王佰亮

沈阳化工研究院设计工程有限公司　沈阳　110021



石油化工常压及低压储罐的氮封系统设计

王佰亮*

沈阳化工研究院设计工程有限公司沈阳110021

阐述合理设定氮封系统中各阀(氮封阀、泄氮阀、呼吸阀)的压力，可避免氮封失效。泄氮阀和氮封阀分别起“呼”、“吸”作用，呼吸阀仅起安全保护作用。分别从氮封系统适用工况、设计原则、供气量计算、注意事项等方面进行了详细阐述，通过对氮封系统的合理设计，可规避安全风险、降低事故概率。

石油化工储罐氮封设计

石油化工企业的罐区经常存储大量的易挥发化工原料，当从外界进料打入储罐时，随着储罐内液体的增加，储罐内的气体就需要向外界排出以便液体进入储罐中；当从储罐输送物料到生产设备时，随着储罐内液体的减少，就需要向储罐内吸入气体以便液体的输送。由于储罐设置在室外，罐内物料会随着外界环境温度的变化引起罐内温度的变化，从而引起罐内气体压力的变化。热胀冷缩的效应导致储罐的气相空间出现体积膨胀或收缩，表现出“呼气”或“吸气”现象。为防止储罐出现超压或负压状态，工业生产中通常需要采取两种保护措施：① 在罐顶安装阻火呼吸阀；② 采用氮封系统[1]。本文介绍了氮封系统设计的相关内容，为从事相关化工设计工作人员提供一定的参考借鉴。

1　氮封系统适用的工况

为防止储罐内物料因与进入的外界气体(空气)接触而被污染变质或与外界进入的气体(空气)发生化学或生物反应，常需设置氮封系统。用氮气使储罐内维持一定压力(正压)，防止储罐内物料与外界气体接触[2]。储罐氮封系统特别适合用于各类大型储罐的气封保护系统[3]，主要用于工况：① 储存介质闪点低于60℃，易燃易爆；② 储存介质毒性较大或易挥发；③ 储存介质含硫，而储罐材质为碳钢，会有硫化亚铁生成，为防止硫化亚铁自燃[4]；④ 储存介质为水溶性或与水混溶的，并对其中水份有控制要求时；⑤ 储存介质接触空气发生聚合；⑥ 储存介质接触空气被氧化；⑦ 储存介质常温(37.8℃)时的饱和蒸汽压大于88KPa。

2　氮封系统应用于储罐的工作原理

氮封系统由氮封阀、呼吸阀(含阻火器)、泄氮阀、紧急泄放装置(泄压阀、泄压人孔)组成。

当储罐出液阀开启输送物料时，罐内液面下降，气相部分容积增大，罐内气相压力降低，氮封阀开启，向储罐注入氮气，罐内氮气压力上升，当罐内压力上升至氮封阀压力设定值时，氮封阀自动关闭。当储罐进液阀开启，向罐内添加物料时，液面上升，气相部分容积减小，罐内压力升高，当罐内压力高于泄氮阀压力设定值时，泄氮阀打开，向外界释放氮气，罐内氮气压力下降，降到泄氮阀压力设定值时，泄氮阀自动关闭[5]。当氮封阀和泄氮阀失灵时，此时呼吸阀代替氮封阀和泄氮阀起到保护作用。紧急泄放装置(卸压阀、泄放人孔)作用是当发生火灾时，储罐因受热引起罐内液体蒸发量剧增，此时泄放装置便开始向罐外呼出，以避免储罐因超压而损坏。具体流程见图1。

3　氮封系统压力设定设计原则

钢制立式圆筒形固定顶储罐的设计压力一般为：-0.5～2KPa，在如此小的压力范围内，如何保证各安全附件的压力区间没有交集，是确保氮封系统能够正常运行的关键。氮封系统失效原因主要是各安全附件的定压不准确、压力区间有交集。一般泄氮阀的压力设定点略大于氮封阀的压力设定点，以免供、泄氮装置频繁工作，浪费氮气、影响设备的使用寿命。呼吸阀的呼出设定值应大于泄氮阀压力设定值，呼吸阀的吸入设定值应小于氮封阀的压力设定值，罐顶呼吸阀仅起安全保护作用，呼吸阀在正常情况下不工作。当氮封阀或泄氮阀失灵，导致罐内压力过高或过低，此时，呼吸阀才动作。呼吸阀呼出的起跳压力应低于该呼吸阀所在储罐的最高设计压力，但应高于该储罐的操作压力，以确保储罐的正常操作。呼吸阀吸入的起跳压力应高于该呼吸阀所在储罐的最低设计压力，从而保护储罐不被损坏。具体压力关系见图2。

