常低压储罐工艺安全设施的设计

李 倩

（中国纺织科学研究院有限公司，北京 100025）

1 概述

常低压储罐由于物料液位变化、外界环境温度发生波动或极端天气等原因，可能会导致储罐超压或瘪罐，出现这种现象不仅会导致罐内原料和产品的损失，还会影响生产运行，甚至对于易燃易爆及具有挥发性的介质，更会发生安全问题。因此在常低压储罐的工艺设计中应采取一定的安全措施。

本文依据《石油化工企业设计防火规范》GB 50160—2008，《石油化工储运系统罐区设计规范》SH/T 3007—2014及美国石油学会标准《Venting Atmoshperic and Low-pressure Storage Tanks》API STD 2000-2014等标准规范中的有关规定，结合现实工作经验，综合阐述和分析常低压储罐设计过程中的安全设施设计[1]。

根据《石油化工企业设计防火规范》GB 50160—2008中的规定可知：

低压储罐为其设计压力大于6.9kPa且小于0.1MPa（罐顶表压）的储罐。

常压储罐为其设计压力小于或等于6.9kPa（罐顶表压）的储罐[2]。

最常用的就是呼吸阀、气封系统和紧急泄放系统，以下将分别探讨其选用方法及设计中需特别注意的问题。

2 呼吸阀

2.1 呼吸阀的设置

《石油化工企业设计防火规范》GB 50160—2008中规定，“甲、乙类液体的固定顶罐应设阻火器和呼吸阀”；同时《石油化工储运系统罐区设计规范》SH/T 3007—2014第5.2.2条中规定，“采用气体密封的固定顶罐，应设置事故泄压设备。储存甲、乙、丙A类液体的固定顶罐通向大气的通气管上应设呼吸阀”；阻火器与呼吸阀连用可以防止火焰进入储罐，从而避免发生爆炸。

常低压储罐罐顶设置呼吸阀以保持储罐内外气压的平衡，正常工况下呼吸阀关闭，将储罐与外界大气隔绝，降低罐内的挥发损耗；当储罐内外压差超过一定范围之后，呼吸阀开启，以防止超压鼓罐或压低瘪罐，确保储罐免遭破坏。

因此呼吸阀在常低压储罐工艺安全设计中是不可或缺的。

2.2 呼吸阀的分类

呼吸阀按结构形式分为阀盘式呼吸阀（重力式呼吸阀）和先导式呼吸阀。重力式呼吸阀又分为自重式和弹簧式两种。

按用途可分为：A呼吸阀；B单呼阀；C单吸阀。目前国内大都采用阀盘式呼吸阀，从国外引进的装置中大多采用先导式呼吸阀。

2.3 呼吸阀的设定压力及超压

呼吸阀的压力范围需设定在储罐的设计压力范围内，并能够保持储罐的正常运行。在满足以上原则的基础上，根据实际工艺条件考虑呼吸阀的设定压力值，以满足安全设计的要求[3]。

2.4 呼吸量计算

温度一定时，挥发性液体的饱和蒸汽压是相应确定的，若储罐呼吸阀设定的呼出压力过低，则呼吸阀尺寸增大，频繁启动导致阀门震动、磨损且造成物料损耗、污染环境；若储罐呼吸阀设定的呼出压力过高，由于呼吸阀本身的结构特点导致其有可能会延迟起跳，导致储罐承受超压风险，发生鼓罐事故。

呼吸阀的呼吸量主要考虑液体进出罐时的最大液体量和极端天气所造成的吸入与呼出量，除满足常规储罐的安全防护要求，还需要考虑事故状况下的呼吸量，从而确保储罐的安全。

有关呼吸量的计算《石油化工储运系统罐区设计规范》SH/T 3007—2014和《Venting Atmoshperic and Low-pressure Storage Tanks》API STD 2000—2014中规定分别如下：

呼吸阀的正常呼吸量不能小于以下各项的呼出量之和及呼入量之和。

2.4.1 液体出罐时，最大出液量所造成的气体吸入量

最大进料量：

①《Venting Atmoshperic and Low-pressure Storage Tanks》API STD 2000—2014

储存温度小于40℃或饱和蒸汽压小于5.0kPa的流体，气体的呼出量等于最大进料量，对于其他易挥发、高温物料需要进行闪蒸计算或增加呼出量[4]。

②《石油化工储运系统罐区设计规范》SH/T 3007—2014

液体进入固定顶储罐时所造成的罐内液体气体呼出量，当液体闪点（闭口）高于45℃时，应按最大液体量的1.07倍考虑；当液体闪点（闭口）低于等于45℃时，应按最大液体量的2.14倍考虑；液体进入采用氮气或其他惰性密封保护系统的内浮顶储罐时所造成的罐内气体呼出量，应按最大进液量 考虑[5]；

