常壓及低壓儲罐附屬安全泄放設(shè)施設(shè)計選用

常壓及低壓儲罐附屬安全泄放設(shè)施設(shè)計選用

1安全泄放設(shè)施設(shè)計粗疏,造成浪費放空石油和天然氣行業(yè)經(jīng)常使用壓縮式儲存各種液體原料和產(chǎn)品。這些原料和產(chǎn)品大多具有易于運輸、易爆、一定蒸發(fā)等特點。因此，如果安裝設(shè)計不當，不僅會造成材料損失，還會污染環(huán)境，給安全生產(chǎn)帶來隱患。長期以來,國內(nèi)的標準規(guī)范在安全泄放設(shè)施方面的規(guī)定過于粗略,安全設(shè)施設(shè)計規(guī)定也過于保守,造成浪費。本文依據(jù)《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》GB50160-2008、《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》SH/T3007-2007及美國石油學(xué)會標準《常壓和低壓儲罐的泄壓》API2000等標準規(guī)范中的有關(guān)規(guī)定,結(jié)合實際工作中的經(jīng)驗,綜合闡述和分析常壓及低壓儲罐附屬安全泄放設(shè)施的設(shè)計選用,供從事罐區(qū)及儲罐等系統(tǒng)設(shè)計的人員參考。2罐頂壓力的計算本文涉及的關(guān)鍵詞語及縮寫:常壓儲罐:設(shè)計壓力小于或等于6.9kPa(罐頂壓力)的儲罐。低壓儲罐:設(shè)計壓力大于6.9kPa且小于0.1MPa(罐頂壓力)的儲罐。定壓:泄放裝置有可測的開度時,其入口處的壓力值,也稱為設(shè)定壓力或開啟壓力。超壓:泄放裝置入口處的壓力超過設(shè)定壓力的部分,通常以設(shè)定壓力的百分數(shù)表示。泄放壓力:泄放裝置閥芯升到最大高度后,閥入口處的壓力,為定壓和超壓之和。SETP:泄放裝置呼出時的定壓。SETV:泄放裝置吸入時的定壓,以真空度表示。WC:以水柱為單位表示的壓力。以上壓力均指表壓。3安全示范工程和選擇常壓及低壓儲罐的安全泄放設(shè)施主要是呼吸閥(通氣管)、氣封系統(tǒng)、緊急泄放閥等,以下分別探討這些設(shè)施的設(shè)計選用方法及需特別注意的問題。3.1減少儲罐和罐頂蒸發(fā)損耗對于儲存石油化工產(chǎn)品的常壓及低壓儲罐,呼吸閥是至關(guān)重要的保護措施:①通過呼吸作用使儲罐在進出料或溫度變化時,保持罐內(nèi)正常的壓力狀態(tài),防止超壓或超真空致儲罐受損;②罐頂安裝呼吸閥能夠大大減少儲存物料的蒸發(fā)損耗,并降低發(fā)生火災(zāi)的危險。據(jù)美國工程技術(shù)人員經(jīng)過大量實驗,對比直通大氣與裝有呼吸閥的常壓儲罐后得出結(jié)論,以容積8500m3的汽油儲罐為例,如果罐頂安裝呼吸閥,每年可減少汽油蒸發(fā)損失約100m3;而且由于呼吸閥多數(shù)情況下都是關(guān)閉的,泄漏的可燃氣體較少,所以呼吸閥的使用可降低罐區(qū)發(fā)生火災(zāi)的危險?！妒突\系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》SH/T3007規(guī)定:①儲存乙B類液體的固定頂罐通向大氣的通氣管上應(yīng)設(shè)呼吸閥;②儲存甲B、乙類液體的地上臥式儲罐的通氣管上應(yīng)設(shè)呼吸閥。3.1.1彈簧式呼吸閥組呼吸閥按作用原理和使用范圍分類如下:(1)直接荷載重力式呼吸閥:①SETP為22～690mmWC;②SETV為22～430mmWC。(2)直接荷載彈簧式呼吸閥:①SETP為690～10000mmWC;②SETV為430～4890mmWC。(3)先導(dǎo)式呼吸閥:①SETP為50～10530mmWC;②SETV為50～10300mmWC。3.1.2境溫降造成的呼吸量設(shè)計選用呼吸閥的通氣量需大于計算所需的呼出量和吸入量。