常低壓儲罐通氣設計國內外規范研究

王慶

(中海油石化工程有限公司，山東 濟南 250101)

0 引言

常低壓儲罐指設計壓力不大于0.1 MPa 的儲罐，在石油化工項目中通常用于儲存原料、中間原料和成品。在儲罐運行過程中，由于進出液、環境溫度變化、火災及其他多種原因會導致儲罐超壓或真空，當儲罐壓力波動超出儲罐承受范圍時會對儲罐造成破壞，因此需要在儲罐上設置通氣裝置或其他設施對儲罐進行保護[1-2]。

API 2000—2014《Venting Atmospheric and Low-Pressure Storage Tanks》對常低壓儲罐通氣裝置的設置進行了詳細論述。國內規范SH/T 3007—2014《石油化工儲運系統罐區設計規范》、HG/T 20570.16—1995《 氣封的設置》、SY/T 0511.1—2010《石油儲罐的附件 第1 部分：呼吸閥》、GB 50160—2008《石油化工企業設計防火標準(2018版)》等對相關問題也提出了規定。國內外規范的要求略有區別，本文對規范規定進行對比分析。

1 超壓/真空工況分析

(1)API 規范要求

API 2000 全面分析了除外浮頂儲罐外的常低壓儲罐發生超壓或真空的原因，主要包括液體進出料、氣溫變化等正常工況，和火災、設備故障或人員誤操作等異常工況[3]，具體工況如表1 所示。

表1 常壓、低壓儲罐超壓/真空工況匯總表

(2)國內規范要求

SH/T 3007 僅考慮了液體進出料和氣候影響等正常工況，未考慮火災及其他異常工況。在具體計算時，應根據運行時因設備故障與誤操作可能導致的異常工況進行具體分析，并在計算呼吸量和確定呼吸裝置時予以考慮。

2 儲罐泄壓裝置的選擇

2.1 正常通氣

(1)API 規范要求

API 2000 規定常壓儲罐應設置呼吸閥或開放式通氣管來實現儲罐正常通氣，并根據儲存介質、環境及其他工程特性判斷呼吸閥和通氣管上是否需要設置阻火器。對儲存閃點低于60 ℃的液體、儲存溫度可能超過閃點、罐內存在易燃蒸汽空間等特殊儲存條件，應采取防止外部火焰傳入儲罐內部的措施。

常壓儲罐上通常設置呼吸閥避免產品損失。當設置開放式通氣管時，對可能存在易燃氣相空間的儲罐在通氣管上應設置阻火器。當儲存粘性較大的介質時，為避免由于呼吸閥閥盤粘連或阻火器堵塞導致癟罐，可以采用開放式通氣管。在對無組織排放有嚴格要求的地區，不可設置通氣管，應設置密閉排放或處理后排放。

(2)國內規范要求

GB 50160、SH/T 3007 均對儲罐呼吸閥、阻火器的設置提出了要求。GB 50160 規定甲B、乙類液體的固定頂罐應設呼吸閥與阻火器[4]。SH/T 3007 規定儲存甲B、乙類液體的固定頂儲罐與地上臥式儲罐以及采用惰性氣封系統保護的儲罐應設呼吸閥。儲存甲B、乙、丙A 類液體的固定頂儲罐和地上臥式儲罐，儲存甲B、乙類液體的覆土臥式儲罐，采用惰性氣體密封保護系統的儲罐，內浮頂儲罐罐頂中央通氣管或呼吸閥上均應設置阻火器[5]。

(3)比較

國內外規范都要求對常低壓儲罐需設置呼吸閥，既能維持儲罐內壓力穩定，防止儲罐內出現較大壓力波動而導致儲罐超壓或真空，又可以利用儲罐本身的承壓能力維持儲罐內微正壓，減少儲罐內介質的揮發和損耗[6-7]。根據GB 50160 中關于可燃液體火災危險性的劃分，甲類、乙類液體為閃點小于60 ℃的可燃液體。API 2000 與國內規范對可燃液體儲罐設置泄壓保護裝置的要求一致。

2.2 緊急通氣

(1)API 規范要求

API 2000 規定當火災等事故工況發生時需進行緊急泄放，常規的呼吸閥無法滿足緊急泄放量的要求時，可以采用以下方法進行緊急通氣。

①增大通氣管與呼吸閥的尺寸或增加通氣管與呼吸閥的數量；②改進量油口蓋與人孔蓋結構，當內壓異常時，量油口蓋與人孔蓋自動打開進行泄壓；③儲罐采用弱頂殼連接結構，當正常通氣設備泄放能力不足時，頂殼連接焊口等連接處會優先破裂進行超壓泄放，弱頂殼連接儲罐無需考慮緊急通氣的額外要求；④設置爆破片；⑤其他有效結構形式。

