氮气惰化系统氧含量控制设计计算书

密级：内部资料 文件编号：NH-QHZ-2026-JS-001氮气惰化系统氧含量控制设计计算书——1000m³石脑油拱顶储罐（T-1201）氮封惰化工程——项目名称：××石化有限公司轻油罐区装置名称：1000m³石脑油拱顶储罐（位号T-1201）设计阶段：基础工程设计（初步设计）文件类型：设计计算书文件编号：NH-QHZ-2026-JS-001版本状态：A版（送审稿）编制单位：××石化工程有限公司编制日期：2026年10月编制审核批准签名：签名：签名：日期：日期：日期：PAGEII目录TOC\o"1-3"\h1总则 11.1编制目的 11.2编制依据 11.3适用范围 21.4主要符号与术语 22设计基础 32.1工艺装置概况 32.2被保护介质特性 32.3惰化气源参数 32.4环境与操作工况 42.5设计基础数据汇总 43氧含量控制原理与安全限值 53.1惰化防爆机理 53.2极限氧浓度（LOC）的确定 53.3设计控制氧浓度的确定 63.4氧浓度分级报警与联锁 64惰化置换计算 74.1置换方式比选 74.2连续吹扫惰化计算 74.3加压置换可行性校核 84.4真空循环置换计算 84.5置换计算结果汇总 85氮气需求量与供给系统计算 105.1正常运行补气量计算 105.2置换工况瞬时流量 105.3氮气源容量确定 105.4管道管径与流速校核 115.5调压与安全附件 116氧含量监测与控制 136.1氧分析仪选型与布点 136.2取样系统响应时间 136.3控制策略与安全联锁 136.4安全完整性等级分析 137安全核验 157.1氧浓度控制裕量核验 157.2泄漏回氧速率核验 157.3压力保护核验 157.4氮气窒息与泄放安全 157.5失效模式与冗余分析 168结果分析与工程指导意义 178.1主要计算结果汇总 178.2敏感性分析 178.3工程指导意义 189结论与建议 199.1结论 199.2建议 1910免责声明 20氮气惰化系统氧含量控制设计计算书第17页1总则1.1编制目的本计算书针对××石化有限公司轻油罐区1000m³石脑油拱顶储罐（设备位号T-1201）设置氮气惰化（氮封）系统，对储罐气相空间氧含量实施控制，以消除罐内可燃蒸气与空气形成爆炸性混合物的条件。计算书通过确定极限氧浓度与设计控制氧浓度、核算惰化置换过程、计算氮气需求量、校核供给系统与安全保护措施，为氮气惰化系统的工艺设计、设备选型与安全运行提供量化依据。计算书遵循“本质安全优先、控制手段分层、安全裕量明确”的原则：先在源头上将氧浓度降至极限氧浓度以下并留足安全裕量，再以监测与联锁手段防止氧浓度异常升高，最终形成可设计、可校验、可运维的完整技术方案。1.2编制依据本计算书依据下列现行国家、行业标准及国际规范编制，并按被保护介质特性选取相应计算参数：表1-1主要编制依据序号标准编号标准名称1GB/T38301-2019可燃气体或蒸气极限氧浓度测定方法2GB/T37241-2018惰化防爆指南3GB50058-2014爆炸危险环境电力装置设计规范4GB50160-2008石油化工企业设计防火标准（2018年版）5GB50016-2014建筑设计防火规范（2018年版）6GB/T50493-2019石油化工可燃气体和有毒气体检测报警设计标准7SH/T3007-2014石油化工储运系统罐区设计规范8GB30871-2022危险化学品企业特殊作业安全规范9GB/T150.1~150.4-2011压力容器10GB/T20801.3-2020压力管道规范工业管道第3部分：设计和计算11HG/T20570-95工艺系统工程设计技术规定12JT/T1333-2020码头油气回收船岸安全装置注：本表所列标准以编制日执行的有效版本为准；当标准修订或替代时，应按最新有效版本复核相应计算参数。