化工儲罐氮封系統(tǒng)充氮量計算設(shè)計方案儲罐氮封與安全問題

△ 1.氮封系統(tǒng)未正常運(yùn)行

在儲存化學(xué)品的過程中，儲罐有時會在無進(jìn)出料操作的情況下，氮封系統(tǒng)未能正常投入使用，這樣的現(xiàn)象存在安全隱患。根據(jù)《關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)化學(xué)品罐區(qū)安全管理的通知》（安監(jiān)總管三〔2014〕68號）第四條明確規(guī)定，對于配備氮氣保護(hù)設(shè)施的儲罐，必須確保氮封系統(tǒng)始終處于完好可用狀態(tài)。

1、氮氣密封系統(tǒng)的儲罐。此種物料一般具有以下特性之一：

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

2）、工藝過程中應(yīng)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(nèi)注入氮氣，可以排擠罐內(nèi)的空氣，減少物料與氧氣的接觸，從而降低物料被氧化的風(fēng)險。

2）. 抑制揮發(fā)：氮封可以減少儲罐內(nèi)物料的揮發(fā)，對于易揮發(fā)的化學(xué)物質(zhì)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(diào)節(jié)儲罐內(nèi)部的壓力，保持壓力平衡，防止因壓力變化導(dǎo)致的儲罐結(jié)構(gòu)損壞。

4）. 減少VOCs排放：氮封可以減少揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）的排放，有助于環(huán)境保護(hù)和滿足工業(yè)排放標(biāo)準(zhǔn)。

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

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

7）. 保護(hù)儲罐結(jié)構(gòu)：氮封裝置有助于防止儲罐因內(nèi)部壓力波動而產(chǎn)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(yè)防火標(biāo)準(zhǔn)[1]、 SH/T3007-2014儲運(yùn)罐區(qū)設(shè)計規(guī)范[2]的要求，對甲 B 、乙A 類的可燃液體儲罐，應(yīng)設(shè)置氮氣密封保護(hù) 系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)氮氣量使之填充頂部空間，節(jié)能降耗的同時，隔離油品與外界接觸以起到保護(hù)作用。

二、化工儲罐氮封系統(tǒng)充氮量計算設(shè)計方案氮封系統(tǒng)適用工況?

氮氣密封系統(tǒng)的應(yīng)用主要取決于罐的類型和存儲介質(zhì)的性質(zhì)。常適用于以下幾種工況：
（1）采用內(nèi)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(yīng)設(shè)置氮氣密封保護(hù)系統(tǒng)；

（2）采用內(nèi)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(shè)置氮氣密封保護(hù)系統(tǒng)；另，當(dāng)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(yīng)設(shè)置氮氣密封保護(hù)系統(tǒng)；

（3）當(dāng)常壓存儲I、II級毒性的甲B 、乙A 類液 體時，應(yīng)設(shè)置氮氣密封保護(hù)系統(tǒng)；

（4）儲存介質(zhì)與空氣接觸，易發(fā)生氧化、聚合等反應(yīng)，常壓儲存時，應(yīng)設(shè)置氮封保護(hù)系統(tǒng)；

（5）儲存介質(zhì)具有水溶性，并對其含水量有 嚴(yán)格要求，常壓儲存時，應(yīng)設(shè)置氮封保護(hù)系統(tǒng)。

△ 2.負(fù)壓狀態(tài)潛在風(fēng)險

當(dāng)儲罐氣相壓力呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)，例如達(dá)到-0.69kPa時，這可能意味著空氣已經(jīng)進(jìn)入儲罐，從而存在潛在的燃爆風(fēng)險。為了確保安全，必須采取措施來防止空氣進(jìn)一步進(jìn)入。根據(jù)《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50160-2008，2018年版）第6.2.19條的規(guī)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(hù)方式，以維持罐內(nèi)的微正壓狀態(tài)。

△ 3.氮封系統(tǒng)要求及監(jiān)控

氮封系統(tǒng)需配備自動補(bǔ)氣與泄壓功能。根據(jù)《立式圓筒形鋼制焊接儲罐設(shè)計規(guī)范》（GB 50341-2014）第8.4.3條的規(guī)定，采用氮封的儲罐必須配備能夠自動調(diào)節(jié)罐內(nèi)壓力的進(jìn)氣閥和排氣閥。這樣，在物料進(jìn)出或溫度發(fā)生變動時，儲罐能夠保持預(yù)設(shè)的壓力范圍，從而確保安全運(yùn)行。為了確保立式圓筒形鋼制焊接儲罐的安全運(yùn)行，必須對氮封系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控。根據(jù)《危險化學(xué)品企業(yè)安全風(fēng)險隱患排查治理導(dǎo)則》（應(yīng)急〔2019〕78號）的規(guī)定，涉及易燃易爆、有毒有害介質(zhì)的儲罐，應(yīng)將其氮封壓力、閥門狀態(tài)等重要參數(shù)納入DCS（分布式控制系統(tǒng)）或現(xiàn)場巡檢的范圍，從而實現(xiàn)對儲罐壓力的實時監(jiān)控，確保在壓力異常時能夠及時報警并采取干預(yù)措施。

化工儲罐氮封系統(tǒng)充氮量計算設(shè)計方案技術(shù)參數(shù)和性能

閥體

執(zhí)行器

性能

額定流量系數(shù)、額定行程、性能

ZZDG供氮裝置

ZZDX泄氮裝置

供氮裝置外形尺寸及重量

泄氮裝置外形尺寸及重量

三、化工儲罐氮封系統(tǒng)充氮量計算設(shè)計方案氮封系統(tǒng)設(shè)計方案

1、壓力控制設(shè)計方案?

