常压及低压储罐附属安全泄放设施设计选用

常压及低压储罐附属安全泄放设施设计选用

1安全泄放设施设计粗疏,造成浪费放空石油和天然气行业经常使用压缩式储存各种液体原料和产品。这些原料和产品大多具有易于运输、易爆、一定蒸发等特点。因此，如果安装设计不当，不仅会造成材料损失，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过于保守,造成浪费。本文依据《石油化工企业设计防火规范》GB50160-2008、《石油化工储运系统罐区设计规范》SH/T3007-2007及美国石油学会标准《常压和低压储罐的泄压》API2000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罐顶压力的计算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,其入口处的压力值,也称为设定压力或开启压力。超压:泄放装置入口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。SETP:泄放装置呼出时的定压。SETV:泄放装置吸入时的定压,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安全示范工程和选择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减少储罐和罐顶蒸发损耗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:①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;②罐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。《石油化工储运系统罐区设计规范》SH/T3007规定:①储存乙B类液体的固定顶罐通向大气的通气管上应设呼吸阀;②储存甲B、乙类液体的地上卧式储罐的通气管上应设呼吸阀。3.1.1弹簧式呼吸阀组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:①SETP为22～690mmWC;②SETV为22～430mmWC。(2)直接荷载弹簧式呼吸阀:①SETP为690～10000mmWC;②SETV为430～4890mmWC。(3)先导式呼吸阀:①SETP为50～10530mmWC;②SETV为50～10300mmWC。3.1.2境温降造成的呼吸量设计选用呼吸阀的通气量需大于计算所需的呼出量和吸入量。呼出量和吸入量可按下式计算:GO=GOF+GOT(1)GI=GIF+GIT(2)式中,GO、GI分别为呼吸阀的呼出量和吸入量,m3/h;GOF为因最大进料量所造成的罐内气体的呼出量,m3/h;GOT为因环境温升导致罐内气体膨胀所造成的最大呼出量,m3/h;GIF为因最大出料量所造成的气体吸入量,m3/h;GIT为因环境温降导致的罐内气体收缩所造成的最大吸入量,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/T3007中规定最大进料量所造成的罐内气体的呼出量为:①当物料闪点>45℃时,取呼出量为最大进料体积流量的1.07倍;②当物料闪点≤45℃时,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》API2000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1.01倍和2.02倍。(3)《石油化工储运系统罐区设计规范》SH/T3007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》API2000对闪点<37.8℃的物料,规定该项气体吸入量取最大出料体积流量的0.94倍;对闪点≥37.8℃的物料,该项气体吸入量取值与SH/T3007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设计规范》SH/T3007规范。3.1.3呼吸阀的流量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》SH/T3007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: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:①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;②超压设定过小,会增大阀门尺寸,不经济;③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。(4)应考虑呼出气体要排放至火炬,或进入吸收系统回收等后续处理单元所需的压头。例如,大型常压储罐的设计压力一般取为-50/200mmWC(G),当泄放气体排入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3.2.1气封的设置对于有毒物料或吸入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入储罐,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入气封气,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。3.2.2气封系统的传统组成和特点(1)传统的气封系统流程为一套压力分程控制系统,见图1。流程通常由两组调节阀组成,一组用于当气温降低或出料引起罐内压力降低时吸入氮气,以免储罐内因形成真空而抽瘪;另一组用于当气温升高或进料造成罐内压力升高时排出部分气体,以免储罐超压损坏。这种气封流程的特点:①压力调节阀为一般的气动控制阀,切断阀多,两组调节阀组须放在罐顶上,管道大、阀门多,支架多,还需设置压力变送器等控制仪表及控制回路;②当气封气源压力较高时,一般要先减压至0.2～0.25MPa(G),压力控制精度一般较低,气封气的累计耗量也相对较大。(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。新一代的专用气封阀结构紧凑、小巧,重量仅为10～15kg,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:①气封阀带有特殊的连接结构,直接由罐内压力推动;②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;③压力设定范围宽,从12.5～200mmWC,压力设定可现场微调;④气封气无需多级减压;⑤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入流量与呼吸阀同理,按呼吸阀中的吸入量考虑即可。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。3.3火炬气的密封储罐的紧急泄放阀是一种事故工况的安全设施。《常压和低压储罐的泄压》API2000标准规定,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;《石油化工储运系统罐区设计规范》SH/T3007规定用气体密封的固定顶罐还应设置事故泄压设备。当可燃液体储罐遭遇外部火灾或罐内发生化学反应时,会产生大量的气体需要排出;另一方面紧急泄放阀也作为气封系统或呼吸阀故障时的保护措施。紧急泄放阀有单泄放的,也有泄放和吸入双功能的。首先必须确定紧急泄放量,对于兼作泄放和破真空吸入双功能紧急泄放阀,还必须同时按本文3.1.2条确定所需的最大吸入量GI,然后选择合适规格的紧急泄放阀。3.3.1润湿面积计算为2.2f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》API2000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=208.2FA0.82(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1;A为润湿面积,m2。立式、底板落地的储罐,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。3.3.2储罐的设计压力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》APIStd620-2002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材料物理性能以某项目中的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制EDC,化学品名为1,2-二氯乙烷,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。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,出料泵流量为300m3/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罐内最大温升温降产生的最大则常压固定顶罐的设计压力范围为-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=最大出料造成的吸入量+因温降造成的最大吸入量根据物料的闪点13℃,由表1查出5000m3罐最大温升(温降)引起的呼出、吸入量均为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并经内插计算出1″气封阀的供气能力约为1430Nm3/h,选择3011H型可满足要求。4.2材料超压65%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%时的吸入能力见表6。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,小于所需的吸入量1087Nm3/h,因此6″呼吸阀不能满足要求。8″呼吸阀的呼出、吸入能力均满足要求,所以选取8″呼吸阀是合适的。4.3罐区紧急泄放阀的选型按照罐高H为9.14m及直径D为23.7m,计算出罐的润湿面积A为:2×3.14×23.7×9.14/2=680m2取环境因子F=1(非保温状态)按式(3)计算紧急泄放的量