2.4.2 液体进罐时，最大进液量所造成的罐内液体蒸汽呼出量

气体吸入量：最大出料量所造成的气体吸入量，应按液体最大出料体积流量考虑；

2.4.3 因极端天气导致的罐内气体收缩或膨胀而产生的吸入或呼出量

①《Venting Atmoshperic and Low-pressure Storage Tanks》API STD 2000—2014

呼出量计算公式按公式（1）确定。

式中：

VOT：热呼出量，m3/h

Y：纬度因子，纬度＜42°，Y=0.32；42°≤纬度≤58°，Y=0.25；纬度＞58°，Y=0.2；VTK：储罐体积，m3Ri：隔热因子呼入量计算公式按公式（2）确定。

式中：

VIT：热呼入量，m3/h

C：与蒸汽压、储罐平均温度和纬度有关的因子，具体，如表1所示。

表1 C因子

②《石油化工储运系统罐区设计规范》SH/T 3007—2014

对于因环境温度变化所造成的最大热呼吸量，如表2所示。

表2 储罐热呼吸通气量

2.4.4 呼吸阀的选用

在确定了呼吸量之后，按照气体流速3~5m/s，通过计算可以确定呼吸阀进出口管径后，向上圆整，选择适当的阀门尺寸，当一台呼吸阀不能满足储罐的实际工况时，可以设置多个呼吸阀。当呼吸阀与阻火器连用时，需要考虑阻火器的压降[6]。

呼吸阀的选用也要考虑呼吸阀的工作温度，如果使用地区最冷月份平均气温低于0℃，呼吸阀则必须有防冻措施，以防止呼吸阀的阀盘冻住或堵塞，影响正常使用，从而造成安全问题。

3 气封系统

气封系统是一种特殊的控制系统，它可以在无外界动力的场所中工作，只需要被调介质自身的能量，操作灵活方便。

一般采用氮气等惰性气体或者燃料气作为气源，维持储罐内的微正压，避免外界气体进入罐内与原料发生反应，防止容器内的物料和空气直接接触发生反应，控制物料挥发、被氧化，保护储罐的安全。

需注意氮气供气管的接管位置宜插入罐中200mm，进而达到更好的效果。若项目能够自产燃料气，也可作为气封气源，能有效地降低生产成本。

氮封系统能否正常运行的重点是在-0.5~2kPa的压力确保各个安全附件之间的压力范围不存在交集[7]。氮封阀阀前气源压力较高时，一般要先用自力式调节阀调节至1MPa以下，以提高可靠性。储罐安全附件压力间的关系如图1所示。

图1 储罐安全附件压力关系

氮封系统供气量应大于等于泵抽出罐内液体所需补充的气量与环境温变引起的气体冷凝和收缩所需补充的气量之和。

环境温变引起的气体冷凝和收缩所需补充的气量，根据《Venting Atmoshperic and Low-pressure Storage Tanks》API STD 2000中规定，对于容积≥3 180m3的储罐，每平方米外壳和罐顶表面积每小时需补充0.6m3氮封气；对于容积＜3 180m3的储罐，每立方米容积每小时需要补充0.178m3氮封气。

4 紧急泄放阀

《石油化工储运系统罐区设计规范》SH/T 3007—2014规定，对于采用氮气或其他气封的甲B、乙类液体的储罐还应设置事故泄压设备。储罐的紧急泄放阀是一种事故工况的安全设施。《Venting Atmoshperic and Low-pressure Storage Tanks》API STD 2000规定，所有配有正常尺寸呼吸阀的储罐必须配装独立的紧急泄放阀。一般下列工况均应选用紧急泄放阀。

紧急泄放量的计算：储罐的紧急泄放量通常按外部火灾工况考虑，《Venting Atmoshperic and Low-pressure Storage Tanks》API STD 2000规定了非冷冻地上储罐泄放量的计算，计算公式如下：

式中：

q：储罐泄放量

Q：暴露在火灾中的热量输入，W；

F：环境影响因子；

L：液体在泄放压力下和泄放温度下的蒸发潜热，J/kg

T：泄放蒸汽的绝对温度，K；

M：蒸汽泄放的分子量。

其他工况下的紧急泄放量需要根据情况具体分析和计算。

5 结束语

常低压储罐的呼吸阀、气封系统和紧急泄放阀等安全泄放设施的设计应该满足相关规范的要求，才能确保储罐的设计安全可靠。呼出量与吸入量的计算应准确，确定的定压和超压值要经济合理，采用分级和多重保护，确保储罐的系统设计安全经济。