1.3适用范围本计算书适用于T-1201石脑油拱顶储罐氮气惰化系统的工艺设计计算，内容包括首次惰化置换计算、正常运行氮封补气量计算、氮气供给系统选型计算、氧含量监测与控制方案以及安全核验。同类储存甲、乙类挥发性液体、采用氮气惰化保护的常压储罐，可参照本计算书的方法与参数调整后执行。1.4主要符号与术语表1-2主要符号与计量单位符号名称与含义单位备注C0惰化前气相空间初始氧浓度%（V）取空气值20.9C₁置换过程t时刻气相氧浓度%（V）被控变量C_c设计控制（目标）氧浓度%（V）正常运行整定值C_hh高高联锁氧浓度%（V）安全上限C_N惰化气源中残余氧浓度%（V）氮气纯度决定LOC极限氧浓度%（V）不爆炸最大氧浓度LAC极限空气浓度%（V）与LOC换算LEL/UEL爆炸下限／爆炸上限%（V）空气中V_g气相空间体积m³计算体积Q_N氮气标准状态体积流量Nm³/h0℃、101.325kPaη置换混合效率—考虑死区与短路f单次置换压比—低压／高压P_H/P_L置换高、低绝对压力kPa(a)绝压n置换循环次数次取整t置换时间h—d管道内径mm—v管内气体流速m/s—S氧浓度安全裕量%相对LOCL气相空间泄漏率Nm³/d空气渗入

2设计基础2.1工艺装置概况被保护设备T-1201为立式圆筒形拱顶（固定顶）储罐，公称容积1000m³，内径12.0m，罐壁高度约9.5m，储存介质为石脑油。储罐罐顶设置呼吸阀（开启压力+1.8kPa／−0.5kPa）与紧急泄放装置，正常操作液位范围为6.0～8.5m，对应气相空间体积由低液位时的约400m³变化至满液位时的约110m³。储罐气相空间长期与储存介质蒸气及渗入空气接触，在液位下降（发料）时气相膨胀、压力降低，若无惰化保护将有空气经呼吸阀补入，导致氧浓度升高。当氧浓度接近或超过极限氧浓度时，罐内可燃蒸气与空气的混合气体具备爆燃条件，一旦遇静电、撞击、电气火花等点火源即可能引发火灾爆炸事故。因此，需向气相空间补入氮气并维持微正压，将氧浓度持续控制在安全限值以内。2.2被保护介质特性石脑油为轻质烃类混合物，具有易挥发、闪点低、火灾危险性大的特点，其主要物性参数见表2-1。表2-1被保护介质主要物性参数参数符号数值说明物质名称—石脑油轻质烃类混合物密度ρ730kg/m³20℃闪点—<−20℃甲类，极易挥发引燃温度—≥250℃自燃点爆炸下限LEL1.2%（V）空气中爆炸上限UEL7.5%（V）空气中极限氧浓度LOC11.0%（V）氮气惰化，工程取值饱和蒸气压p_s55kPa38℃火灾危险性类别—甲B类按GB50160划分2.3惰化气源参数惰化气源采用变压吸附（PSA）制氮机组，产气经缓冲罐、调压阀组后送至储罐气相空间。氮气设计参数为：额定产气量150Nm³/h，纯度99.9%（体积分数），即其中残余氧浓度C_N=0.1%；供气压力0.7MPa（表压）；露点≤−40℃。氮气中残余氧浓度由机组纯度指标换算确定，是惰化极限控制精度的重要约束。2.4环境与操作工况装置地处××地区，环境温度−20～45℃，设计日温差ΔT取20K，大气压力按标准大气压101.325kPa计。储罐为常温常压操作，罐内气相温度按环境温度波动考虑。液位日变化按低液位（6.0m）至中高液位之间循环；存储介质的收发料操作按每日一次、单次收发量100m³计，作为大呼吸补气量计算的依据。2.5设计基础数据汇总经与工艺专业确认，本计算书采用的设计基础数据汇总见表2-2。表2-2设计基础数据汇总项目符号数值单位／说明储罐公称容积V_T1000m³储罐内径D12.0m设计气相空间（低液位）V_g400m³正常气相空间（平均）V_g,op200m³呼吸阀设定压力—+1.8／−0.5kPa氮气额定流量Q_N150Nm³/h氮气纯度—99.9%（V）氮气中残余氧浓度C_N0.1%（V）初始氧浓度C20.9%（V）极限氧浓度LOC11.0%（V）设计控制氧浓度C_c5.0%（V）环境温度t−20～45℃设计日温差ΔT20K大气压力P101.325kPa