图1　氮封系统流程

图2　储罐安全附件压力关系

4　氮封系统供气量的计算

储罐氮封装置的供气量应大于或等于由于泵抽出储罐内储存的液体所需的补充气量与外界气温变化而产生的储罐内气体冷凝和收缩所需补充的气量之和。

(1)泵抽出储罐内液体所需补充的气量等于泵的最大输出能力。

(2) 因气温变化而引起储罐内的气体冷凝和收缩需补充的气量，在美国石油学会标准《常压和低压储罐的放空》API 2000中规定为：对容积≥3180m3的储罐，这个气量与储罐外壳和罐顶的表面积有关，每平方米罐外壳和罐顶表面积，每小时需补入0.6m3氮封气；对容积<3180m3的储罐，每立方米容积，每小时需补入0.178m3氮封气。上述的气量可以允许罐内气体每小时温度变化37.8℃，并且是偏于安全的。常用储罐因外界气温变化所需的供气量见HG/T 20570.16-95表2.0.1。

(3)将以上两项所需气量相加，即得氮封装置所需氮封量。

5　氮封系统应用于储罐的优点

储罐氮封系统装置(氮封阀、泄氮阀、呼吸阀)是一套自力式微压力控制系统，主要用于保持容器顶部保护气的压力恒定，维持储罐内的不可燃环境并抑制储罐的气体排放。氮封装置具有节能，动作灵敏、运行可靠、操作与维修方便等特点，氮封装置广泛应用于石油化工行业，产品特点无需外加能源，在无电无气的场合利用被调介质自身能量为动力源，引入压力阀的指挥器以控制压力阀芯位置，改变流经阀门介质流量，使阀门后端压力保持恒定[6]。氮封装置的供(泄)氮压力设定方便，可连续运行。在设定压力范围内，如从100mm H2O 需调整到50mm H2O ，可通过调节氮封阀顶部的调节螺丝，改变弹簧的受力，即可达到需要新设定的工艺值。泄氮阀的调整设定也是如此。

6　氮封系统设计时注意事项

虽然氮封系统已经被广泛应用，但在实际生产中的效果却不尽如人意，所以氮封系统设计时，要注意如下事项：

(1)氮气供气管的接管位置应远离泄氮管接口，并由罐顶部插入储罐内约200mm，以防止氮气短路[7]。呼吸阀应安装在储罐气源的最高点，以降低物料蒸发损耗并保证发生火灾时提供储罐呼吸最直接和最大的通道。当需要安装两个呼吸阀时，它们与罐顶中心应对称布置。呼吸阀选用全开启式。同时，针对环境温度和物料性质选择合适的类型，如可采取防冻、防结晶等措施。寒冷地区就应选用全天候呼吸阀。

(2)氮封阀阀前压力最好在2.5MPa以下，现场压力较高时，可在氮封阀前安装一只ZZYP 型自力式压力调节阀将压力减至1MPa以下，以提高可靠性和使用效果。

(3)氮封阀和泄氮阀安装位置尽量靠近罐顶，不宜安装在罐底部，因背压管线长，压力调节精度差。

(4)应结合当地的气象条件，采取有效的保温隔热措施，同时合理设置氮气储罐容量，可有效减少供气量，从而达到降低设备投资及运行费用的目的[8]。

7　结　语

通过合理设定氮封系统中各阀(氮封阀、泄氮阀、呼吸阀)的压力来控制储罐内的压力，氮封阀和泄氮阀起“呼吸”作用，呼吸阀仅起安全保护作用，这样可以避免阻火呼吸阀因频繁起跳失灵，造成储罐损坏，更重要的是采取氮封，可大幅降低安全风险概率。随着安全、环保、节能意识的提高以及为满足相关标准和规范的要求，氮封系统会越来越多的应用在石油化工企业储罐上。

1杨向东，朱红梅，田德永. 正负压防止罐气封装置在化工生产中的应用[J]. 氮肥技术，2012，(1)：20-22.

2HG/T 20570.16-95，工艺系统工程设计技术规定[S].

3张华，陈莉莉. 工艺设计中的氮气密封系统研究[J]. 广东化工，2014，(9)：194.

4冯秀梅，武文广. 含硫油品储罐自燃与防范措施[J]. 化工设备与管道，2006, (4)：61-64.

5武兴华. 自力式调节阀在氮封系统中的应用[J]. 扬子石油化工，2007，(4)：4-7.

6李树勋，张喜军，谢刚等. 波纹管平衡型自力式压差调节阀分析[J]. 油气储运，2008, (3)：44-46.

7陈国忠. 油罐呼吸阀的作用及维护[J]. 内蒙古石油化工，2010，(8)：58-59.

8徐顶旺. 氮封设计中氮封供气量计算方法的研究[J]. 化工设计，2012，(5)：13-15.

2016-08-04)

*王佰亮：工程师。2008年毕业于沈阳化工大学化学工程专业获硕士学位。一直从事石油化工工艺设计工作，曾发表论文10余篇。

联系电话：(024)85869134-812，E-mail:wangbailiang@sinochem.com。