石油化工常压及低压储罐安全泄放设施设计

1、CHEMlCAL ENGEERING DESIGN 化工设计2叭O,20(3 石油化工常压及低压储罐安全泄放设施设计 沈佳逸 上海工程化学设计院有限公司上海200235摘要 介绍石油化工常压及低压储罐安全泄放设施设计选用的主要原则和计算方法,分析和讨论设 计中应注意的问题。关键词石油化工储罐安全泄放设施设计1概述石油化工行业大量使用常压及低压储罐贮存 各种液体原料和产品,这些原料和产品大都具有 易燃、易爆及一定挥发性等特性,因此,如果泄 放设施设计不当,不但会造成物料损耗增加,而 且还会污染环境,给安全生产带来隐患。长期以来,国内的标准规范在安全泄放设施 方面的规定过于粗略,安全设施设计规定也

2、过于 保守,造成浪费。本文依据石油化工企业设 计防火规范GB 50160一2008、石油化工储运 系统罐区设计规范ST 30072007及美国石 油学会标准常压和低压储罐的泄压API 2000等标准规范中的有关规定,结合实际工作中的经 验,综合阐述和分析常压及低压储罐附属安全泄 放设施的设计选用,供从事罐区及储罐等系统设 计的人员参考。2名词解释本文涉及的关键词语及缩写:常压储罐:设计压力小于或等于6.9kPa (罐顶压力的储罐。低压储罐:设计压力大于6.9kPa且小于 0.1MPa(罐顶压力的储罐。定压:泄放装置有可测的开度时,其人口处 的压力值,也称为设定压力或开启压力。超压:泄放装置人口

3、处的压力超过设定压力 的部分,通常以设定压力的百分数表示。泄放压力:泄放装置阀芯升到最大高度后, 阀入口处的压力,为定压和超压之和。SErIP:泄放装置呼出时的定压。SETV:泄放装置吸人时的定压,以真空度 表示。WC:以水柱为单位表示的压力。以上压力均指表压。3安全泄放设施的设计与选用常压及低压储罐的安全泄放设施主要是呼吸 阀(通气管、气封系统、紧急泄放阀等,以下 分别探讨这些设施的设计选用方法及需特别注意 的问题。3.1呼吸阀对于储存石油化工产品的常压及低压储罐, 呼吸阀是至关重要的保护措施:通过呼吸作用 使储罐在进出料或温度变化时,保持罐内正常的 压力状态,防止超压或超真空致储罐受损;罐

4、 顶安装呼吸阀能够大大减少储存物料的蒸发损 耗,并降低发生火灾的危险。据美国工程技术人 员经过大量实验,对比直通大气与装有呼吸阀的 常压储罐后得出结论,以容积8500m3的汽油储 罐为例,如果罐顶安装呼吸阀,每年可减少汽油 蒸发损失约100m3;而且由于呼吸阀多数情况下 都是关闭的,泄漏的可燃气体较少,所以呼吸阀 的使用可降低罐区发生火灾的危险。沈佳逸:工程师。1987年毕业于河南广播电视大学石油加工专业。主要从事石油化工管道设计工作。联系电话:(021 647058883084,Email:8henjyeL c0IlL cn。万方数据20lO,20(3 沈佳逸石油化工常压及低压储罐安全泄放设

5、施设计 35呼吸阀按作用原理和使用范围分类如下:(1直接荷载重力式呼吸阀:SETP为22 690咖WC;sETv为22430nlnlwCo(2直接荷载弹簧式呼吸阀:sETP为690一10000mmWC;(必肼V为4304890mmwC。 (3先导式呼吸阀:sETP为50 10530mmwC;(驺圈为5010300瑚mWC。设计选用呼吸阀的通气量需大于计算所需的 呼出量和吸人量。呼出量和吸入量可按下式 计算:GD=Go,+GDr(1 G,=G,+%(2 式中,Go、G。分别为呼吸阀的呼出量和吸人量, m3/h;Go,为因最大进料量所造成的罐内气体的 呼出量,m3/h;G仉为因环境温升导致罐内气体

6、 膨胀所造成的最大呼出量,m3/h;G.F为因最大 出料量所造成的气体吸人量,m3/h;G盯为因环 境温降导致的罐内气体收缩所造成的最大吸人 量。m3/h。呼吸阀的通气量可以看作由液体进出料所造 成的呼吸量和因环境温度变化所造成的呼吸量这 两部分之和。值得注意的是:最大进出料所造成 的呼吸量并非直接按最大进出料的液体体积流量 相对应取值,而是需要按闪点来考虑物料挥发的 影响,这是设计人员经常容易忽视的地方。 (1石油化工储运系统罐区设计规范 SH/T 3007中规定最大进料量所造成的罐内气体 的呼出量为:当物料闪点>45cc时,取呼出量 为最大进料体积流量的1.07倍;当物料闪点 45时

