常低压储罐通气设计国内外规范研究

王庆

(中海油石化工程有限公司，山东 济南 250101)

0 引言

常低压储罐指设计压力不大于0.1 MPa 的储罐，在石油化工项目中通常用于储存原料、中间原料和成品。在储罐运行过程中，由于进出液、环境温度变化、火灾及其他多种原因会导致储罐超压或真空，当储罐压力波动超出储罐承受范围时会对储罐造成破坏，因此需要在储罐上设置通气装置或其他设施对储罐进行保护[1-2]。

API 2000—2014《Venting Atmospheric and Low-Pressure Storage Tanks》对常低压储罐通气装置的设置进行了详细论述。国内规范SH/T 3007—2014《石油化工储运系统罐区设计规范》、HG/T 20570.16—1995《 气封的设置》、SY/T 0511.1—2010《石油储罐的附件 第1 部分：呼吸阀》、GB 50160—2008《石油化工企业设计防火标准(2018版)》等对相关问题也提出了规定。国内外规范的要求略有区别，本文对规范规定进行对比分析。

1 超压/真空工况分析

(1)API 规范要求

API 2000 全面分析了除外浮顶储罐外的常低压储罐发生超压或真空的原因，主要包括液体进出料、气温变化等正常工况，和火灾、设备故障或人员误操作等异常工况[3]，具体工况如表1 所示。

表1 常压、低压储罐超压/真空工况汇总表

(2)国内规范要求

SH/T 3007 仅考虑了液体进出料和气候影响等正常工况，未考虑火灾及其他异常工况。在具体计算时，应根据运行时因设备故障与误操作可能导致的异常工况进行具体分析，并在计算呼吸量和确定呼吸装置时予以考虑。

2 储罐泄压装置的选择

2.1 正常通气

(1)API 规范要求

API 2000 规定常压储罐应设置呼吸阀或开放式通气管来实现储罐正常通气，并根据储存介质、环境及其他工程特性判断呼吸阀和通气管上是否需要设置阻火器。对储存闪点低于60 ℃的液体、储存温度可能超过闪点、罐内存在易燃蒸汽空间等特殊储存条件，应采取防止外部火焰传入储罐内部的措施。

常压储罐上通常设置呼吸阀避免产品损失。当设置开放式通气管时，对可能存在易燃气相空间的储罐在通气管上应设置阻火器。当储存粘性较大的介质时，为避免由于呼吸阀阀盘粘连或阻火器堵塞导致瘪罐，可以采用开放式通气管。在对无组织排放有严格要求的地区，不可设置通气管，应设置密闭排放或处理后排放。

(2)国内规范要求

GB 50160、SH/T 3007 均对储罐呼吸阀、阻火器的设置提出了要求。GB 50160 规定甲B、乙类液体的固定顶罐应设呼吸阀与阻火器[4]。SH/T 3007 规定储存甲B、乙类液体的固定顶储罐与地上卧式储罐以及采用惰性气封系统保护的储罐应设呼吸阀。储存甲B、乙、丙A 类液体的固定顶储罐和地上卧式储罐，储存甲B、乙类液体的覆土卧式储罐，采用惰性气体密封保护系统的储罐，内浮顶储罐罐顶中央通气管或呼吸阀上均应设置阻火器[5]。

(3)比较

国内外规范都要求对常低压储罐需设置呼吸阀，既能维持储罐内压力稳定，防止储罐内出现较大压力波动而导致储罐超压或真空，又可以利用储罐本身的承压能力维持储罐内微正压，减少储罐内介质的挥发和损耗[6-7]。根据GB 50160 中关于可燃液体火灾危险性的划分，甲类、乙类液体为闪点小于60 ℃的可燃液体。API 2000 与国内规范对可燃液体储罐设置泄压保护装置的要求一致。

2.2 紧急通气

(1)API 规范要求

API 2000 规定当火灾等事故工况发生时需进行紧急泄放，常规的呼吸阀无法满足紧急泄放量的要求时，可以采用以下方法进行紧急通气。

①增大通气管与呼吸阀的尺寸或增加通气管与呼吸阀的数量；②改进量油口盖与人孔盖结构，当内压异常时，量油口盖与人孔盖自动打开进行泄压；③储罐采用弱顶壳连接结构，当正常通气设备泄放能力不足时，顶壳连接焊口等连接处会优先破裂进行超压泄放，弱顶壳连接储罐无需考虑紧急通气的额外要求；④设置爆破片；⑤其他有效结构形式。

