儲罐氮封裝置閥門壓力設計方案

【資料簡介】

儲罐氮封裝置閥門壓力設計方案

目前，在精細化工行業和制藥行業，生產過程中將使用并儲存大量可燃、易燃、易爆、易揮發有機溶劑，由于密閉儲存空間存在空氣，經常達到爆 炸極限，若出現火花，會引發著火甚至爆炸，從而導致人員傷亡、財產損失和 環境污染，甚至還會造成社會影響。另外，精細化工行業和制藥行業生產過程 中還涉及與外界空氣接觸而變質或與空氣發生化學和（或）生物反應的物質。 因此，需要針對此類生產特點，設計一套安全、經濟、可行的氮封系統，從而 避免物質泄露造成的人員傷害、財產損失、環境污染和產品污染。氮封系統是利用氮氣在封閉的儲罐氣體空間形成一種微弱的正壓裝置， 設置氮封系統具有以下重要意義。

成品油和石化產品供應商，多年來積累了豐富的化工生產經驗和化工項目建設經驗，上述若干條具體的意見和建議，鞭辟入里、一針見血，從以往僅對VOCs回收治理的思路向罐區本質安全環保整治的思路進行了轉變，由粗放性轉變成精準性、系統性，意味著今后涉及到的所有的安全附件，都將納入整體考慮，而且還將加強罐區安全運行、標準規范制定、檢測檢驗等方面的工作，從源頭進行安全和環保的治理。

氮封系統是提升儲罐安全、減少油品損耗、環保排放達標的重要保障。但目前氮封系統壓力控制區間狹窄，壓力控制閥（呼吸閥、單呼閥、氮封閥）的控制壓力相互之間易產生交集，易導致氮封系統密封不嚴或失效?！稉]發性有機物無組織排放控制標準》（GB 37822-2019）標準要求儲罐的呼吸閥和罐頂通氣孔位置的油氣濃度不應超過5000μmol/mol (重點地區為 2000μmol/mol）。特別是對于氮封儲罐，罐內油氣濃度普遍超標，如果呼吸閥密閉不嚴，那么呼吸閥口處的檢測值，無法滿足無組織排放標準要求。

一 儲罐氮封裝置閥門壓力設計方案傳統的氮封系統裝置

傳統的氮封系統裝置由供氮裝置和泄氮裝置兩部分組成。供氮裝 置由指揮器和主閥兩部分組成；泄氮裝置由內反饋微壓調節閥組成。當儲罐進液閥開啟，向罐內添加物料時，液面上升，氣相部分容積減小，壓力 升高，當罐內壓力升至高于泄氮裝置壓力設定值時，液氮裝置打開，向外界釋放氮 氣，使罐內壓力下降，降至泄氮裝置壓力設定點時，泄氮裝置自動關閉。當儲罐出液閥開啟，用戶放料時，液面下降，氣相部分容積增大，罐內壓力降 低，供氮裝置開啟，向儲罐注入氮氣，使罐內壓力上升，當罐內壓力上升至供氮裝 置設定點時，供氮裝置自動關閉。

傳統的氮封系統存在以下弊端：一是需要將高壓氮氣（通常為0.4MPa～0.8MPa）引至每個使用點，這樣增加了高壓氮氣泄漏的幾率，易導致人員窒息事故的 發生，因此，需在每個使用點設置氮氣含量 檢測，增加了投資；二是由于充氮保護容器 大多屬于常壓容器，為避免容器超壓破裂導 致易燃、易爆液體外泄，需要在每個使用點 設置安全閥或爆破片，增加了定期檢測、日 常維護以及前期投入；三是該系統無法保證 在氮氣使用高峰時各使用點的緩沖時間； 四是該系統在每個使用點采用氮封閥及泄氮 閥，投資成本高昂。故該系統應用范圍受到 極大約束。

為克服傳統氮封系統裝置存在的缺點， 筆者開發了一種微正壓氮氣保護裝置。該裝 置適用于可燃、易燃、易爆、易揮發物質和揮發性較強的有毒、有害、有腐蝕性物質的 使用、儲存、運輸，且較傳統氮封系統更加 安全可靠，并大大降低了成本。