3氧含量控制原理与安全限值3.1惰化防爆机理可燃气体爆炸必须同时满足三个条件：可燃物浓度处于爆炸极限范围、氧浓度足以支持燃烧、存在足够能量的点火源。三者构成“爆炸三角形”。惰化防爆的实质是人为降低助燃组分——氧的浓度，使可燃气体—空气—惰性气体三元混合物的组成点移出可燃区，从源头破坏爆炸的必要条件。在氧浓度—可燃物浓度平面内，可燃区呈由爆炸下限线、爆炸上限线和极限氧浓度线围成的闭合区域。以惰性气体（氮气）稀释时，混合物的组成点沿稀释线移动，当氧浓度降至极限氧浓度以下后，无论可燃物浓度如何变化，混合物均不能形成可传播的燃烧，对应的临界氧浓度即为极限氧浓度（LOC）。因此，将气相空间氧浓度稳定控制在LOC以下并保留安全裕量，是氮封惰化的核心目标。3.2极限氧浓度（LOC）的确定极限氧浓度宜优先采用实测或权威手册数据。按GB/T38301-2019，LOC可由极限空气浓度（LAC）换算： LOC=0.209×LAC （1）式中LAC为可燃气体（蒸气）、空气与惰性气体混合物遇火源不发生爆炸的最大空气浓度（体积分数）。对于石脑油，其组分与正己烷、甲苯相近，结合表3-1所列数据，本计算书取其极限氧浓度LOC=11.0%（体积分数），并按偏于安全的低值取用。表3-1典型可燃介质极限氧浓度（氮气惰化）序号介质LOC（%V）数据来源／说明1丙烷11.5GB/T37241-2018附录B示例2正己烷8.3GB/T38301-2019附录A.1（由LAC换算）3氢气4.4GB/T38301-2019附录A.2（由LAC换算）4甲烷12.0手册数据5甲苯10.5手册数据6石脑油11.0本计算书工程取值（偏于保守）注：LOC受温度、压力、惰性气体种类与浓度影响。当工况温度、压力显著偏离常温常压时，应对LOC进行修正，或经试验确定。3.3设计控制氧浓度的确定考虑温度波动、组分变化、仪表测量延迟及混合不均等因素，工程上不能将控制点直接设在LOC处，必须留出安全裕量。参照NFPA69的做法，控制上限取LOC以下不少于4个体积百分点的水平，即 Chh=LOC-ΔC （取安全裕量ΔC=4.0%（体积分数），则最高允许氧浓度C_hh=11.0−4.0=7.0%（体积分数）。在此基础上，为使惰化调节阀具备足够的调节余量与响应时间，正常运行控制值再下移2.0个百分点，取设计控制氧浓度C_c=5.0%（体积分数）。此时相对LOC的安全裕量为(11.0−5.0)/11.0=54.5%，满足本质安全设计要求。3.4氧浓度分级报警与联锁为使惰化系统在氧浓度异常升高时具备分层防御能力，设置正常控制、高报警、高高联锁三级阈值，各阈值及其控制动作见表3-2。表3-2氧含量分级控制与联锁设定值控制级别氧浓度（%V）控制／联锁动作正常控制≤5.0氮气补气阀按压力信号自动启闭，维持罐内微正压高报警6.0现场及控制室声光报警，加大补氮量，提示操作人员检查高高联锁7.0停止收发料作业，惰化阀全开紧急补氮，必要时切断相关阀门极限（危险）≥11.0严禁一切可能引入点火源的操作，按应急预案处置

4惰化置换计算4.1置换方式比选常压储罐的首次惰化与检修后置换，可采用连续吹扫（通流）惰化、加压置换、真空置换等方式。各种方式的原理、适用条件及对本项目的适用性见表4-1。表4-1置换方式比选置换方式原理适用条件本项目适用性连续吹扫惰化连续通入惰气稀释罐内气体常压或低压容器适用（主选方案）加压置换充压—泄压循环，按压比衰减具有充压能力的压力容器不适用（常压罐）真空置换抽真空—充氮循环可承受负压的容器不适用抽送置换先抽空再充氮密闭且可排空的容器局部适用T-1201为常压拱顶罐，罐体设计承压能力受呼吸阀开启压力限制，不具备较大压比条件下的加压置换能力；同时难以承受真空。