呼出量和吸入量可按下式計算:GO=GOF+GOT(1)GI=GIF+GIT(2)式中,GO、GI分別為呼吸閥的呼出量和吸入量,m3/h;GOF為因最大進料量所造成的罐內(nèi)氣體的呼出量,m3/h;GOT為因環(huán)境溫升導(dǎo)致罐內(nèi)氣體膨脹所造成的最大呼出量,m3/h;GIF為因最大出料量所造成的氣體吸入量,m3/h;GIT為因環(huán)境溫降導(dǎo)致的罐內(nèi)氣體收縮所造成的最大吸入量,m3/h。呼吸閥的通氣量可以看作由液體進出料所造成的呼吸量和因環(huán)境溫度變化所造成的呼吸量這兩部分之和。值得注意的是:最大進出料所造成的呼吸量并非直接按最大進出料的液體體積流量相對應(yīng)取值,而是需要按閃點來考慮物料揮發(fā)的影響,這是設(shè)計人員經(jīng)常容易忽視的地方。(1)《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》SH/T3007中規(guī)定最大進料量所造成的罐內(nèi)氣體的呼出量為:①當物料閃點>45℃時,取呼出量為最大進料體積流量的1.07倍;②當物料閃點≤45℃時,取呼出量為最大進料體積流量的2.14倍。(2)《常壓和低壓儲罐的泄壓》API2000按閃點≥37.8℃和閃點<37.8℃區(qū)分,規(guī)定該項呼出量分別取最大進料體積流量的1.01倍和2.02倍。(3)《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》SH/T3007規(guī)定最大出料量所造成的氣體的吸入量,應(yīng)按液體最大出料體積流量考慮。(4)《常壓和低壓儲罐的泄壓》API2000對閃點<37.8℃的物料,規(guī)定該項氣體吸入量取最大出料體積流量的0.94倍;對閃點≥37.8℃的物料,該項氣體吸入量取值與SH/T3007規(guī)范相同。(5)對于因環(huán)境溫度變化所造成的最大熱呼吸量可按表1選取,表中的數(shù)值來自《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》SH/T3007規(guī)范。3.1.3呼吸閥的流量呼吸閥的定壓需綜合考慮各方面的因素來確定,需注意以下幾點:(1)保持儲罐正常操作情況下,其內(nèi)壓在儲罐設(shè)計壓力范圍內(nèi),即為儲罐設(shè)計負壓力<呼吸閥負開啟壓力<儲罐操作壓力<呼吸閥正開啟壓力<儲罐設(shè)計正壓力。(2)根據(jù)《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》SH/T3007規(guī)定,采用氣體密封的固定頂罐,所選用事故泄壓設(shè)備的開啟壓力應(yīng)高于通氣管的排氣壓力并應(yīng)小于儲罐的設(shè)計正壓力,事故泄壓設(shè)備的吸氣壓力應(yīng)低于通氣管的進氣壓力并應(yīng)高于儲罐的設(shè)計負壓力。(3)詳細了解呼吸閥的流量規(guī)則,需要特別注意的是:重力式呼吸閥的結(jié)構(gòu)特性決定呼吸閥在超過定壓70%以上才會達到其額定流量點,因此選型時不僅要注意呼吸閥的定壓,還要計算其泄放壓力,并將其控制在合理范圍內(nèi);先導(dǎo)式呼吸閥超壓10%時即可達到額定流量。在滿足所需通氣量的前提下:①若定壓設(shè)定過低,呼吸閥頻繁啟動,會導(dǎo)致閥的震動和磨損且不利于儲罐的穩(wěn)定操作,造成物料損耗,污染環(huán)境;②超壓設(shè)定過小,會增大閥門尺寸,不經(jīng)濟;③超壓設(shè)定過大,造成泄放壓力過大,導(dǎo)致容器的損壞更是不允許的。(4)應(yīng)考慮呼出氣體要排放至火炬,或進入吸收系統(tǒng)回收等后續(xù)處理單元所需的壓頭。例如,大型常壓儲罐的設(shè)計壓力一般取為-50/200mmWC(G),當泄放氣體排入吸收系統(tǒng)的總壓降為80mmWC時,那么呼吸閥的定壓就必須大于這個數(shù)值,并考慮一定的余量,可定在130mmWC。