二 儲罐氮封裝置閥門壓力設計方案保護裝置的設計

（一）裝置構造及工藝流程

如圖2所示，該微正壓氮氣保護裝置包 括以下主要部件：①封閉式外殼；②氮氣儲 罐；③事故風機；④電磁閥XV-01～02；⑤ 減壓閥PCV-01；⑥氮封閥PCV-02～03； ⑦安全閥PSV-01；⑧氧含量檢測儀GSA- 01；⑨壓力檢測儀（控制室安裝）；⑩壓力 表（現場安裝）； 球閥； 止回閥。該微正壓氮氣保護裝置將各部件集成于 封閉式外殼內。封閉殼體與事故風機相連， 并由管道引至室外安全區域。0.7MPa（G） 的高壓氮氣進入封閉殼體氮氣儲罐后，經 減壓閥PCV-01減壓至400KPa（G），分 為兩支路，再分別經氮封閥PCV-02 和氮 封閥PCV-03減壓至8KPa（G）和20KPa （G），減壓后兩支路合并至下游各氮封氣 使用點。氮氣儲罐出口管道和兩支路上分別 設置放空管道，放空管道合并后排放至室外 安全區域。

當氮封氣使用點容器出料時，容器內液 位下降導致氣相空間壓力降低，或是因容器 受冷使氣相空間體積收縮導致氣相空間壓力 降低，當氮封管道系統壓力低于設定值時， 氮封閥PCV-02自動開啟工作，向使用容器 補充氮氣，待系統壓力增加至設定值時，氮 封閥PCV-02自動關閉；當氮封系統管道末 端壓力低于設定值時，聯鎖開啟電磁閥XV- 02，氮封閥PCV-03自動開啟工作，向系統 中快速補充氮氣；待系統末端壓力增加至設 定值時，聯鎖關閉電磁閥XV-02。本模塊將 氮氣高壓部分置于密閉殼體中，當檢測氮氣 濃度超標時，聯鎖啟動事故排風機，關閉高 壓氮氣入口電磁閥XV-01，將聲光報警信號 傳遞至控制室進行檢查并消除警報。

（二）儲罐氮封裝置閥門壓力設計方案主要技術條件、參數

第一，高壓氮氣：0.7MPa（G）的潔凈 氮氣。

第二，氮封閥PCV-02：400KPa（G）- 8KPa（G）減壓系統。

第三，氮封閥PCV-03：400KPa（G）- 20KPa（G）減壓系統。

第四，低壓氮氣：8KPa（G）氮氣，20KPa（G）氮氣。

第五，減壓閥PCV-01：0.7MPa- 400KPa減壓系統。

第六，安 全 閥 PS V-01： 泄 放 壓 力 0.1MPa（G）。

第七，電磁閥XV-02：氮封管道末端壓 力低于3KPa（G）時開啟。

儲罐氮封裝置閥門壓力設計方案技術參數及性能指標：

1 供氮裝置主要技術參數及性能指標

公稱通徑DN（mm）	25									32	40	50	65	80	100
閥座直徑dn（mm）	5	6	7	8	10	12	15	20	25	32	40	50	65	80	100
額定流量系數Kv	0.2	0.32	0.5	0.8	1.8	2.8	4.4	6.9	11	20	30	48	75	120	190
額定行程L(mm)	8									10		14	20		25
流量特性	快開
壓力調節范圍（kPa）	0.4～5.5、5～10、9～14、13～19、18～24、22～28 27～33、31～38、36～44、42～51、49～58、56～66
公稱壓力PN（MPa）	1.6 2.5 4.0
被調介質溫度(℃)	≤80
調節精度(％)	±5％
允許泄漏等級	標準級：Ⅳ級(GB/T4213-92) 嚴密型：Ⅵ級（GB/T4213-92）

2泄氨裝置主要技術參數及性能指標

公稱通徑DN（mm）	20	25	32	40	50	65	80	100
額定流量系數Kv	6.9	11	30	30	48	75	80	190
額定行程L(mm)	8		10		14	20		25
流量特性	快開
壓力調節范圍（kPa）	0.4～5.5、5～10、9～14、13～19、18～24、22～28 27～33、31～38、36～44、42～51、49～58、56～66
公稱壓力PN（MPa）	0.1
被調介質溫度(℃)	≤80
調節精度(％)	±5％
允許泄漏等級	標準級：Ⅳ級(GB/T4213-92) 嚴密型：Ⅵ級（GB/T4213-92）

