拱顶储罐通气量计算方法比较
2021-12-30王新超
王新超
（中国石油天然气管道工程有限公司）
据不完全统计，低压拱顶储罐发生凹瘪、翘底事故占储罐罐体损坏事故的50%以上，导致该类事故发生的原因有通气系统设计不合理及储罐收发液操作和通气装置维护不当等［1］。设计时合理确定拱顶储罐的通气量对于保障储罐安全运行至关重要。然而，我国现阶段尚无明确计算通气量的国家标准，国内外项目中计算通气量应用的标准也不尽相同，主要有HPIS-G-103—1997《固定顶油罐通风设备》、SH/T 3007—2014《石油化工储运系统罐区设计规范》［2］、BSEN 14015—2004《Specification for the design and manufacture of site built,vertical,cylindrical,flat-bottomed,above ground,welded,steel tanks for the storage of liquids at ambient temperature and above》和API STD 2000—2014《Venting Atmospheric and Low-Pressure Storage Tanks》4个标准。在工程项目中应根据当地环境和油品物性选择适用标准进行计算，笔者针对以上4个标准中的通气量计算方法提出差异性和选用建议。
1 储罐通气过程
拱顶储罐的正常通气量均由最大限度进出液和吸/排气时气温变化引起，可分为液体进罐造成气体呼出、液体出罐造成气体吸入、气温升高造成气体呼出和气温降低造成气体吸入4种情况。如图1所示，储罐在进行介质收发作业时，由于液面的升降变化引起储罐内气体空间变化，发生混合油气的排出或外界空气的吸入，即进出液呼吸量；随着外界气温和压力的变化，罐内气体空间温度、油气蒸发速度、油气体积浓度和蒸气压力也随之变化，发生石油蒸气的排出或外界空气的吸入，即热呼吸量［3］。
2 不同标准的通气量计算方法
2.1 HPIS-G-103—1997
HPIS-G-103—1997《固定顶油罐通风设备》中的储罐通气量计算方法如下：
油品闪点低于40℃时
油品闪点高于或等于40℃时
式中 Qi——总吸气量，m3/h；
Qo——总呼出量，m3/h；
Qt——气温变化引起的通气量（热呼吸量），m3/h；
Vi——最大进液量，m3/h；
Vo——最大出液量，m3/h。
在吸气或排气过程中，因气温变化（包括骤降大雨致使的油气温度下降）引起的热呼吸量计算式为：
储罐容积小于3 200 m3时
储罐容积大于或等于3 200 m3时
式中 Stk——储罐壁板与顶板表面积之和，m2；
Vtk——储罐容积，m3。
2.2 SH/T 3007—2014
SH/T 3007—2014《石油化工储运系统罐区设计规范》中的储罐通气量计算方法如下：
油品闪点低于45℃时
油品闪点高于或等于45℃时
式（7）～（10）中的热呼吸量Qt按表1取值。
表1 不同容积储罐的热呼吸量
2.3 BSEN 14015—2004
BS EN 14015—2004 《Specification for the design and manufacture of site built,vertical,cylindrical,flat-bottomed,above ground,welded,steel tanks for the storage of liquids at ambient temperature and above》中的储罐通气量计算方法如下：
油品闪点低于40℃、蒸汽压力低于5 kPa时
式中 C、Y——系数，按表2取值；
Ri——保温消减因子，无保温层时取1。
油品闪点高于或等于40℃、蒸汽压力高于或等于5 kPa时，需根据油气蒸发速度增加出液吸入量Vo。
表2不同条件下系数C、Y的取值
2.4 API STD 2000—2014
API STD 2000—2014《Venting Atmospheric and Low-Pressure Storage Tanks》不仅提供储罐通气量的常用计算方法，还在附录A中提供了一种备用计算方法。
2.4.1 常用方法
油品闪点低于40℃、蒸汽压力低于5 kPa时：
式中 C、Y——系数，按表3取值；
表3 不同条件下系数C、Y的取值
Ri——保温消减因子，无保温层时取1。
油品闪点高于或等于40℃、蒸汽压力高于或等于5 kPa时，可根据油气蒸发速度增加出液吸入量Vo。
2.4.2 备用方法
油品闪点低于37.8℃、沸点低于148.9℃时:
油品闪点高于或等于37.8℃、沸点高于或等于148.9℃时:
式（15）～（18）中的热呼吸量Qt按表4取值。
表4 不同容积储罐的热呼吸量
3 计算方法的差异性