(2)国内规范要求

SH/T 3007 中规定采用惰性气封系统的储罐需设事故泄压设备，当惰性气封系统或呼吸阀发生故障时，事故泄压设备应满足储罐所需紧急通气要求，该规范推荐设置直径大于等于DN 500 的呼吸人孔或紧急泄压人孔盖作为紧急泄放设备。除设置泄压人孔等事故泄压设备外，GB 50160 中规定常压固定顶罐的罐顶应设置弱顶结构形式或采取其他泄压措施，当储罐超压时压力优先从罐顶泄放，从而确保罐体不被破坏。

(3)比较

API 2000 给出了常低压储罐火灾工况下泄放量的计算方法，而GB 50160 未对弱顶结构进行详细说明且没有规定泄压人孔和呼吸人孔的计算方法，SH/T 3007 规定了紧急放空人孔盖或呼吸人孔的经验尺寸不小于DN 500，但未介绍计算方法。因此当计算常低压储罐火灾工况下需要的呼吸量时可根据API 2000 计算。常低压储罐通常采用氮封系统、呼吸阀与紧急泄压人孔组合的形式，满足储罐大小呼吸与火灾等需要紧急泄放的工况的通气要求[8]。

3 呼吸量选取原则

为保证储罐运行安全，计算储罐呼吸量应考虑所需正常呼出量、正常吸入量、紧急泄放量和惰性气密封量4 个参数。在确定储罐通气要求时，应将最大的单一工况通气要求或可能出现的多种通气组合作为设计依据。在确定总的正常吸气或呼气量时，至少应不小于液体输送与储罐热效应通气量的组合[9]。

3.1 进出料量所造成的通气量

(1)API 规范要求

API 2000 根据液体闪点37.8 ℃或沸点148.9 ℃将液体分为非挥发性液体、挥发性液体与闪蒸液体。非挥发性液体的气体呼出量按最大进液量计算；挥发性液体的气体呼出量按最大进液量的2 倍计算；闪蒸液体可能因高温或溶解气而闪蒸出气体，应根据平衡闪蒸计算提高呼气要求。液体出罐导致的空气吸入量，按最大出液量计算。进罐液体蒸发率以泵入空罐的汽油为基础，估算为0.5%；若入罐液体的进料温度高于储罐液体工作压力下的沸点，液体的蒸发率会显著提高[10]。

(2)国内规范要求

SH/T 3007 在计算液体进入固定顶储罐导致的罐内气体呼出量时，按照闪点45 ℃将液体分为两类，当液体闪点高于45 ℃时，气体呼出量按最大进液量的1.07 倍计算；当液体闪点低于或等于45 ℃时，气体呼出量按最大进液量的2.14 倍计算。液体出罐导致的空气吸入量应按最大出液量计算。根据GB 50160，低于或等于45 ℃的可燃液体为甲B 或乙A 类可燃液体。

(3)比较

API 2000 与SH/T 3007 对液体出料导致的最大吸气量计算要求一致。对液体进料导致的最大呼气量，API 2000 中所提出呼出量按照闪点高于37.8 ℃或沸点高于148.9 ℃划分，SH/T 3007 的取值按照闪点低于45 ℃划分。同一种工况下按照SH/T 3007 计算得出的呼吸量略大于API 2000 的计算结果[11]。

3.2 环境热效应所造成的热呼吸量

(1)API 规范要求

API 2000 对环境温度变化导致的气相呼出量与吸入量计算进行了规定：

(2)国内规范要求

SH/T 3007 对容积为100～30 000 m3的储罐所需的热呼吸通气需要量列表，供设计人员直接按储罐容积与液体闪点选取相应的热通气量。该表的储罐热呼吸通气需要量摘自API STD 2000 ( 2009 年11 月第六版[12])。