（1）儲罐氮封裝置閥門壓力設計方案“高壓”氮封運行狀況

嚴格按照儲罐設計壓力為 2kPa 進行設計的氮封系統，可稱為“高壓”氮封。各壓力控制閥參數設置如下：

呼吸閥排氣壓力 Ps=1.35kPa（呼吸閥呈連續“呼出”狀態）。

呼吸閥開啟壓力 Pv=0.75×Ps=1.01kPa，各國對呼吸閥密閉狀態下的泄漏量都有要求。

單呼閥排氣：0.9kPa。

氮封常壓儲罐（2.0kPa）各安全附件定壓值示例圖（配圖）

目前國內外呼吸閥泄漏量要求現狀如下：

（2）儲罐氮封裝置閥門壓力設計方案“低壓”氮封運行現狀

對于老舊儲罐，為防止罐內“超壓”失效，通常采用壓力值更低的呼吸閥和單呼閥，各壓力控制閥參數設置如下：

* 呼吸閥排氣壓力 Ps=0.9kPa（呼吸閥呈連續“呼出”狀態）。

* 呼吸閥開啟壓力 Pv=0.75×Ps=0.675kPa。

* 單呼閥排氣：0.6kPa（實際運行過程中，此時呼吸閥已處于連續呼出狀態）。

（3）儲罐氮封裝置閥門壓力設計方案低超壓 10%呼吸閥對氮封系統的影響

呼吸閥泄漏量控制壓差是指氮封系統所用呼吸閥泄漏量控制壓力與單呼閥的差值，該值越大，儲罐氮封系統各壓力閥之間的壓力更容易控制， 該值越小，壓力控制閥（呼吸閥、單呼閥、氮封閥）的設定壓力之間易產生交集，進而導致氮封系統失效。

?P=Pv- P0

其中：?P：氮封系統呼吸閥泄漏量控制壓差；

Ps：呼吸閥排氣壓力 Ps；

Pv：呼吸閥泄漏控制壓力，[1-（10%～25%）]×Ps；

P0：單呼閥設計壓力。

1. 對于“低壓”氮封（呼吸閥排氣壓力 Ps=0.9kPa）

低超壓10%呼吸閥將“低壓”氮封系統的泄漏量控制壓差由 0.675-0.6=0.075kPa 提升至?P=0.81-0.6=0.21kPa，大幅提升了氮封壓力控制系統的運行可靠性。

2. 對于“高壓”氮封（呼吸閥排氣壓力 Ps=1.35kPa）：

低超壓 10%呼吸閥將“高壓”氮封系統的泄漏量控制壓差由 1.013-0.9=0.113 kPa 提升至?P=1.215-0.9=0.315 kPa，大幅提升了氮封壓力控制系統的運行可靠性。附錄C解讀：氮封儲罐涉及到的安全附件較多，罐頂有氮封閥、呼吸閥、阻火器、緊急泄放閥，這些閥門的壓力設定頗有講究，

設定壓力調節范圍分段詳見規格與技術參數表，應盡量將常用壓力設定值選取在范圍的中間值附近。

    ZZYVP-16B帶指揮器型自力式壓力氮封閥本身是一種調節系統，主閥需一定的推動壓力，即閥前壓力不得低于200KPa（表壓）。

八、儲罐氮封裝置閥門壓力設計方案安裝方式說明

九、儲罐氮封裝置閥門壓力設計方案安裝示意圖

該微正壓氮氣保護裝置充分結合傳統技 術應用及國內生產、制造業的實際情況，采用 模塊化設計，運用有效的監測和補氮措施，可 保證整個系統的可靠性及技術的先進性和專有 性。該裝置具有以下技術特點和優勢。

第一，適用性廣。該微正壓氮氣保護裝 置適用性廣，可適用于可燃、易燃、易爆、 易揮發物質，以及揮發性較強的有毒、有 害、有腐蝕性物質的使用、儲存、運輸。

第二，采用封閉式殼體，安全性高。傳 統氮封系統需將高壓氮氣引至每個使用點， 但這樣增加了高壓氮氣泄漏的可能。該微正 壓氮氣保護裝置將所有部件集中于封閉式外 殼內，封閉式外殼與事故風機相連，并由管 道引至室外安全區域。高壓氮氣經該裝置減 至低壓氮氣去各氮氣使用點，且在封閉外殼 內增加氧含量監測措施，減少了高壓氮氣使 用點的泄漏，降低了高壓危害，提高了其使 用安全性，克服了傳統氮封系統的不足。