通过对4个标准中储罐通气量计算方法进行对比，可以看出在设定油品闪点分界点、进出液呼吸量比例系数和热呼吸量计算方法存在差异。
3.1 油品闪点分界点
SH/T 3007—2014采用45.0℃作为油品闪点分界点，依据是GB 50074—2004《石油库设计规范》中规定闪点低于45℃的液体为易燃液体、闪点高于或等于45.0℃的液体为可燃液体［4］。
HPIS-G-103—1997、BS EN 14015—2004和API STD 2000—2014（常用方法）采用40.0℃作为油品闪点分界点，依据宾斯基-马丁闭口杯法适用液体的闪点最低值为40.0℃［5］。
API STD 2000—2014（备用方法）采用37.8℃作为油品闪点分界点，依据美国DOT和OSHA的规定，易燃液体闪点最高值应为37.8℃（100℉）。
3.2 进出液呼吸量比例系数
进出液呼吸量比例系数是指单位液体（1 m3/h）进出拱顶储罐时引起的通气量。对比4个标准发现，单位液体排出罐体造成的吸入量基本上一致，而单位液体进入罐体造成的呼出量却有较大差别（表5）。
由表5可知，HPIS-G-103—1997、SH/T 3007—2014和API STD 2000—2014（备用方法）规定的当油品闪点低于分界点时，单位液体进入罐体造成的呼出量大于2 m3/h。这是由于当油品闪点低于分界点时，石油产品易挥发，约有0.5%的进油量在储罐内被蒸发成油气，由此造成油气密度增加到空气的1.5倍［6］。
表5 单位液体进出储罐引起的呼吸量
3.3 热呼吸量的影响因素
热呼吸量的计算较为复杂，具有诸多影响因素，如储罐结构、油品物性及储存环境等。不同标准考虑的侧重点不同。其中，BSEN 14015—2004和API STD 2000—2014（常用方法）作为国际通用性较强的标准，计算热呼吸量时考虑的影响因素较为全面（表6）。
4 计算结果分析比较
为量化比较4种标准中储罐通气量的计算方法，对两种不同环境和不同介质的拱顶储罐（表7）采用不同标准计算其通气量，结果列于表8、9。
表7 两种拱顶储罐设计参数
表8 航煤油储罐通气量计算结果 m3/h
由表8、9可知，在高储存温度、低纬度和低闪点的条件下，7 000 m3航煤油罐的通气量计算结果存在一定的差异性：按BSEN 14015—2004和API STD 2000—2014（常用方法）计算的热吸入量较大；按HPIS-G-103—1997、SH/T 3007—2014和API STD 2000—2014（备用方法）计算的进液呼出量较大。在低储存温度、高纬度和高闪点的条件下，7 000 m3柴油罐的通气量计算结果基本一致。
表9 柴油储罐通气量计算结果 m3/h
导致不同标准的储罐通气量计算结果有差异的缘由是：
综上可知，两种体系的标准对于通气量的计算原理存在不同的理解：BSEN 14015—2004和APISTD 2000—2014（常用方法）认为极端情况下，影响通气量计算的主要因素是环境条件，进而通过热吸入量影响系数C体现出来；HPIS-G-103—1997、SH/T 3007—2014和API STD 2000—2014（备用方法）认为影响通气量计算的主要因素是介质物性本身，油品易挥发的性质直接影响了拱顶储罐的通气量。
另外，API STD 2000—2014对于两种通气量计算体系均作了相关描述。2009年以前，该标准与HPIS-G-103—1997和SH/T 3007—2014保持一致，认为通气量计算应主要考虑介质物性本身。而在2009年标准升版过程中，采纳了BS EN 14015—2004的理论体系，将环境条件作为通气量的主要影响因素。同时，将原计算体系作为备用计算方法，保留在附录A中。
因地域影响和油品差别，两种通气量计算体系都有其适应价值。具体工程项目中应根据具体情况合理选用：对于国际项目，API STD 2000—2014（常用方法）作为国际通用性较强的标准，考虑的影响因素较为全面，被推荐采用；对于国内项目，储罐通气量一般参照SH/T 3007—2014计算，再经API STD 2000—2014进行验证。
5 结论
5.1 4种标准针对拱顶储罐通气量的计算均包含进出液呼吸量和热呼吸量两部分；不同标准在设定油品闪点分界点、进出液呼吸量比例系数和热呼吸量的影响因素时有所区别；BS EN 14015—2004和API STD 2000—2014（常用方法），综合考虑储罐结构、油品物性及储存环境等影响因素，计算更为准确。
5.2 通过量化比较，在高储存温度、低纬度和低闪点下，BSEN 14015—2004和API STD 2000—2014（常用方法）突出了热吸入量，HPIS-G-103—1997、SH/T 3007—2014和API STD 2000—2014（备用方法）突出了进液呼出量；而在低储存温度、高纬度和高闪点下，4种标准的计算结果基本一致。