因此，首次惰化采用连续吹扫（通流）惰化方式。4.2连续吹扫惰化计算连续吹扫惰化按全混模型处理：向气相空间连续通入含残余氧C_N的氮气，罐内气体视为完全混合，则氧浓度随时间按一阶衰减： Ct=CN令C(t)等于目标氧浓度C₁，可解得达到目标氧浓度所需的理论吹扫时间： t=VgQN取设计气相空间V_g=400m³、氮气流量Q_N=150Nm³/h、初始氧浓度C₀=20.9%、氮气中残氧C_N=0.1%、目标氧浓度C₁=5.0%，代入式（4）得理论吹扫时间t=3.86h，对应理论换气次数n=ln[(20.9−0.1)/(5.0−0.1)]=1.45次。实际置换中，罐内存在死角与气流短路，混合效率低于理想状态。取置换混合效率η=0.7进行修正，则实际置换时间为t/η=5.51h，实际换气次数为1.45/0.7=2.07次，相应氮气消耗量V_N=Q_N×t/η=150×5.51=826Nm³。据此，首次惰化取设计换气次数n_d=2.1次，置换时间按5.5h控制，氮气消耗量按826Nm³计。4.3加压置换可行性校核为论证加压置换对本项目的不适用性，此处以呼吸阀正压开启值进行校核。加压置换每次循环后氧浓度按单次压比f衰减，循环n次后的氧浓度为C_n=C₀·f^n，达到目标氧浓度所需的循环次数为： f=PLPH n=lnC1C取置换高压P_H=101.325+1.8=103.125kPa(a)，低压P_L=101.325kPa(a)，则单次压比f=0.9826。代入式（6），达到目标氧浓度所需循环次数n=ln(5.0/20.9)/ln(0.9826)≈82次。如此高的循环次数在工程上不可行，说明常压储罐不能依赖加压置换完成惰化，必须采用连续吹扫方式，此结论与式（4）计算结果相互印证。4.4真空循环置换计算对于具备真空承受能力的小容积设备（如容积20m³的压力容器），真空置换具有很高的置换效率，可作为对比方案。设抽真空至P_L=10kPa(a)，再充氮至P_H=101.325kPa(a)，则单次压比f=10/101.325=0.0987。代入式（6）得理论循环次数n≈0.62次，即理论上1次循环即可达到目标氧浓度，工程上取2次循环以保证安全。每次循环的氮气消耗量（标准状态）为： VN=nVt代入V_t=20m³、n=2、P_H−P_L=91.325kPa，得真空置换氮气消耗量V_N≈36Nm³，仅为同等容积连续吹扫方式用量的约10%，充分体现了大压比置换的高效率。该对比结果可用于指导压力容器的惰化方案选择。4.5置换计算结果汇总表4-2惰化置换计算结果汇总计算项目连续吹扫加压置换真空置换适用对象常压储罐常压储罐20m³压力容器单次压比f—0.98260.0987理论次数／时间1.45次／3.86h—0.62次设计次数／时间2.07次／5.51h82次2次氮气消耗826Nm³不可行约36Nm³结论推荐采用不适用压力容器优选用

5氮气需求量与供给系统计算5.1正常运行补气量计算正常运行期间，氮气主要用于补偿温度变化引起的小呼吸、收发料引起的大呼吸以及罐顶密封泄漏。其中小呼吸补气量按理想气体等压变化估算： Vbr=Vg取正常运行气相空间V_g=200m³、日温差ΔT=20K、气相温度T=298K，得小呼吸补气量V_br≈13.4Nm³/d。大呼吸补气量按每日收发料一次、单次100m³计，取100Nm³/d；罐顶密封泄漏按气相空间0.5%/d计，取1.0Nm³/d。三项合计，正常运行日平均补气量约114.4Nm³/d，折合小时平均流量约4.8Nm³/h。各组成的计算结果见表5-1。表5-1正常运行氮气补气量组成补气工况计算式补气量（Nm³/d）占比小呼吸（温差）式（8）13.411.7%大呼吸（收发料）按收发量计100.087.4%密封泄漏0.5%×V_g1.00.9%合计—114.4100%5.2置换工况瞬时流量氮气源容量应同时满足首次惰化置换的高流量需求和正常运行的连续补气需求。