轻质油内浮顶储罐氮封设计与应用

轻质油内浮顶储罐氮封设计与应用

袁辉

中国石化胜利油田分公司石油化工总厂  山东东营  257019

摘要：氮封设施是保障轻质油内浮顶储罐安全运行的措施之一。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（试运行）中建议各企业可根据实际情况对轻质油储罐增设氮封设施。氮封能有效防止硫铁化合物自燃、雷击、静电或明火等引燃罐顶空间的可燃气体，同时防止储存介质氧化聚合等。因此，对轻质油储罐设置氮封是必要的。

关键词：氮封；轻质油储罐；安全

一、概述

按照《石油化工储运系统罐区设计规范》（SH/T3007-2014）的要求“储存温度下饱和蒸汽压低于大气压的甲B和乙A类液位，应选用浮顶罐或内浮顶罐；且储存易氧化、易聚合不稳定的物料（如裂解汽油、混合C5、苯乙烯、环氧苯烷等）时，应采用氮封或气体覆盖隔绝空气的措施”。

中石化集团公司所属炼油企业近10年间发生的事故统计结果显示，内浮顶罐的事故发生概率要大于外浮顶储罐，而储存介质硫含量及挥发性组分含量高等因素是导致轻质油储罐发生火灾事故的主要原因。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（试运行）中建议各企业可根据实际情况对轻质油储罐增设氮封设施。

氮封设施是保障轻质油内浮顶储罐安全运行的措施之一。氮封的作用主要是防止硫铁化合物自燃、雷击、静电或明火等引燃罐顶空间的可燃气体，同时防止储存介质氧化聚合等。

本文具体阐述了轻质油内浮顶储罐的氮封改造设计。本设计本着安全、节约和便于操作维护的原则，实现了轻质油内浮顶储罐安全运行。

二、储罐氮封设计工艺简易图

氮封工作原理：当储罐内的物料被泵抽出或由于外界温度降低时，罐内气体冷凝或收缩，并使罐内压力下降到设定值时，氮封调节阀打开，将氮气减压后送入储罐，待罐内压力达到设定值时，氮封阀关闭。当向储罐内进物料或由于外界温度上升时，罐内气体膨胀，达到呼吸阀呼气压力设定值（应大于氮封调节阀后压力设定值）时，通过呼吸阀向罐外呼气。

若氮封管线经调节阀后并联通往多台储罐，则氮气分管线进罐前设置一道阀门，以便储罐清罐检修时与氮封系统进行物料隔离。

三、氮封压力设定

首先，常压储罐的内外压一致罐体本身不受压是最理想的状态，但实际操作中由于介质的挥发和环境温度的变化是不可能达到的，而负压更容易造成储罐变形，所以当罐内介质被抽出或散热使压力降低时，利用氮气调节阀将气源（绝压约0.7MPa的低压氮气）压力降低后注入，使内浮顶罐始终保持微内压，设计压力为0.5-2.0KPa，即设定压力为微正压。

其次，氮气调节阀压力设定值必须大于呼吸阀吸阀压力的设定值，否则会造成氮气调节及保护的失效；同时，调节阀压力的设定值必须小于呼阀压力的设定值，否则会使呼吸阀持续工作，而调节阀始终不能达到关闭背压而不断进气。所以氮气调节阀阀后压力设定取值区间应在吸阀压力和呼阀压力之间。为了更好地节省氮气的用量，在保证操作性能的前提下，以与呼阀压力保持更大压差为宜。一般可设定为0.5KPaG。

另外，建议将氮封系统调节阀阀后的压力引入中控室DCS画面上，并设置报警参数，能在室内进行监控。

四、氮封调节阀选用

氮封设计一般采用自力式压力调节阀，阀后取压，用于维持调节阀后压力（即罐内压力）恒定。

自力式压力调节阀无需外加能源，能在无电无气的场所工作，既方便又节约能源。压力分段范围细，且相互交叉，调节精度高。压力设定值在运行期间可连续设定。对阀后压力调节，阀前压力与阀后压力之比可为10:1—10:8。

自力式（阀后）调节阀压力调节阀的工作原理是：操作压力为0.6MPaG（假设值）的氮气，经过调节阀阀芯、阀座的节流后，变为阀后压力0.5KPaG（假设设定值）。阀后压力经过控制管线输入到执行器的下膜室内作用在顶盘上，产生的作用力与弹簧的反作用力相平衡，决定了阀芯、阀座的相对位置，从而决定了控制阀后压力，即储罐的操作压力。当阀后压力增加时，作用在顶盘上的作用力也随之增加。此时，阀芯与阀座的流通面积减少，流阻变大，从而使阀后压力降为设定值0.5KPaG。同理，当阀后压力降低时，作用在顶盘上的作用力也随之减小。此时，阀芯与阀座的流通面积增大，流阻变小，从而使阀后压力上升到设定值0.5KPaG。

