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化工儲罐氮封系統充氮量計算設計方案

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詳細介紹

化工儲罐氮封系統充氮量計算設計方案儲罐氮封與安全問題

△ 1.氮封系統未正常運行

在儲存化學品的過程中,儲罐有時會在無進出料操作的情況下,氮封系統未能正常投入使用,這樣的現象存在安全隱患。根據《關于進一步加強化學品罐區安全管理的通知》(安監總管三〔2014〕68號)第四條明確規定,對于配備氮氣保護設施的儲罐,必須確保氮封系統始終處于完好可用狀態。

1、氮氣密封系統的儲罐。此種物料一般具有以下特性之一:

1)、石油化工行業易揮發。如汽油、甲醇等飽和蒸汽壓高的物料,在常溫下容易揮發造成物料大量損失;

2)、工藝過程中應控制或避免與空氣接觸的物料。

2、氮封裝置的主要作用:

1). 防止氧化:通過向儲罐內注入氮氣,可以排擠罐內的空氣,減少物料與氧氣的接觸,從而降低物料被氧化的風險。

2). 抑制揮發:氮封可以減少儲罐內物料的揮發,對于易揮發的化學物質尤其重要。

3). 維持壓力平衡:在物料的裝入或抽出過程中,氮封裝置可以調節儲罐內部的壓力,保持壓力平衡,防止因壓力變化導致的儲罐結構損壞。

4). 減少VOCs排放:氮封可以減少揮發性有機化合物(VOCs)的排放,有助于環境保護和滿足工業排放標準。

5). 防止污染:氮氣是一種惰性氣體,可以防止儲罐內的物料受到外界污染,確保物料的純度和質量。

6). 提高安全性:通過控制儲罐內的氮氣壓力,可以避免由于壓力過高或過低導致的安全事故。

7). 保護儲罐結構:氮封裝置有助于防止儲罐因內部壓力波動而產生的變形或損壞。

8). 適用于多種儲罐:氮封裝置適用于各種類型的儲罐,包括化工原料儲罐、食品級儲罐、超純水儲罐等。

GB50160-2008石化企業防火標準[1]、 SH/T3007-2014儲運罐區設計規范[2]的要求,對甲 B 、乙A 類的可燃液體儲罐,應設置氮氣密封保護 系統,通過調節氮氣量使之填充頂部空間,節能降耗的同時,隔離油品與外界接觸以起到保護作用。

氮封閥02.jpg

二、化工儲罐氮封系統充氮量計算設計方案氮封系統適用工況?

氮氣密封系統的應用主要取決于罐的類型和存儲介質的性質。常適用于以下幾種工況:
(1)采用內浮頂罐或固定頂罐儲存沸點在 45℃下,或37.8℃時的飽和蒸氣壓>88KPa的甲B 類 液體時,應設置氮氣密封保護系統;

(2)采用內浮頂儲罐常壓儲存沸點≥45℃、 或37.8℃時飽和蒸氣壓≤88KPa的甲B 、乙A 類液體 時,可設置氮氣密封保護系統;另,當有特殊要 求而選擇固定頂、低壓儲罐或容量≤100m3的臥式 儲罐時,應設置氮氣密封保護系統;

(3)當常壓存儲I、II級毒性的甲B 、乙A 類液 體時,應設置氮氣密封保護系統;

(4)儲存介質與空氣接觸,易發生氧化、聚合等反應,常壓儲存時,應設置氮封保護系統;

(5)儲存介質具有水溶性,并對其含水量有 嚴格要求,常壓儲存時,應設置氮封保護系統。

△ 2.負壓狀態潛在風險

當儲罐氣相壓力呈現負壓狀態,例如達到-0.69kPa時,這可能意味著空氣已經進入儲罐,從而存在潛在的燃爆風險。為了確保安全,必須采取措施來防止空氣進一步進入。根據《石油化工企業設計防火標準》(GB 50160-2008,2018年版)第6.2.19條的規定,對于儲存甲B、乙A類液體的固定頂儲罐,推薦采用氮封或其他惰性氣體保護方式,以維持罐內的微正壓狀態。