以置换工况为主导工况，要求在t_req=8h内完成首次惰化，则所需氮气流量为： QN=Vg代入V_g=400m³、n_d=2.1、t_req=8h，得Q_N=105Nm³/h。考虑设备产气量随运行时间衰减及供气裕量，圆整并取额定产气量Q_N=150Nm³/h，裕量约43%。5.3氮气源容量确定据此配置变压吸附制氮机组2台，单台产气量150Nm³/h，正常工况一用一备；配套5m³氮气缓冲罐1台，储气压力0.8MPa，用于平衡置换工况的瞬时用气波动。缓冲罐有效储气量按5m³×(0.8−0.7)MPa折算，可提供约50Nm³的瞬时补充气量，满足联锁工况下短时大流量补氮需求。5.4管道管径与流速校核氮气管道按控制流速法确定管径。将标准状态流量折算至工况状态，再由允许流速反算所需管径： d=4Q0πv取氮气流量Q_N=150Nm³/h，工况压力0.8MPa(a)，折算工况体积流量Q₀=150×101.325/800=19.0m³/h；允许流速按气体管道上限v=15m/s控制，得所需最小内径d=21.2mm。圆整选取DN25无缝钢管（内径约25mm），并按式（11）校核实际流速： v=Q0A=代入d=25mm得实际流速v=10.8m/s，低于20m/s的上限，管道压力损失与噪声均在可接受范围，管径选取合理。管径计算结果见表5-2。表5-2氮气管道管径计算计算项目符号数值单位标准状态流量Q_N150Nm³/h工况体积流量Q₀19.0m³/h允许流速v15m/s计算最小内径d_min21.2mm选取公称直径DN25mm实际流速v10.8m/s5.5调压与安全附件氮气进入储罐前设置两级调压：一级将缓冲罐0.8MPa降至0.4MPa供置换使用，二级调压至2～5kPa供正常氮封使用，避免高压气体直接冲击罐体。罐顶设呼吸阀、紧急泄放阀与阻火器；氮气补气管上设置压力控制阀、切断阀与止回阀，防止罐内气体倒流。所有与罐内气相接触的仪表与管口均按爆炸危险区域要求选型。

6氧含量监测与控制6.1氧分析仪选型与布点在线氧分析仪选用顺磁式或电化学式，量程0～25%（体积分数），测量误差不超过满量程的±2%，具备温度与压力自动补偿功能。取样点设置在罐顶气相空间远离开口处，并兼顾罐内死角的代表性；对于容积较大的储罐，宜在罐顶不同方位设置2个取样点，取较高值参与控制。取样探头应伸入气相空间并加装过滤装置，防止油气与冷凝液污染分析室。6.2取样系统响应时间氧含量控制的实时性取决于取样系统的滞后时间与分析仪自身响应时间之和。取样管线滞后时间按管线容积与取样流量之比估算： tlag=Vline取取样管内径d_i=4mm、管线长度L=15m、取样流量Q_s=1L/min，则管线容积V_line≈0.19L，滞后时间t_lag≈11.3s。叠加分析仪T90响应时间30s，系统总响应时间约41.3s，小于60s的控制要求，可满足惰化控制与联锁的时间裕度。若现场管线更长，应通过缩短取样管线、增大取样流量或就近设置分析仪等方式压缩滞后时间。6.3控制策略与安全联锁氮气惰化采用“压力—氧含量”双参数控制：正常工况以罐内压力为主控信号，罐压低于+0.5kPa时开启补气阀、高于+1.0kPa时关闭补气阀，维持微正压，抑制空气渗入；当氧含量升至高报警值时，强制增大补氮量；当氧含量达到高高联锁值7.0%时，触发联锁，停止收发料作业并全开惰化阀紧急补氮。压力与氧含量信号均应进入安全仪表系统，联锁回路独立于常规控制系统。6.4安全完整性等级分析氧含量高高联锁属于防止储罐爆炸的关键安全功能，其安全完整性等级宜按SIL2考虑。实现上，氧分析仪及联锁回路采用冗余配置，推荐2oo3（三取二）表决方式，避免单点故障导致误动作或不动作；切断阀采用故障安全型（失电关闭或失电开启，按工艺安全逻辑确定），确保在电源或信号失效时系统转入安全状态。