五、氮封供气量的计算

根据《石油化工设计手册》中对储罐呼吸量的计算方法：储罐气封装置的供气量应不小于泵抽出储罐内液位所需要补充的气体量和外界温度变化而产生的储罐内气体热胀冷缩所需补充的气量之和。

即： Q=Q1+Q2               （1）

Qi=Qpo+Qt            （2）

Qo=1.07Qpi+0.6Qt     （3）

式中，Q为氮气消耗量，m³/h；

      Q1为泵抽出储罐内液体所需补充的气体量，m³/h（泵的最大流量，由工艺设备选型决定）；

      Q2为外界气温变化而产生的储罐内气体热胀冷缩所需补充的气量，m³/h（在计算储罐呼气量时，必须确定设计压力的基准值，取基准压力为353Pa）；

      Qi为需吸入的全部气量，m³/h；

      Qo为需呼出的全部气量，m³/h；

      Qpo为泵的最大抽液量，m³/h；

    Qt为适应温度变化造成储液蒸汽压波动，所需储罐小呼吸的必要通气量，m³/h（储罐容量小于3200 m³时，Qt=0.178V，V为储罐最大容量，m³；储罐容量大于3200 m³时，Qt=0.61S，S为储罐管壁和罐顶表面积之和，㎡）。

    上述公式计算的气量可以允许罐内气体每小时温度变化37.8℃，且偏于保守。

常用储罐因外界气温变化所需的供气量见表1。

表1  气温变化储罐气封装置需气封气量表

根据气封供气量计算方法，可以得出：气封供气量，不仅由泵抽出物料的流量影响，还与储罐环境温度变化等有关。因此，在氮封设计过程中，应结合当地的气象条件，采取有效的保温隔热措施，可有效减少供气量，从而达到降低设备投资及运行费用的目的。

六、通气孔的改造

氮封设施改造前，内浮顶储罐管壁上方有环向通气孔。内浮顶储罐氮封设计时，可能会采取将罐壁通气孔进行焊接封死的方式，但该方式存在氮气长时间中断后安全运行风险较大的缺点。2013年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（试运行）3.7.3 中指出氮封设计中通气孔等附件的封堵应采用可拆卸方式。便于氮气停止使用后能及时将储罐恢复为一般内浮顶储罐方式运行，提高储罐抗击风险的能力。

对于新设计的内浮顶储罐，建议可将环向通气孔设计在罐顶边缘，通气孔边缘固定丝网处可用堵板和螺栓紧固封堵；而旧罐增设氮封设施改造时，则应将原通气孔的可拆卸丝网换成堵板，堵板用垫圈、螺栓紧固封堵。对于含硫量较高的油品，还需考虑材质的耐腐蚀性，应尽量采用不锈钢材质为宜。

七、氮气回收利用

设计氮封的内浮顶储罐，储罐每进出一次油品时，不计环境温差影响的情况下，需消耗设定压力值下的与进出油品同等体积的氮气量，若都通过呼吸阀外排，其消耗的氮气量是非常多的。

若油品性质相同或相近的多个储罐都投用氮封，可将多台储罐的氮封系统相互串联起来，收料储罐呼出的氮气进入送料的储罐当中，可大大减少氮封系统补气量。

若单台储罐设置氮封，则只能通过回收储罐收料时呼出的氮气来减少氮气用量了，但这回收起来相对比较困难。

结语

轻质油储罐密封问题影响着储罐的安全使用，应用氮封能有效地减少油气挥发，有效防止硫铁化合物自燃、雷击、静电或明火等引燃罐顶空间的可燃气体。该技术的成功应用在节能降耗、提高经济效益、确保装置安稳运行方面将发挥重要作用。氮封系统运行过程中，如何减少氮气的用量，以及回收氮气中的油气是今后需要研究解决的问题。

参考文献：

[1]中国石化工程建设公司。SH/T3007-2014 石油化工储运系统罐区设计规范[S].北京：中国石化出版社.2018.

[2]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（试运行）

[3]王昌义.氮气保护和正压通风简述[J].化工设计，2017,11（4）.