此方案：氮氣密封系統(tǒng)的設(shè)置，氮封系統(tǒng)通過控制儲罐內(nèi)部的壓力，保持在一個安全和穩(wěn)定的范圍內(nèi)。這通常涉及到安裝壓力調(diào)節(jié)閥，如自力式氮封閥，它無需外部能源，可以自動控制儲罐內(nèi)部的壓力 。重要場合儲罐頂部通常需設(shè)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(yīng)低于99.2%。

例如：控制罐內(nèi)氣體壓力維持在300 Pa（G）上下。當(dāng)儲罐內(nèi)氣體壓力上升≥500 Pa（G）時，關(guān)停氮氣控制閥，暫停氮氣的補(bǔ)充；當(dāng)內(nèi)壓力≤200 Pa （G）時，氮氣控制閥將打開以補(bǔ)充氮氣，防止吸進(jìn)空氣形成易

2. 氧含量控制設(shè)計方案

此方案：氮氣密封系統(tǒng)的設(shè)計， 旨在控制罐內(nèi)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(nèi)設(shè)置氧氣濃度監(jiān)測器進(jìn)行監(jiān)控， 將高值與氮氣管路控制閥進(jìn)行聯(lián)鎖設(shè)計。當(dāng)罐內(nèi)氧含量達(dá)到高值時，自動報警，然后通過聯(lián)鎖打開氮氣閥，使氮氣充入罐內(nèi)。當(dāng)檢測器指標(biāo)達(dá)到設(shè)定的正常范圍時，立即聯(lián)鎖關(guān)停氮氣閥停止充氮。

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

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

四、化工儲罐氮封系統(tǒng)充氮量計算設(shè)計方案充氮量計算

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(dǎo)致的吸氣量Q2 之和。

例：下面以罐區(qū)中3000m3苯罐所需充氮量的計算為例進(jìn)行說明。根據(jù)化工部“鋼制立式圓筒形內(nèi)浮頂罐系 列"HG21502.2-1992可查表得[5]，3000m3儲罐內(nèi) 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(shè) 計液位h=1.8m來計算儲罐內(nèi)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(nèi)氣體體積值Vm=3400m， 當(dāng)儲罐內(nèi)部氣體溫度T（35℃）隨外界氣溫變化一小時內(nèi)降至T′（20℃） 罐內(nèi)操作壓力由 1000Pa（G）降至0Pa（G）時，根據(jù)理想氣體狀態(tài) 方程：

式中：P0 ：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（取0.101325MPa （A））；
P1 ：操作壓力（MPa（A））；
V0 ：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體體積（Nm3）；
V1 ：操作狀態(tài)下的氣體體積（m3，我們?nèi)∫何粫r的Vm值）； T0 ：標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氣體溫度（273.15K）；
T1 ：操作狀態(tài)下的氣體溫度（K）。
得：在儲罐內(nèi)液位，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，35℃ 時，罐內(nèi)氣體體積V0 為3044Nm3；同理可得25℃ 時，罐內(nèi)氣體體積V0 '為3168Nm3。因此，此降溫過 程內(nèi)需要補(bǔ)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(guī)范值的基礎(chǔ)上根據(jù)實際工況進(jìn)行計算。

五、化工儲罐氮封系統(tǒng)充氮量計算設(shè)計方案氮封裝置常見故障

通常由截止閥、過濾器、供氮閥、調(diào)節(jié)器、壓力表、呼吸閥等組成。

△ 4.氮氣供應(yīng)問題與維護(hù)

在執(zhí)行惰性氣體保護(hù)，特別是氮封時，必須確保所使用的氮氣嚴(yán)格符合工藝標(biāo)準(zhǔn)，其純度應(yīng)至少達(dá)到99.5%。同時，供氣系統(tǒng)應(yīng)配備備用設(shè)備或保障措施，以確保連續(xù)穩(wěn)定的氮氣供應(yīng)，從而避免因氮氣中斷而可能導(dǎo)致的負(fù)壓問題。根據(jù)《危險化學(xué)品重大危險源監(jiān)督管理暫行規(guī)定》中明確指出，涉及重大危險源的設(shè)備設(shè)施，包括氮封系統(tǒng)，都必須進(jìn)行定期的檢測與維護(hù)，以確保其始終處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。然而，現(xiàn)實中往往存在對這一規(guī)定的忽視，導(dǎo)致氮封儲罐等關(guān)鍵設(shè)備未能得到及時有效的檢查與維護(hù)。

△ 5.事故泄壓裝置的重要性

甲B、乙類液體儲罐如甲醇、環(huán)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(jù)《石油化工企業(yè)設(shè)計防火標(biāo)準(zhǔn)（2018年版）》（GB50160-2008）第6.2.19條的規(guī)定，若甲B、乙類液體儲罐如甲醇、環(huán)己烷、異丙醇等采用氮氣或其他氣體進(jìn)行氣封，則必須配備相應(yīng)的事故泄壓設(shè)備，以確保安全。根據(jù)《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（TSG 21-2016）第3.14條的規(guī)定，對于儲存易燃、易爆或有毒介質(zhì)的壓力容器，必須根據(jù)其工藝條件和安全需求來設(shè)置超壓泄放裝置，以確保容器的安全運(yùn)行。壓力容器必須按照設(shè)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(yùn)行。對于涉及重點監(jiān)管危險化學(xué)品的儲罐，特別是那些配備了氮封系統(tǒng)的儲罐，法規(guī)要求增設(shè)高效且安全的事故泄壓設(shè)備，以預(yù)防因超壓或負(fù)壓引發(fā)的儲罐變形或破裂事故。