7、,取呼出量为最大进料体积流量的 2.14倍。(2常压和低压储罐的泄压API 2000按 闪点37.8和闪点<37.8区分,规定该项呼 出量分别取最大进料体积流量的1.0l倍和 2.02倍。(3石油化工储运系统罐区设计规范 ST 3007规定最大出料量所造成的气体的吸入 量,应按液体最大出料体积流量考虑。(4常压和低压储罐的泄压API 2000对 闪点<37.8的物料,规定该项气体吸人量取最 大出料体积流量的O.94倍;对闪点37.8的物 料,该项气体吸人量取值与sT 3007规范相同。 (5.对于因环境温度变化所造成的最大热 呼吸量可按表1选取,表中的数值来自石油化 工储运系统罐区

8、设计规范sH/T 3007规范。 表l储罐因环境温度变化引起的通气量 (m3/h呼吸阀的定压需综合考虑各方面的因素来确 定,需注意以下几点:(1保持储罐正常操作情况下,其内压在 储罐设计压力范围内,即为储罐设计负压力<呼 吸阀负开启压力<储罐操作压力<呼吸阀正开启 压力<储罐设计正压力。(2根据石油化工储运系统罐区设计规 范s彤T 3007规定,采用气体密封的固定顶 罐,所选用事故泄压设备的开启压力应高于通气 管的排气压力并应小于储罐的设计正压力,事故 泄压设备的吸气压力应低于通气管的进气压力并 应高于储罐的设计负压力。(3详细了解呼吸阀的流量规则,需要特 别注意的是:

9、重力式呼吸阀的结构特性决定呼吸 阀在超过定压70%以上才会达到其额定流量点, 因此选型时不仅要注意呼吸阀的定压,还要计算 其泄放压力,并将其控制在合理范围内;先导式 呼吸阀超压10%时即可达到额定流量。在满足所需通气量的前提下:若定压设定 过低,呼吸阀频繁启动,会导致阀的震动和磨损 且不利于储罐的稳定操作,造成物料损耗,污染 环境;超压设定过小,会增大阀门尺寸,不经 济;超压设定过大,造成泄放压力过大,导致 容器的损坏更是不允许的。万方数据CHEMlCAL ENGINEE砒NG DESIGN 化工设计2010,20(3(4应考虑呼出气体要排放至火炬,或进 人吸收系统回收等后续处理单元所需的压头

10、。例 如。大型常压储罐的设计压力一般取为一50/ 200mmwc(G,当泄放气体排人吸收系统的总 压降为80mmwC时,那么呼吸阀的定压就必须 大于这个数值,并考虑一定的余量,可定在 130mmWC。3.2气封系统对于有毒物料或吸人空气或少量水份对物料 品质有较大影响及存在爆炸隐患等因素的场合, 需要避免物料与大气接触,这时储罐通常应考虑 设置如氮封等气封。由气源来的较高压力的气封 气体经减压后送人储罐,并维持罐内一定压力, 最常用的气封气体为氮气。(1当罐内储存的介质被泵抽出,或由于 温度的降低致使罐内的气体部分冷凝或冷却收缩 时补人气封气,以避免空气的进入。(2当向罐内进料或气温升高而导致

11、罐内 压力升高时,装在罐顶的呼吸阀自动打开,将部 分气体排出以避免储罐超压损坏。(1传统的气封系统流程为一套压力分程 控制系统,见图1。图1分程控制的储罐氮封流程(2新型的气封流程基于专用气封阀开发 的基础上实现,现在已经得到广泛使用,见 图2。图2新型气封阀的氮封流程新一代的专用气封阀结构紧凑、小巧,重量 仅为1015kg,1”规格的气封阀就能满足上万立 方米储罐的气封供气。采用新型气封阀的气封流程主要有以下特 征:气封阀带有特殊的连接结构,直接由罐内 压力推动;集取压与控制于一体,不用压力变 送器,系统简单、可靠,安装非常方便;压力 设定范围宽,从12.5200mmwC,压力设定可 现场微

12、调;气封气无需多级减压;压力控制 灵敏度高,气封阀可达到气泡级密封,能最大限 度减少储存物料的蒸发损耗,且气封气的累计耗 量相对较低。气封系统所需的气封气补人流量与呼吸阀同 理,按呼吸阀中的吸人量考虑即可。新型气封阀完全由罐内压力直接控制进气, 最大进气量取决于气封阀气源的压力,这是阀门 特性决定的。表2是几种常用于气封气体的最大 气封流量与气源压力的关系,对应的气封阀为最 常用的1”规格。工厂的气封气(如氮气一般都有几个固 定的压力等级,因此通常根据罐组中所需最大气 量的罐来确定气源总管的压力,可按表1内插计 算来确定。当储罐配有气封系统时,气封压力要与其它 泄放设施的定压相配套。万方数据沈