3.2氣封系統(tǒng)3.2.1氣封的設(shè)置對于有毒物料或吸入空氣或少量水份對物料品質(zhì)有較大影響及存在爆炸隱患等因素的場合,需要避免物料與大氣接觸,這時儲罐通常應(yīng)考慮設(shè)置如氮封等氣封。由氣源來的較高壓力的氣封氣體經(jīng)減壓后送入儲罐,并維持罐內(nèi)一定壓力,最常用的氣封氣體為氮氣。(1)當罐內(nèi)儲存的介質(zhì)被泵抽出,或由于溫度的降低致使罐內(nèi)的氣體部分冷凝或冷卻收縮時補入氣封氣,以避免空氣的進入。(2)當向罐內(nèi)進料或氣溫升高而導(dǎo)致罐內(nèi)壓力升高時,裝在罐頂?shù)暮粑y自動打開,將部分氣體排出以避免儲罐超壓損壞。3.2.2氣封系統(tǒng)的傳統(tǒng)組成和特點(1)傳統(tǒng)的氣封系統(tǒng)流程為一套壓力分程控制系統(tǒng),見圖1。流程通常由兩組調(diào)節(jié)閥組成,一組用于當氣溫降低或出料引起罐內(nèi)壓力降低時吸入氮氣,以免儲罐內(nèi)因形成真空而抽癟;另一組用于當氣溫升高或進料造成罐內(nèi)壓力升高時排出部分氣體,以免儲罐超壓損壞。這種氣封流程的特點:①壓力調(diào)節(jié)閥為一般的氣動控制閥,切斷閥多,兩組調(diào)節(jié)閥組須放在罐頂上,管道大、閥門多,支架多,還需設(shè)置壓力變送器等控制儀表及控制回路;②當氣封氣源壓力較高時,一般要先減壓至0.2～0.25MPa(G),壓力控制精度一般較低,氣封氣的累計耗量也相對較大。(2)新型的氣封流程基于專用氣封閥開發(fā)的基礎(chǔ)上實現(xiàn),現(xiàn)在已經(jīng)得到廣泛使用,見圖2。新一代的專用氣封閥結(jié)構(gòu)緊湊、小巧,重量僅為10～15kg,1″規(guī)格的氣封閥就能滿足上萬立方米儲罐的氣封供氣。采用新型氣封閥的氣封流程主要有以下特征:①氣封閥帶有特殊的連接結(jié)構(gòu),直接由罐內(nèi)壓力推動;②集取壓與控制于一體,不用壓力變送器,系統(tǒng)簡單、可靠,安裝非常方便;③壓力設(shè)定范圍寬,從12.5～200mmWC,壓力設(shè)定可現(xiàn)場微調(diào);④氣封氣無需多級減壓;⑤壓力控制靈敏度高,氣封閥可達到氣泡級密封,能最大限度減少儲存物料的蒸發(fā)損耗,且氣封氣的累計耗量相對較低。氣封系統(tǒng)所需的氣封氣補入流量與呼吸閥同理,按呼吸閥中的吸入量考慮即可。新型氣封閥完全由罐內(nèi)壓力直接控制進氣,最大進氣量取決于氣封閥氣源的壓力,這是閥門特性決定的。表2是幾種常用于氣封氣體的最大氣封流量與氣源壓力的關(guān)系,對應(yīng)的氣封閥為最常用的1″規(guī)格。工廠的氣封氣(如氮氣)一般都有幾個固定的壓力等級,因此通常根據(jù)罐組中所需最大氣量的罐來確定氣源總管的壓力,可按表1內(nèi)插計算來確定。當儲罐配有氣封系統(tǒng)時,氣封壓力要與其它泄放設(shè)施的定壓相配套。3.3火炬氣的密封儲罐的緊急泄放閥是一種事故工況的安全設(shè)施。《常壓和低壓儲罐的泄壓》API2000標準規(guī)定,所有配有正常尺寸呼吸閥的儲罐必須配裝獨立的緊急泄放閥;《石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范》SH/T3007規(guī)定用氣體密封的固定頂罐還應(yīng)設(shè)置事故泄壓設(shè)備。當可燃液體儲罐遭遇外部火災(zāi)或罐內(nèi)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時,會產(chǎn)生大量的氣體需要排出;另一方面緊急泄放閥也作為氣封系統(tǒng)或呼吸閥故障時的保護措施。緊急泄放閥有單泄放的,也有泄放和吸入雙功能的。首先必須確定緊急泄放量,對于兼作泄放和破真空吸入雙功能緊急泄放閥,還必須同時按本文3.1.2條確定所需的最大吸入量GI,然后選擇合適規(guī)格的緊急泄放閥。