(2)國內規范要求

SH/T 3007 中規定采用惰性氣封系統的儲罐需設事故泄壓設備，當惰性氣封系統或呼吸閥發生故障時，事故泄壓設備應滿足儲罐所需緊急通氣要求，該規范推薦設置直徑大于等于DN 500 的呼吸人孔或緊急泄壓人孔蓋作為緊急泄放設備。除設置泄壓人孔等事故泄壓設備外，GB 50160 中規定常壓固定頂罐的罐頂應設置弱頂結構形式或采取其他泄壓措施，當儲罐超壓時壓力優先從罐頂泄放，從而確保罐體不被破壞。

(3)比較

API 2000 給出了常低壓儲罐火災工況下泄放量的計算方法，而GB 50160 未對弱頂結構進行詳細說明且沒有規定泄壓人孔和呼吸人孔的計算方法，SH/T 3007 規定了緊急放空人孔蓋或呼吸人孔的經驗尺寸不小于DN 500，但未介紹計算方法。因此當計算常低壓儲罐火災工況下需要的呼吸量時可根據API 2000 計算。常低壓儲罐通常采用氮封系統、呼吸閥與緊急泄壓人孔組合的形式，滿足儲罐大小呼吸與火災等需要緊急泄放的工況的通氣要求[8]。

3 呼吸量選取原則

為保證儲罐運行安全，計算儲罐呼吸量應考慮所需正常呼出量、正常吸入量、緊急泄放量和惰性氣密封量4 個參數。在確定儲罐通氣要求時，應將最大的單一工況通氣要求或可能出現的多種通氣組合作為設計依據。在確定總的正常吸氣或呼氣量時，至少應不小于液體輸送與儲罐熱效應通氣量的組合[9]。

3.1 進出料量所造成的通氣量

(1)API 規范要求

API 2000 根據液體閃點37.8 ℃或沸點148.9 ℃將液體分為非揮發性液體、揮發性液體與閃蒸液體。非揮發性液體的氣體呼出量按最大進液量計算；揮發性液體的氣體呼出量按最大進液量的2 倍計算；閃蒸液體可能因高溫或溶解氣而閃蒸出氣體，應根據平衡閃蒸計算提高呼氣要求。液體出罐導致的空氣吸入量，按最大出液量計算。進罐液體蒸發率以泵入空罐的汽油為基礎，估算為0.5%；若入罐液體的進料溫度高于儲罐液體工作壓力下的沸點，液體的蒸發率會顯著提高[10]。

(2)國內規范要求

SH/T 3007 在計算液體進入固定頂儲罐導致的罐內氣體呼出量時，按照閃點45 ℃將液體分為兩類，當液體閃點高于45 ℃時，氣體呼出量按最大進液量的1.07 倍計算；當液體閃點低于或等于45 ℃時，氣體呼出量按最大進液量的2.14 倍計算。液體出罐導致的空氣吸入量應按最大出液量計算。根據GB 50160，低于或等于45 ℃的可燃液體為甲B 或乙A 類可燃液體。

(3)比較

API 2000 與SH/T 3007 對液體出料導致的最大吸氣量計算要求一致。對液體進料導致的最大呼氣量，API 2000 中所提出呼出量按照閃點高于37.8 ℃或沸點高于148.9 ℃劃分，SH/T 3007 的取值按照閃點低于45 ℃劃分。同一種工況下按照SH/T 3007 計算得出的呼吸量略大于API 2000 的計算結果[11]。

3.2 環境熱效應所造成的熱呼吸量

(1)API 規范要求

API 2000 對環境溫度變化導致的氣相呼出量與吸入量計算進行了規定：

(2)國內規范要求

SH/T 3007 對容積為100～30 000 m3的儲罐所需的熱呼吸通氣需要量列表，供設計人員直接按儲罐容積與液體閃點選取相應的熱通氣量。該表的儲罐熱呼吸通氣需要量摘自API STD 2000 ( 2009 年11 月第六版[12])。