13、佳逸石油化工常压及低压储罐安全泄放设施设计 37表2气封气体的最大气封流量与气源压力关系 (o/h 表3润湿表面积与紧急泄放量关系3.3紧急泄放阀储罐的紧急泄放量通常按外部火灾工况考 虑,其计算方法可参考有关标准规范,这里归纳 和整理常压和低压储罐的泄压API 2000标 准中的方法。(1对于润湿表面积小于260m2的小型储 罐,紧急泄放量直接按表3选取。(2面积大于等于260m2的储罐,按公式(3计算紧急泄放量:Q=208.2烈蚴 (3 式中,Q为紧急泄放量,Nm3/h;F为环境因子, 考虑罐的保温等情况选取,不保温时取l;A为 润湿面积,m2。润湿面积(m2 泄放量(Nm3/h立式、底板落

14、地的储罐,表3中润湿面积不 包括底板;超过罐高9.14m以上部分的润湿面 积也不在考虑之内。泄放装置从达到定压,阀门开启,储罐内压 力升高到泄放压力,此时达到额定流量。对于泄 放压力的控制标准,国内标准没有明确的规定, 设计时比较保守,普遍的做法是控制最高泄放压 力不超过储罐设计压力。这里列出美国标准 大型焊接低压储罐设计与建造API Std 620 2002的规定,可参照执行:(1呼吸阀的泄放压力不超过储罐设计压 力的110%。(2紧急泄放阀的泄放压力不超过储罐设 计压力的120%。4工程实例以某项目中的EDc储罐为实例,介绍安全 泄放设施的设计、选用方法,其流程见图2。 该储罐储存介质为精

15、制EDC,化学品名为 l,2一二氯乙烷,属甲B类火灾危险介质,毒 性程度属中度危害。EDC是生产聚氯乙烯的中 间产品,其部分物理化学性质见表4。表4二氯乙烷的理化性质储罐容积5000m3,罐高H为12.47m,直径 D为23.7m,进料泵流量为130m3/h,出料泵流 737l,5HH¨Hn强加旧黝 谢 掰 舢 帆 舢 姒 姗 鳅 蚴 舢埘 镪 锄 烈 眈 螂 埘 啪m!坌mm万方数据38CHEMlCAL ENG小JEE砌NG DESIGN 化工设计20】O,20(3量为300m/h。根据储存的物料具有易挥发、易燃、有毒的 特点及后续裂解工艺对杂质水份及铁离子允许含 量的要求较为苛刻

16、等因素考虑,选用常压固定顶 罐(罐底板落地并设置氮封、配呼吸阀及紧 急泄放阀(后者仅考虑泄放功能。4.1气封阀常压固定顶罐的设计压力范围为一50/ 200mmwC,因此将罐的正常操作压力设定为 50mmwc。按式(2计算所需氮气的流量:所需氮气的流量=最大出料造成的吸人量+因温 降造成的最大吸人量根据物料的闪点13,由表1查出5000m3罐最大温升(温降引起的呼出、吸人量均为 787m3,计算出所需的氮气量:300+787=1087Nm3/h化工区提供的氮气进界区的压力0.7MPa, 选用了美国GROTH公司的重力式气封阀,阀由 罐内压力直接控制进气,最大进气量取决于氮封 阀气源的压力,查表2

17、并经内插计算出l”气封阀 的供气能力约为1430Nm3/h,选择3011H型可 满足要求。4.2呼吸阀所需吸入量:300+787=1087m3/h所需呼出量:787+130×2.14=1065m3/h设定呼吸阀的定压SETP为75mmwc,SETv 为22mmwC,设定过压值分别为75%、90%, 相应泄放压力为:75×(1+75%=132mmWC真空度为:22×(1+90%=42mmWC均满足罐的设计压力条件。按以上条件查GROTH样本,可得重力式呼 吸阀1200A型6”和8”两个规格的通气能力,过 压75%时的泄放能力见表5,过压90%时的吸人 能力见表6。表

18、5呼吸阀的呼出能力 (Nm3/h表6呼吸阀的吸入能力 (Nm3/h从表5和表6可看出,虽然6”呼吸阀在超压 75%时流量达到2680Nm3/h,可满足呼出量大 于1065Nm3/h的条件,但在负压时超压流量只 能达到980Nm3/h,小于所需的吸人量1087 Nm3/h,因此6”呼吸阀不能满足要求。8”呼吸阀 的呼出、吸人能力均满足要求,所以选取8”呼吸 阀是合适的。4.3紧急泄放阀2×3.14x 23.7×9.14/2=680m2取环境因子F=l(非保温状态按式(3 计算紧急泄放的量为:208.2×1×680n犯=43766Nm3/h选取紧急泄放阀的定压为160mmwC,取过 压为20%,则罐的最大操作压力为:160×(1+20%=192响WC小于罐的设计压力200mmwC。查GROTH 样本得紧急泄放阀2000A型,尺寸20”在超压 20%时的泄放能力为22050Nm3/h,因此,选用 两个20”的2000A型紧急泄放阀可满足该储罐的 紧急泄放要求。5结语常压及低