任洪理 中國石油工程建設(shè)公司 北京 100120

原油泄壓罐緊急泄壓設(shè)施的設(shè)計選擇

任洪理*中國石油工程建設(shè)公司 北京 100120

以某原油輸送中泄壓罐泄壓設(shè)施為例，采用API國際標(biāo)準(zhǔn)，簡述原油緊急泄放裝置瞬間泄放的計算方法以及設(shè)計中原油泄壓罐的泄壓流量最大面積與儲罐頂面積的比值選定。

泄壓罐緊急泄壓口高壓系統(tǒng)

1 概述

緊急泄壓設(shè)施是安裝在泄壓罐頂上的空間氣體排放設(shè)施。它分為壓力排放式、彈簧載荷式、重力荷載式及標(biāo)準(zhǔn)典型式結(jié)構(gòu)。

在原油管道輸送過程中，泄壓系統(tǒng)方案的選擇至關(guān)重要。緊急泄壓口的技術(shù)安全分析與選擇、排放終端設(shè)施的計算是保證原油管道正常生產(chǎn)操作的關(guān)鍵。

原油儲罐操作中有時會出現(xiàn)非正常狀況，如泄壓罐上游調(diào)節(jié)閥失效、內(nèi)加熱器損壞或遇到外部火焰都將使儲罐內(nèi)部超壓，若不采取緊急放空措施，勢必導(dǎo)致儲罐被破壞，甚至造成生產(chǎn)停產(chǎn)或引起火災(zāi)。因此大型儲罐應(yīng)設(shè)置安全緊急泄壓裝置，以防事故發(fā)生。

2 設(shè)計原則

(1)合理的工藝系統(tǒng)與配套的安全泄壓方案，采用緊急減緩放空模式達(dá)到合理的安全放空等級。

(2)事故狀態(tài)下可靠的儲罐緊急放空及安全操作瞬間泄放合理性。

(3)輔助系統(tǒng)配套，設(shè)計能力滿足正常生產(chǎn)或事故狀態(tài)下需要。

(4)達(dá)到節(jié)能、消防、安全等規(guī)定要求。

3 設(shè)計案例

3.1 泄壓系統(tǒng)狀態(tài)

某原油管道輸送項目的泄壓系統(tǒng)方案選擇了四個關(guān)鍵的泄壓系統(tǒng)，從高壓系統(tǒng)減低到大氣壓力狀態(tài)，這是一個完整的泄壓系統(tǒng)的表述，是本文要分析研究的核心，見表1。

表1 泄壓系統(tǒng)狀態(tài)

采用泄壓設(shè)施的目的是為了將來自上游的高壓原油平穩(wěn)安全輸送到下游，是保證原油管道系統(tǒng)的操作安全運行的必要措施。

本文重點分析表1中的泄壓系統(tǒng)－2的狀況，研究的復(fù)雜泄壓撬系統(tǒng)與泄壓罐為一個系統(tǒng)，泄壓罐的緊急泄壓設(shè)施為泄壓系統(tǒng)的末端進入大氣中。

3.2 計算

對緊急泄壓設(shè)施的尺寸計算，需要考慮原油本身的性質(zhì)，本案例做出如下設(shè)計計算和分析。

3.2.1 設(shè)計參數(shù)

按照20%考慮設(shè)計余量，在API 2000中一般是不給出的，由設(shè)計者根據(jù)經(jīng)驗確定。

泄壓罐介質(zhì):原油

罐保溫情況:無保溫

罐外圍尺寸:D 22.5 m

標(biāo)準(zhǔn)高度:H 16.0 m

環(huán)境因素:F 1.0

蒸發(fā)潛熱:L 1570 kJ/kg

分子量:原油M 178，空氣M(air)28.79

熱效率:Kh 1.16

溫度:T 357°K

壓縮因子:Z 1.0

入口流量壓力:P11.0 bar(G)

出口(返回)壓力:P21.0 bar(G)

大氣壓力1.0138 bar(G)

3.2.2 泄壓系數(shù)選擇

泄壓系數(shù)的選擇見圖1。

圖1 對使用泄壓系數(shù)方法的放空設(shè)施測試能力典型限定流率

從圖1中可見，對每個設(shè)施的泄壓系數(shù)Kp的最適合曲線的絕對壓力比值P2/P1，研究的泄壓系數(shù)Kp值曲線均在±5%的曲線范圍內(nèi)。這個放空設(shè)施系數(shù)的測試方法，對任何壓力范圍均有效。

特殊設(shè)計的泄壓系數(shù)Kp由下式計算:

Kp=真實流量/理論流量

泄壓系數(shù)的計算方法，適合更多的特殊設(shè)計，其設(shè)計值與幾何值相似，放空管線設(shè)施泄壓系數(shù)，按API 2000規(guī)定的程序方法進行選擇和計算。

3.2.3 最大放空量

根據(jù)API 2000標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對最大放空量按空氣流率參數(shù)計算緊急放空口尺寸。按照API 2000表中見3B角標(biāo)，垂直罐濕潤面積是按罐體殼總面積的計算，即以高9.14m以上為計算依據(jù)。

罐表面積A為:

按表2中序列4輸入熱量并計算

表2 熱量輸入關(guān)聯(lián)式的選擇

儲罐出現(xiàn)火災(zāi)輻射時最大放空能力理論計算按式(2):

式中，Vr為放空量，Nm3/h(按空氣考慮);Q為輸入熱量對儲罐火災(zāi)時直接輻射，W。

3.2.4 設(shè)計時放空量計算

按超過Vr的20%的考慮設(shè)計余量:

式中，Vrf為考慮20%設(shè)計余量時的放空量。

泄壓設(shè)施的最小面積A，按式(4)計算(均以空氣為介質(zhì)的測試)

式中，A為設(shè)備面積的最小流量，cm2;P1為進入設(shè)備的壓力，bar(G);P2為設(shè)備出口壓力，bar (G);K為測試介質(zhì)的特殊熱因子;T為裝置進口的絕對溫度，°K;M為測試介質(zhì)的分子量;Z為壓縮因子，為評價輸入條件(如果不知道，選擇Z= 1.0)。

3.2.5 緊急泄壓設(shè)施選定

根據(jù)API2000和項目數(shù)據(jù)表，根據(jù)計算結(jié)果，假定按36英寸考慮，則每個泄壓口面積為6567.78 cm2，可選擇2臺緊急泄壓設(shè)施。

根據(jù)API 2000和項目數(shù)據(jù)表，考慮特殊工藝方案因素，按安全泄壓方案的緊急減緩放空模式進行選擇，按32英寸考慮，則每個泄壓口面積為5024 cm2，可選擇3臺緊急泄壓設(shè)施。

結(jié)合工程實際，綜合各種因素并根據(jù)計算和分析結(jié)果選擇了3臺32英寸緊急泄壓設(shè)施。

3.2.6泄壓口面積與泄壓罐頂面積比值

通過計算過程推導(dǎo)分析得到如下結(jié)果:

式中，A1為泄壓口面積，m2;A2為泄壓罐錐頂面積，m2。

A1與A2比值為0.38%(1.507/398)。

通過計算選擇和推理得出，泄壓罐的泄壓口流量的最大面積與罐錐頂面積的比值在0.3%～0.5%較為適宜，選值是在API 2000規(guī)范內(nèi)。

4 結(jié)語

(1)結(jié)合API 2000規(guī)范進行全過程分析，對緊急泄壓設(shè)施進行的計算選擇，驗證了選擇在規(guī)范框架內(nèi)是安全合理的。

(2)介質(zhì)為原油時泄壓罐緊急泄壓口規(guī)格及數(shù)量選擇，按流量面積比值0.3%～0.5%是較為適宜的經(jīng)驗參數(shù)，可供工程設(shè)計參考。

1 ERGILGROUP Serving Oil，Gas，Chemical，Petrochemical and Power since 1983，UAE．

2 API standard 2000 FIFTH edition，Venting Atmospheric and Low－Pressure Storage Tanks(Non refrigerated and refrigerated)，April 1998．

3 API standard 620 TENTH edition，Design and Construction of Large，Welded，Low－pressure Storage Tanks，F(xiàn)ebruary 2002．

4 任洪理等．大型儲罐雙浮盤無胎架建造方法研究［J］．化工設(shè)計．2010，20(6)．

Taking the pressure relief device of a pressure relief tank on the way of crude oil transfer as an example and using API 2000 Standard，this paper briefly describes the calculation method for transient relief of the crude oil emergency relief device as well as the selection of the ratio of the max．vent area to the tank roof area．

Design Evaluation and Analysis on Emergency Pressure Relief Device of Crude Oil Pressure Relief Tanks

Ren Hongli
(China Petroleum Engineering＆Construction Corporation Beijing 100120)

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*任洪理:高級工程師，注冊化工工程師。1982年畢業(yè)于吉林化工學(xué)院，1999年獲吉林大學(xué)高分子化學(xué)與物理專業(yè)理學(xué)碩士學(xué)位。一直從事工程設(shè)計工作，發(fā)表論文20余篇。聯(lián)系電話:(010)58192122。

(修改回稿2012－01－27)