3.3.1潤濕面積計算為2.2f儲罐的緊急泄放量通常按外部火災(zāi)工況考慮,其計算方法可參考有關(guān)標準規(guī)范,這里歸納和整理《常壓和低壓儲罐的泄壓》API2000標準中的方法。(1)對于潤濕表面積小于260m2的小型儲罐,緊急泄放量直接按表3選取。(2)面積大于等于260m2的儲罐,按公式(3)計算緊急泄放量:Q=208.2FA0.82(3)式中,Q為緊急泄放量,Nm3/h;F為環(huán)境因子,考慮罐的保溫等情況選取,不保溫時取1;A為潤濕面積,m2。立式、底板落地的儲罐,表3中潤濕面積不包括底板;超過罐高9.14m以上部分的潤濕面積也不在考慮之內(nèi)。3.3.2儲罐的設(shè)計壓力泄放裝置從達到定壓,閥門開啟,儲罐內(nèi)壓力升高到泄放壓力,此時達到額定流量。對于泄放壓力的控制標準,國內(nèi)標準沒有明確的規(guī)定,設(shè)計時比較保守,普遍的做法是控制最高泄放壓力不超過儲罐設(shè)計壓力。這里列出美國標準《大型焊接低壓儲罐設(shè)計與建造》APIStd620-2002的規(guī)定,可參照執(zhí)行:(1)呼吸閥的泄放壓力不超過儲罐設(shè)計壓力的110%。(2)緊急泄放閥的泄放壓力不超過儲罐設(shè)計壓力的120%。4材料物理性能以某項目中的EDC儲罐為實例,介紹安全泄放設(shè)施的設(shè)計、選用方法,其流程見圖2。該儲罐儲存介質(zhì)為精制EDC,化學(xué)品名為1,2-二氯乙烷,屬甲B類火災(zāi)危險介質(zhì),毒性程度屬中度危害。EDC是生產(chǎn)聚氯乙烯的中間產(chǎn)品,其部分物理化學(xué)性質(zhì)見表4。儲罐容積5000m3,罐高H為12.47m,直徑D為23.7m,進料泵流量為130m3/h,出料泵流量為300m3/h。根據(jù)儲存的物料具有易揮發(fā)、易燃、有毒的特點及后續(xù)裂解工藝對雜質(zhì)水份及鐵離子允許含量的要求較為苛刻等因素考慮,選用常壓固定頂罐(罐底板落地)并設(shè)置氮封、配呼吸閥及緊急泄放閥(后者僅考慮泄放功能)。4.1罐內(nèi)最大溫升溫降產(chǎn)生的最大則常壓固定頂罐的設(shè)計壓力范圍為-50/200mmWC,因此將罐的正常操作壓力設(shè)定為50mmWC。按式(2)計算所需氮氣的流量:所需氮氣的流量=最大出料造成的吸入量+因溫降造成的最大吸入量根據(jù)物料的閃點13℃,由表1查出5000m3罐最大溫升(溫降)引起的呼出、吸入量均為787m3,計算出所需的氮氣量:300+787=1087Nm3/h化工區(qū)提供的氮氣進界區(qū)的壓力0.7MPa,選用了美國GROTH公司的重力式氣封閥,閥由罐內(nèi)壓力直接控制進氣,最大進氣量取決于氮封閥氣源的壓力,查表2并經(jīng)內(nèi)插計算出1″氣封閥的供氣能力約為1430Nm3/h,選擇3011H型可滿足要求。4.2材料超壓65%所需吸入量:300+787=1087m3/h所需呼出量:787+130×2.14=1065m3/h設(shè)定呼吸閥的定壓SETP為75mmWC,SETV為22mmWC,設(shè)定過壓值分別為75%、90%,相應(yīng)泄放壓力為:75×(1+75%)=132mmWC真空度為:22×(1+90%)=42mmWC均滿足罐的設(shè)計壓力條件。按以上條件查GROTH樣本,可得重力式呼吸閥1200A型6″和8″兩個規(guī)格的通氣能力,過壓75%時的泄放能力見表5,過壓90%時的吸入能力見表6。從表5和表6可看出,雖然6″呼吸閥在超壓75%時流量達到2680Nm3/h,可滿足呼出量大于1065Nm3/h的條件,但在負壓時超壓流量只能達到980Nm3/h,小于所需的吸入量1087Nm3/h,因此6″呼吸閥不能滿足要求。8″呼吸閥的呼出、吸入能力均滿足要求,所以選取8″呼吸閥是合適的。4.3罐區(qū)緊急泄放閥的選型按照罐高H為9.14m及直徑D為23.7m,計算出罐的潤濕面積A為:2×3.14×23.7×9.14/2=680m2取環(huán)境因子F=1(非保溫狀態(tài))按式(3)計算緊急泄放的量