1、C H E M l C A LE N G E E R I N GD E S I G N化工设计2 叭O，2 0(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2 0 0 2 3 5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
2、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G B5 0 1 6 0 一2 0 0 8、石油化工储运系统罐区设计规范S T3 0 0 7 2 0 0 7 及美国石油学会标准常压和低压储罐的泄压A P I2 0 0 0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 9 k P a(罐顶压力)的储罐。低压储罐：设计压力大于6 9 k P a 且小于0 1 M P a(罐顶压力)的储罐。定压：泄放装置
3、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。S E r I P：泄放装置呼出时的定压。S E T V：泄放装置吸人时的定压，以真空度表示。W C：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
4、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8 5 0 0 m 3 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1 0 0 m 3；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S H T3 0 0 7 规定：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；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
5、。3 1 1 分类沈佳逸：工程师。1 9 8 7 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：(0 2 1)6 4 7 0 5 8 8 8 3 0 8 4，E m a i l：8 h e n j y e Lc 0 I l Lc n。万方数据2 0 l O，2 0(3)沈佳逸石油化工常压及低压储罐安全泄放设施设计3 5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：S E T P 为2 2 6 9 0 咖W C；s E T v 为2 2 4 3 0 n l n l w C o(2)直接荷载弹簧式呼吸阀：s E T P 为6 9 0一1 0 0 0
6、 0 m m W C；(必肼V 为4 3 0 4 8 9 0 m m w C。(3)先导式呼吸阀：s E T P 为5 0 1 0 5 3 0 m m w C；(驺圈为5 0 1 0 3 0 0 瑚m W C。3 1 2 通气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人量。呼出量和吸入量可按下式计算：G D=G o，+G D r(1)G，=G，+(2)式中，G o、G。分别为呼吸阀的呼出量和吸人量，m 3 h；G o，为因最大进料量所造成的罐内气体的呼出量，m 3 h；G 仉为因环境温升导致罐内气体膨胀所造成的最大呼出量，m 3 h；G F 为因最大出料量所造成的气体吸人量，m 3 h
7、；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。m 3 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S H T3 0 0 7 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 4 5 c c 时，取呼出量为最大进料体积流量的1 0 7 倍；当物料闪点4 5 时，取呼出量为最大进料体积流量的2 1 4 倍。(2)常压和低压储罐的泄压A P I2
8、0 0 0 按闪点3 7 8 和闪点 3 7 8 区分，规定该项呼出量分别取最大进料体积流量的1 0 l 倍和2 0 2 倍。(3)石油化工储运系统罐区设计规范S T3 0 0 7 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A P I2 0 0 0 对闪点 3 7 8 的物料，规定该项气体吸人量取最大出料体积流量的O 9 4 倍；对闪点3 7 8 的物料，该项气体吸人量取值与s T3 0 0 7 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s H T3 0 0 7 规范。表l
9、储罐因环境温度变化引起的通气量(m 3 h)3 1 3 定压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T3 0 0 7 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7 0
10、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1 0 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C H E M l C A LE N G I N E E 砒N GD E S I G N化工设计2 0 1 0，2 0(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。例如。大型常压储罐
11、的设计压力一般取为一5 0 2 0 0 m m w c(G)，当泄放气体排人吸收系统的总压降为8 0 m m w C 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1 3 0 m m W C。3 2 气封系统3 2 1 作用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
12、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 流程(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：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；当气封气源压力较高时，一般要先减压至0 2 一O 2 5 M P a(G)
13、，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。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1 0 1 5 k g，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1 2 5 2 0 0 m m w C，压力设定可现场微调；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
