[1]。

由于呼吸阀的泄放压力范围通常为定压的110%～200%，甚至更高(泄放压力范围因呼吸阀类型不用而不同，也因制造厂家不同而不同。先导式呼吸阀精度较高，可以做到110%)。例如，某储罐的设计压力为(G)2 kPa，若所选用呼吸阀的泄放压力是其定压的180%，则其定压就不宜超过(G)1111 Pa，否则泄放压力将超过储罐的设计压力，参照SY/T 0511.1-2010，可选用定压为 980 Pa(G)的呼吸阀，则不会造成储罐超压。因此，工程师在确定呼吸阀的定压及泄放压力时一定要小心，必须控制最高泄放压力不超过常压及低压储罐的设计压力。另外，由于安全的开关精度不高，建议工程设计中对泄放压力取一定的安全余量。当同一储罐上同时设置有呼吸阀和紧急呼吸人孔或紧急泄压人孔时，呼吸阀的定压及泄放压力取值更需要小心，若取值不当，很容易造成储罐在正常运行压力范围内发生紧急呼吸人孔或紧急泄压人孔开启而引起不必要的事故。

2.2 氮封系统

1)原理分析。氮封装置(氮封阀)常规情况是由供氮阀、泄氮阀和呼吸阀三大部份组成。当罐内压力升高超过设定值时，供氮阀关闭，泄氮阀打开，将罐内多余压力快速泄放。在储罐内压力降低时，泄氮阀处于关闭状态，供氮阀打开，向罐内注入氮气并保证储罐处于微正压的状态[2]。供氮阀氮气源压力保持在 0.2 ～0.8 MPa(G) 之间的一个固定值，气源压力较高时，可在供氮阀前安装一台自力式调压阀将压力减至 0.8 MPa(G) 以下，以提高可靠性和使用效果。

2)过程研究。以往气封体系的操作过程属于一套分程压力控制系统，

流程的组成部分一般通过两组调整，一组发挥着待气温下降或者出料引发罐内压力下降时可以自动吸入氮气的作用，避免罐内因产生真空而发生抽瘪。另外，一组发挥着待气温上升或者进料导致罐内压上升时气体排出气体的作用，避免储罐因超压而被损坏。此类气封过程特征如下：①通常压力调节阀为气动控制阀，切断阀门较多，两组调节阀应置于储罐的顶端，阀门较多、管道较大、支架较多，还需进行压力变送器等相关控制仪表以及控制回路设置；②待气封气源的压力过高的时候，通常需合理降低压力至0.2～0.25 MPa(G)，通常控制压力的精确度很低，气封气积累的耗量也很大。

气封阀气封的使用流程具体如下：①气封阀带有的特殊衔接结构，直接通过罐内的压力来推动；②集取压和控制融为一体，无需使用压力变送器，系统操作简单可靠，安装也非常便捷；③压力的设置面较宽，合理设定压力可以对现场进行微调；④气封气不需要进行多级减压；⑤控制压力的灵敏度较高，气封阀可以满足气泡级的密封标准，可以有效减少储存物料蒸发损耗，而且气封气积累的损耗量很低。

2.3 阻火呼吸人孔或紧急泄压人孔

对于储存物料挥发性较强、饱和蒸汽压较高、高危险性物料的大型常压储罐，通常需要设置多个呼吸阀、紧急呼吸人孔或紧急泄压人孔。

1)紧急泄放量。对于较大型的储罐，一般情况下，在外部火灾工况下的泄放量比常规工况下大得多。储罐外部火灾工况紧急泄放量是设计计算常压及低压储罐紧急呼吸人孔、紧急泄压人孔选型的基础。确定了储罐外部火灾工况紧急泄放量，也就相当于确定了紧急呼吸人孔、紧急泄压人孔的泄放量，从而指导确定紧急呼吸人孔、紧急泄压人孔的形式、泄放面积及安装数量。SH/T 3007-2014没有就储罐外部火灾工况下紧急泄放量的计算进行规定。API 2000-2014规定储罐外部火灾工况下的紧急泄放量Fdr按公式(3)进行计算。另外API 2000-2014还规定了类似正己烷流体储罐外部火灾工况紧急泄放量计算，详见API 2000-2014第3.3.3.3.3节表5及表7。

(3)

式中：Q是储罐外部火灾工况下吸入的热量，单位W；F是储罐的环境因子，取值参见 API 2000-2014第3.3.3.3.3节表9；L是储存物料在泄放温度与压力下的蒸发潜热，单位为,J/kg；T是泄放蒸汽的绝对温度，单位为K；M是泄放蒸汽的相对分子质量。

2)泄放压力。泄放设备从达到定压，开启阀门，储罐内部压力上升至可控标准时，我国尚无明确的规范标准，应该选择保守设计方式。常规做法为控制泄放压力最高不能大于设计储罐的压力。具体操作方法应该按照以下标准执行：①呼吸阀泄放压不能大于设计储罐压110%。②紧急泄放阀泄放压不能大于储罐的设计压120%。

3 结语

总而言之，石油化工行业的常压及低压储罐在设计安全阀、呼吸阀等安全泄放设施的同时也必须对呼入量和吸入量进行明确计算,并从多角度、多工况、全方位采用多重和分级保护措施，为石油化工行业的常压及低压储罐安全泄放系统设计的经济性与安全性提供保障。