△ 3.氮封系統要求及監控

氮封系統需配備自動補氣與泄壓功能。根據《立式圓筒形鋼制焊接儲罐設計規范》(GB 50341-2014)第8.4.3條的規定,采用氮封的儲罐必須配備能夠自動調節罐內壓力的進氣閥和排氣閥。這樣,在物料進出或溫度發生變動時,儲罐能夠保持預設的壓力范圍,從而確保安全運行。為了確保立式圓筒形鋼制焊接儲罐的安全運行,必須對氮封系統的關鍵參數進行實時監控。根據《危險化學品企業安全風險隱患排查治理導則》(應急〔2019〕78號)的規定,涉及易燃易爆、有毒有害介質的儲罐,應將其氮封壓力、閥門狀態等重要參數納入DCS(分布式控制系統)或現場巡檢的范圍,從而實現對儲罐壓力的實時監控,確保在壓力異常時能夠及時報警并采取干預措施。

氮封系統07.jpg

化工儲罐氮封系統充氮量計算設計方案技術參數和性能

閥體

公稱通徑DN25、32、40、50、65、80、100mm
公稱壓力PN1.0M Pa JB/T79.1-94、79.2-94等
法蘭標準
閥體材料鑄鐵(HT200)、鑄鋼(ZG230-450)、鑄不銹鋼(ZG 1Cr18Ni9Ti、ZG1Cr18Ni12Mo2Ti)
閥芯材料硬密封不銹鋼(1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti) 不銹鋼鑲嵌橡膠圈
軟密封
閥桿材料不銹鋼(1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti)
流量特性-
使用溫度

執行器

壓力設定范圍(KPa)0.4~0.5 5~10 9~14 13~19 18~24 22~28 27~33
36~44 42~51 49~58 56~66
膜蓋材料A3、A4鋼板涂四氟乙烯
膜片材料丁晴橡膠、乙炳橡膠、氟橡膠、耐油橡膠

性能

設定值偏差±5%允許泄露量
允許泄露量標準型IV級(符合GB/T4312-92標準)
嚴密型VI級(符合GB/T4312-92標準)

額定流量系數、額定行程、性能

ZZDG供氮裝置

公稱通徑DN253240506580100
閥座通徑Dn5678101215202532405065120100
流量系數Kv0.20.320.50.81.82.84.46.91120304875120190
額定行程L810142025




ZZYVP型帶指揮器調壓閥44.jpg

ZZDX泄氮裝置

公稱通徑DN20253240506580100
閥座通徑Dn20253240506580100
流量系數Kv6.91120304875120190
額定行程L810142025

供氮裝置外形尺寸及重量

公稱通徑DN(mm)253240506580100
L160180200230290310350
A308308308308394394394
H2415415415115415415415
H16075808595105120
H720730730750790840890
重量(kg)3235405090115280

泄氮裝置外形尺寸及重量

公稱通徑DN(mm)253240506580100
L160180200230290310350
A308308308308394394394
H16075808595105120
H380400420430550560570
重量(kg)12131517202838



三、化工儲罐氮封系統充氮量計算設計方案氮封系統設計方案

氮封閥018.jpg


1、壓力控制設計方案?

此方案:氮氣密封系統的設置,氮封系統通過控制儲罐內部的壓力,保持在一個安全和穩定的范圍內。這通常涉及到安裝壓力調節閥,如自力式氮封閥,它無需外部能源,可以自動控制儲罐內部的壓力 。重要場合儲罐頂部通常需設置阻火呼吸閥和泄壓人孔等安全裝置。值得注意的是,氮氣操作壓力宜為0.5~0.6 MPa ,通常氮氣的純度不應低于99.2%。

例如:控制罐內氣體壓力維持在300 Pa(G)上下。當儲罐內氣體壓力上升≥500 Pa(G)時,關停氮氣控制閥,暫停氮氣的補充;當內壓力≤200 Pa (G)時,氮氣控制閥將打開以補充氮氣,防止吸進空氣形成易

2. 氧含量控制設計方案

此方案:氮氣密封系統的設計, 旨在控制罐內氣相空間氧氣濃度不超過5%,從而 阻斷可造成爆炸的助燃條件。

(1)在罐內設置氧氣濃度監測器進行監控, 將高值與氮氣管路控制閥進行聯鎖設計。當罐內氧含量達到高值時,自動報警,然后通過聯鎖打開氮氣閥,使氮氣充入罐內。當檢測器指標達到設定的正常范圍時,立即聯鎖關停氮氣閥停止充氮。