7安全核验7.1氧浓度控制裕量核验以设计控制氧浓度C_c相对极限氧浓度LOC的相对裕量核验控制方案的可靠性： S=LOC-CcLOC代入LOC=11.0%、C_c=5.0%，得S=54.5%。即使氧浓度升至高高联锁值7.0%，相对LOC仍保留(11.0−7.0)/11.0=36.4%的裕量，绝对裕量为4.0%（体积分数），高于工程通用的2%最低要求，控制方案安全可靠。7.2泄漏回氧速率核验当补氮中断或密封失效时，空气经呼吸阀或密封点渗入将导致氧浓度回升。按泄漏空气与罐内气体的混合稀释过程，氧浓度由C_i升至C_f所需时间为： tr=Vg取正常运行气相空间V_g=200m³。正常泄漏工况L=1.0Nm³/d，氧浓度由5.0%升至联锁值7.0%所需时间约26.9d，说明密封良好时回氧速率极低，惰化状态可长期维持；密封严重失效工况L=10Nm³/d时，所需时间缩短至约2.7d，仍在操作响应能力范围之内。由此表明，在密封完好条件下，系统的补氮能力足以抵消回氧，联锁设定值具有充分的响应时间窗口。7.3压力保护核验罐顶呼吸阀正、负压开启值分别为+1.8kPa和−0.5kPa，紧急泄放阀开启压力+2.0kPa。正常氮封控制压力区间为+0.5～+1.0kPa，低于呼吸阀正压开启值，可避免氮气经呼吸阀大量泄漏；当补气系统异常导致罐压升高时，呼吸阀与紧急泄放阀依次动作，保证罐体不超压；当发料导致罐压降低时，呼吸阀补入气体或联锁开启补氮，防止罐体负压失稳。7.4氮气窒息与泄放安全氮气为窒息性气体，高浓度氮气积聚可使人员缺氧窒息。氮气排放口应引至室外安全地点，排放口周围设置“当心中毒窒息”警示标志；进入储罐等受限空间作业前，必须按GB30871-2022要求进行氧含量、可燃气体与有毒气体检测并强制通风，氧含量应保持在19.5%～23.5%之间方可进入。惰化状态下的储罐应挂牌警示，并与其它系统可靠隔离。7.5失效模式与冗余分析对氮气惰化系统的关键失效模式进行定性分析：气源中断时，缓冲罐储气可维持短时补氮，联锁应同时提示并降低收发料作业强度；氧分析仪失效时，冗余表决可隔离故障通道，避免误动作；联锁回路失效时，按故障安全原则使切断阀转入安全位置。上述措施使系统在单点故障下仍能维持安全功能，与6.4节SIL2的完整性要求相匹配。

8结果分析与工程指导意义8.1主要计算结果汇总表8-1主要计算结果汇总计算项目结果单位结论极限氧浓度11.0%（V）控制依据设计控制氧浓度5.0%（V）整定值高高联锁氧浓度7.0%（V）安全上限首次惰化时间5.5h满足8h要求首次惰化氮耗826Nm³—氮气额定流量150Nm³/h含43%裕量管道公称直径DN25mm流速10.8m/s系统响应时间41.3s＜60s氧浓度安全裕量54.5%＞最低要求8.2敏感性分析首次惰化时间受气相空间体积、氮气流量与置换混合效率的共同影响，其关系由式（4）与混合效率共同决定： t=VgηQ保持其他参数不变，分别考察气相空间体积与混合效率对置换时间的影响，结果见表8-2。表8-2置换时间敏感性分析变量取值置换时间（h）相对基准变化气相空间V_g300m³4.13−25%气相空间V_g400m³（基准）5.510%气相空间V_g500m³6.89+25%混合效率η0.66.43+17%混合效率η0.7（基准）5.510%混合效率η0.84.82−13%由表8-2可见，置换时间与气相空间体积成正比，与混合效率成反比。混合效率每下降0.1，置换时间约增加13%～17%，其影响不可忽略。因此，在罐内合理布置进气与排气口、采用“低进高出”的气流组织、避免死角短路，是缩短置换时间、降低氮气消耗的关键。8.3工程指导意义第一，安全裕量是惰化