(3)比较

SH/T 3007 基本引用了API 2000 第五版中表2B的相关计算数据，计算中未考虑储罐建设地点、储存介质蒸气压、储存温度等因素的影响。新版的API 2000 中优化了呼吸量的计算方法，增加纬度因子，在计算中考虑了储罐建设地点纬度对呼吸量的影响。SH/T 3007 中考虑环境热效应影响的液体闪点划分界限与API 2000 相同，均为37.8 ℃，该值与SH/T 3007 中进出液导致气相呼吸量的划分闪点值不同。

3.3 外部火灾暴露(紧急通气)所需流量

API 2000 规定火灾工况下储罐所需泄放流量由火灾暴露热量输入、环境因素、液体蒸发潜热、释放蒸汽的物性参数计算得到：

式中：Q为火灾暴露的热量输入，与储罐火灾中的润湿面积和储罐设计压力有关，其中立式储罐润湿面积为高出地面9.14 m 范围内的储罐表面积，罐底板是否包含润湿面积需根据储罐设置情况进行判断；F为环境因素(详见API 2000 表9)；L为储存液体在释放压力和温度下的蒸发潜热；T为释放蒸汽的绝对温度；M为蒸汽的相对分子质量。

火灾工况所需最大泄放量通常作为储罐的紧急泄放量。SH/T 3007 与GB 50160 中均未涉及火灾等事故工况的紧急泄放量计算。

4 惰性气封

4.1 气封目的

API 2000 中阐述设置惰性气封系统的目的是避免储罐在真空工况下吸入空气，降低储罐内形成爆炸性环境的可能性，从而降低危险区域划分级别。HG/T 20570.16 中介绍设置气封的目的是为防止外界空气进入储罐污染所存储介质，防止介质与外界进入的气体发生化学和(或)生物反应。通过气封系统使储罐内维持微正压，防止储罐内物料与外界气体接触[13]。就设置惰性气封系统的目的来看，API 2000 侧重于降低储罐内形成气相爆炸空间的可能性，HG/T 20570.16 侧重于防止储罐内液体被外界气体污染，或者阻止发生化学或生物反应。

4.2 供气量计算

(1)API 规范要求

由于天气变化导致气相空间收缩或冷凝及储罐出液时，储罐内应补充氮气。对惰性气体供应，需确定可用惰性气体体积流量和备用惰性气体体积的最小值。每级系统要求的气体供应量计算如下：

式(4)～式(6)中：C为一个取决于蒸汽压、平均储存温度和纬度的因素；为液体排出的最大速率。

(2)国内规范要求

根据HG/T 20570.16 规定：储罐气封装置所需要的气量为泵的额定流量与环境热效应导致的气相冷凝和收缩所需要的补气量。其中，因气温变化而引起的气体冷凝和收缩需补充的气量根据API 2000 规定进行选取：对容积≥3 180 m3的储罐，每平方米外壳和罐顶面积需补充气封气量0.600 m3/h；对容积＜3 180 m3的储罐，每立方米容积需补充气封气量0.178 m3/h。

(3)比较

两个规范关于惰性气补气用量计算值不同的原因在于在计算中环境热效应所需补气量的计算系数选取有所不同，HG/T 20570.16 公式中系数为1[3,14]，而API 2000 的三级气封方案公式中环境气温变化导致的补气量整体分别乘以系数0.1、0.2 和0.5。因此HG/T 20570.16 中的方法计算出的补气量大于API 2000 计算值，增大运营成本。

5 结语

API 2000 中详细论述了常低压储罐超压和真空的原因分析、通气装置的选择、通气量的计算、惰性气封的设置等，与国内规范要求略有不同。国内外规范关于储罐进出液和热效应导致的储罐通气要求基本一致，但国内规范未考虑储罐发生火灾工况及其他异常工况，没有要求常低压储罐火灾工况下泄放量及泄压装置尺寸的计算方法，当分析常低压储罐火灾工况可根据API 2000 的要求进行分析和计算。国内外规范对惰性气封的设置目的和补气量计算要求不同，API 2000 在计算补气量时考虑了储罐保温与建设地纬度的影响，并且根据项目具体工况进行三级气封设置，计算结果更经济合理。