(2)在同類介質儲罐間設計一組管道將氣相管道貫通,可減少作業時氮氣的用量,也可降低油氣排放量。例如聯通管道的管徑為DN150,流量宜為 150m3/h。

(控制系統:現代氮封系統可能包括與DCS或PLC控制系統的集成,以實現遠程監控和自動化控制。這包括安裝壓力表和設置高、低壓報警功能、設置變送器維持儲罐微正壓、超設定壓力時自動泄壓、以及可能的氧含量監測和控制等 。)

四、化工儲罐氮封系統充氮量計算設計方案充氮量計算

氮封閥裝置系統圖.jpg


一般來說,充氮量Q等于儲罐物料的排出量 Q1 與由溫度變化導致的吸氣量Q2 之和。

例:下面以罐區中3000m3苯罐所需充氮量的計算為例進行說明。根據化工部“鋼制立式圓筒形內浮頂罐系 列"HG21502.2-1992可查表得[5],3000m3儲罐內 徑D=17m,罐壁高度H1 =15.85m,拱頂球冠高度 H2 =1.841m,本次計算按照浮盤沉底考慮,即取設 計液位h=1.8m來計算儲罐內氣體的體積 Vm 。Vm 等于罐體圓柱部分氣相空間體積V1 與罐頂 球冠空間體積V2 之和。其中:

3000m3儲罐內氣體體積值Vm=3400m, 當儲罐內部氣體溫度T(35℃)隨外界氣溫變化一小時內降至T′(20℃) 罐內操作壓力由 1000Pa(G)降至0Pa(G)時,根據理想氣體狀態 方程:

式中:P0 :標準大氣壓(取0.101325MPa (A));
P1 :操作壓力(MPa(A));
V0 :標準狀態下的氣體體積(Nm3);
V1 :操作狀態下的氣體體積(m3,我們取液位時的Vm值); T0 :標準狀態下的氣體溫度(273.15K);
T1 :操作狀態下的氣體溫度(K)。
得:在儲罐內液位,標準狀態下,35℃ 時,罐內氣體體積V0 為3044Nm3;同理可得25℃ 時,罐內氣體體積V0 '為3168Nm3。因此,此降溫過 程內需要補充的氮氣量Q為124m3/h。

因 此,為避免浪費氮氣資源,可在參考SH/T3007 2014表5.1.6中推薦的氣量規范值的基礎上根據實際工況進行計算。

五、化工儲罐氮封系統充氮量計算設計方案氮封裝置常見故障

通常由截止閥、過濾器、供氮閥、調節器、壓力表、呼吸閥等組成。

氮封閥36.jpg

△ 4.氮氣供應問題與維護

在執行惰性氣體保護,特別是氮封時,必須確保所使用的氮氣嚴格符合工藝標準,其純度應至少達到99.5%。同時,供氣系統應配備備用設備或保障措施,以確保連續穩定的氮氣供應,從而避免因氮氣中斷而可能導致的負壓問題。根據《危險化學品重大危險源監督管理暫行規定》中明確指出,涉及重大危險源的設備設施,包括氮封系統,都必須進行定期的檢測與維護,以確保其始終處于良好的運行狀態。然而,現實中往往存在對這一規定的忽視,導致氮封儲罐等關鍵設備未能得到及時有效的檢查與維護。

△ 5.事故泄壓裝置的重要性

甲B、乙類液體儲罐如甲醇、環己烷、異丙醇等,其固定頂部分未配備必要的事故泄壓裝置,例如呼吸閥、緊急泄壓人孔或爆破片等。根據《石油化工企業設計防火標準(2018年版)》(GB50160-2008)第6.2.19條的規定,若甲B、乙類液體儲罐如甲醇、環己烷、異丙醇等采用氮氣或其他氣體進行氣封,則必須配備相應的事故泄壓設備,以確保安全。根據《壓力容器安全技術監察規程》(TSG 21-2016)第3.14條的規定,對于儲存易燃、易爆或有毒介質的壓力容器,必須根據其工藝條件和安全需求來設置超壓泄放裝置,以確保容器的安全運行。壓力容器必須按照設計要求配備安全閥、爆破片等泄壓裝置,且這些裝置不得隨意被拆除或封閉,以確保壓力容器的安全運行。對于涉及重點監管危險化學品的儲罐,特別是那些配備了氮封系統的儲罐,法規要求增設高效且安全的事故泄壓設備,以預防因超壓或負壓引發的儲罐變形或破裂事故。