14、，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。万方数据沈佳逸石油化工常压及低压储罐安全泄放设施设计3 7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
15、与紧急泄放量关系3 3 紧急泄放阀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A P I2 0 0 0 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S H T3 0 C r 7 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人双功能紧急泄放阀，还必须同时按本文3 1 2 条确定所需的最大吸人量G 然后选择合适
16、规格的紧急泄放阀。3 3 1 紧急泄放流量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A P I2 0 0 0 标准中的方法。(1)对于润湿表面积小于2 6 0 m 2 的小型储罐，紧急泄放量直接按表3 选取。(2)面积大于等于2 6 0 m 2 的储罐，按公式(3)计算紧急泄放量：Q=2 0 8 2 烈蚴(3)式中，Q 为紧急泄放量，N m 3 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，m 2。润湿面积(m 2)泄放量(N m 3 h)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 1
17、4 m 以上部分的润湿面积也不在考虑之内。3 3 2 泄放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A P IS t d6 2 0 2 0 0 2 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1 1 0。(2)紧急泄放阀的泄放压力不超过储罐设计压力的1 2 0。4 工程实例以某项目中的E D c 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E D C，化
18、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。E D C 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5 0 0 0 m 3，罐高H 为1 2 4 7 m，直径D 为2 3 7 m，进料泵流量为1 3 0 m 3 h，出料泵流737l，5HH Hn 强加旧m黝m谢掰舢帆舢姒姗鳅蚴舢埘镪锄烈眈螂埘m啪mm!坌mmu坫巧幻卯瑚瑚枷万方数据3 8C H E M l C A LE N G 小J E E 砌N GD E S I G N化工设计2 0】O，2 0(3)量为3 0 0m 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
19、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 气封阀常压固定顶罐的设计压力范围为一5 0 2 0 0 m m w C，因此将罐的正常操作压力设定为5 0 m m w c。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1 3，由表1 查出5 0 0 0 m 3罐最大温升(温降)引起的呼出、吸人量均为7 8 7 m 3，计算出所需的氮气量：3 0 0+7 8 7=1 0 8 7 N m 3 h化工区提供的氮气进界区的压力0 7 M P a
20、，选用了美国G R O T H 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l”气封阀的供气能力约为1 4 3 0N m 3 h，选择3 0 1 1 H 型可满足要求。4 2 呼吸阀所需吸入量：3 0 0+7 8 7=1 0 8 7 m 3 h所需呼出量：7 8 7+1 3 0 2 1 4=1 0 6 5m 3 h设定呼吸阀的定压S E T P 为7 5 m m w c，S E T v为2 2 m m w C，设定过压值分别为7 5、9 0，相应泄放压力为：7 5(1+7 5)=1 3 2m m W C真空度为：2 2(1+9 0)=4
21、 2m m W C均满足罐的设计压力条件。按以上条件查G R O T H 样本，可得重力式呼吸阀1 2 0 0 A 型6”和8”两个规格的通气能力，过压7 5 时的泄放能力见表5，过压9 0 时的吸人能力见表6。表5 呼吸阀的呼出能力(N m 3 h)表6 呼吸阀的吸入能力(N m 3 h)从表5 和表6 可看出，虽然6”呼吸阀在超压7 5 时流量达到2 6 8 0N m 3 h，可满足呼出量大于1 0 6 5N m 3 h 的条件，但在负压时超压流量只能达到9 8 0N m 3 h，小于所需的吸人量1 0 8 7N m 3 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
22、，所以选取8”呼吸阀是合适的。4 3 紧急泄放阀按照罐高H 为9 1 4 m 及直径D 为2 3 7 m，计算出罐的润湿面积A 为：2 3 1 4x2 3 7 9 1 4 2=6 8 0m 2取环境因子F=l(非保温状态)按式(3)计算紧急泄放的量为：2 0 8 2 1 6 8 0 n 犯=4 3 7 6 6N m 3 h选取紧急泄放阀的定压为1 6 0 m m w C，取过压为2 0，则罐的最大操作压力为：1 6 0(1+2 0)=1 9 2 响W C小于罐的设计压力2 0 0 m m w C。查G R O T H样本得紧急泄放阀2 0 0 0 A 型，尺寸2 0”在超压2 0 时的泄放能力
23、为2 2 0 5 0N m 3 h，因此，选用两个2 0”的2 0 0 0 A 型紧急泄放阀可满足该储罐的紧急泄放要求。5 结语常压及低压储罐附属的气封、呼吸阀、紧急泄放阀等几种安全设施选用时，呼出量与吸人量的确定应准确计算，确定的定压和超压值要经济合理，采用分级和多重保护，确保储罐的系统设计安全经济。参考文献lG B5 0 1 6 0 2 0 0 8。石油化工企业设计防火规范 s】2S m T3 0 c r 7 2 0 0 7，石油化工储运系统罐区设计规范 s 3A P IS t a n d a r d2 0 0 0，V 咖d n gA 缸I l 佣p h e l i c 柚dL 删一P r 嘴删_ es f 啪g eT 锄k 8，F i f mE d i 6 伽，1 9 9 8 s】4A P IS t d6 2 0 2 0 0 2，大型焊接低压储罐设计与建造 s 第l O 版(修改回稿2 0 l O 一0 1 一1 4)万方数据