(3)比較

SH/T 3007 基本引用了API 2000 第五版中表2B的相關計算數據，計算中未考慮儲罐建設地點、儲存介質蒸氣壓、儲存溫度等因素的影響。新版的API 2000 中優化了呼吸量的計算方法，增加緯度因子，在計算中考慮了儲罐建設地點緯度對呼吸量的影響。SH/T 3007 中考慮環境熱效應影響的液體閃點劃分界限與API 2000 相同，均為37.8 ℃，該值與SH/T 3007 中進出液導致氣相呼吸量的劃分閃點值不同。

3.3 外部火災暴露(緊急通氣)所需流量

API 2000 規定火災工況下儲罐所需泄放流量由火災暴露熱量輸入、環境因素、液體蒸發潛熱、釋放蒸汽的物性參數計算得到：

式中：Q為火災暴露的熱量輸入，與儲罐火災中的潤濕面積和儲罐設計壓力有關，其中立式儲罐潤濕面積為高出地面9.14 m 范圍內的儲罐表面積，罐底板是否包含潤濕面積需根據儲罐設置情況進行判斷；F為環境因素(詳見API 2000 表9)；L為儲存液體在釋放壓力和溫度下的蒸發潛熱；T為釋放蒸汽的絕對溫度；M為蒸汽的相對分子質量。

火災工況所需最大泄放量通常作為儲罐的緊急泄放量。SH/T 3007 與GB 50160 中均未涉及火災等事故工況的緊急泄放量計算。

4 惰性氣封

4.1 氣封目的

API 2000 中闡述設置惰性氣封系統的目的是避免儲罐在真空工況下吸入空氣，降低儲罐內形成爆炸性環境的可能性，從而降低危險區域劃分級別。HG/T 20570.16 中介紹設置氣封的目的是為防止外界空氣進入儲罐污染所存儲介質，防止介質與外界進入的氣體發生化學和(或)生物反應。通過氣封系統使儲罐內維持微正壓，防止儲罐內物料與外界氣體接觸[13]。就設置惰性氣封系統的目的來看，API 2000 側重于降低儲罐內形成氣相爆炸空間的可能性，HG/T 20570.16 側重于防止儲罐內液體被外界氣體污染，或者阻止發生化學或生物反應。

4.2 供氣量計算

(1)API 規范要求

由于天氣變化導致氣相空間收縮或冷凝及儲罐出液時，儲罐內應補充氮氣。對惰性氣體供應，需確定可用惰性氣體體積流量和備用惰性氣體體積的最小值。每級系統要求的氣體供應量計算如下：

式(4)～式(6)中：C為一個取決于蒸汽壓、平均儲存溫度和緯度的因素；為液體排出的最大速率。

(2)國內規范要求

根據HG/T 20570.16 規定：儲罐氣封裝置所需要的氣量為泵的額定流量與環境熱效應導致的氣相冷凝和收縮所需要的補氣量。其中，因氣溫變化而引起的氣體冷凝和收縮需補充的氣量根據API 2000 規定進行選?。簩θ莘e≥3 180 m3的儲罐，每平方米外殼和罐頂面積需補充氣封氣量0.600 m3/h；對容積＜3 180 m3的儲罐，每立方米容積需補充氣封氣量0.178 m3/h。

(3)比較

兩個規范關于惰性氣補氣用量計算值不同的原因在于在計算中環境熱效應所需補氣量的計算系數選取有所不同，HG/T 20570.16 公式中系數為1[3,14]，而API 2000 的三級氣封方案公式中環境氣溫變化導致的補氣量整體分別乘以系數0.1、0.2 和0.5。因此HG/T 20570.16 中的方法計算出的補氣量大于API 2000 計算值，增大運營成本。

5 結語

API 2000 中詳細論述了常低壓儲罐超壓和真空的原因分析、通氣裝置的選擇、通氣量的計算、惰性氣封的設置等，與國內規范要求略有不同。國內外規范關于儲罐進出液和熱效應導致的儲罐通氣要求基本一致，但國內規范未考慮儲罐發生火災工況及其他異常工況，沒有要求常低壓儲罐火災工況下泄放量及泄壓裝置尺寸的計算方法，當分析常低壓儲罐火災工況可根據API 2000 的要求進行分析和計算。國內外規范對惰性氣封的設置目的和補氣量計算要求不同，API 2000 在計算補氣量時考慮了儲罐保溫與建設地緯度的影響，并且根據項目具體工況進行三級氣封設置，計算結果更經濟合理。