第三，氮封管道末端壓力監測和補氮措 施可靠性強，成本低。采用管道末端壓力監 測和補氮措施，當氮封管道系統末端壓力監 測低于設定值時，裝置向系統中快速補充氮 氣，使系統末端壓力增加至設定值。該監測和補氮措施保證了在氮氣使用高峰時下游各使用點氮封壓力的穩定，保證了產品的質量，與傳統氮封系統相比，大大減少了氮封閥、泄氮閥、安全閥的使用數 量，降低了生產投資成本。

第四，模塊化設計，結構緊湊。整個裝置采用模塊化設計，結構緊湊，所有 設備、管道、儀表安裝在一個框架內，便于制造、運輸、安裝和操作。

儲罐氮封裝置閥門壓力設計方案工作原理：

    當儲罐出液閥開啟，放料時，液面下降，氣相部分容積增大，罐內氮氣壓力降低，供氮閥開啟，向儲罐注入氮氣，罐內氮氣壓力上升，當罐內壓力上升至供氮閥壓力設定值時，供氮閥自動關閉。

    當儲罐進液閥開啟，進料時，液面上降，氣相部份容積減小，罐內壓力升高，當高于泄氮閥壓力設定值時，泄氮閥打開，向外界釋放氮氣，罐內氮氣壓力下降，降至泄氮閥壓力設定值時，泄氮閥自動關閉。

儲罐氮封裝置閥門壓力設計方案選用說明：

    一般供氮壓力在300~800KPa左右，氮封設定壓力1KPa，泄氮壓力2KPa，呼吸閥呼氣壓力3KPa，吸氣壓力-300Pa。

    罐頂呼吸閥僅起安全作用，是在主閥失靈，導致罐內壓力過高或過低時，起到安全作用，在正常情況下不工作。

泄氮閥安裝在罐頂，口徑一般與進液閥口徑相近，但工況參數不一樣，需進選型計算再定。

一般供氮閥選用ZZYVP-16B型指揮器自力式壓力調節閥，泄氮閥選用ZZVP-16K自力式微壓調節閥、呼吸閥采用阻火式。

十、儲罐氮封裝置閥門壓力設計方案安裝、維護、調試

1、安裝（見圖三）

    檢查整機零件是否缺損與松動，對使用有害人體健康的介質，必須進行強度、密封、泄漏與精度測試。

    在安裝前，對管道進行清洗（否則由于焊渣等管道垃圾，損壞閥芯密封面，導致閥門不能正常工作），閥門入口處要有足夠的直管段，并配有過濾器。閥體與管道的法蘭連接，要注意同軸度。

    安裝場地應考慮到人員與設備的安全，即便于操作，又有利于拆裝與維修。

    閥門應正立垂直安裝在水平管道上，導壓管必須安裝在距離閥出口至少六倍于公稱通徑的閥后管道上。閥自重較大與有振動的場合，要用支撐架，盡量避免水平安裝。

    介質流動方向應與閥體上的箭頭指向一致。因微壓閥屬于精密儀表，其中指揮器膜片直接承受介質壓力，若閥門反裝或管道有反沖壓力，則指揮器膜片由于受壓過高導致膜片損壞，閥門不能工作。閥門應在環境溫度-25～+55℃場所使用。

    為使自控系統失靈或檢修閥門時，仍能連續生產，應設置旁路閥（見圖三）。

維護：

    清洗閥門：對清洗一般介質，只要用水洗凈就可以。但對清洗有害健康的介質，首先要了解其性質，在選用相應的清洗辦法。

    閥門的拆卸：將外露表面生銹的零件先除銹，但在除銹前，要保護好閥座、閥芯、閥桿與推桿等精密零件的加工表面。拆裝閥座時應使用工具。

    閥芯、閥座：二密封面有較小的銹斑與磨損，可用機械加工的方法進行修理，如損壞嚴重必須換新。但不管修理或更換后的硬密封面，都必須進行研磨。

    閥桿：表面損壞，必須換新。

    壓縮彈簧：如有裂紋等影響強度的缺陷，必須換新。

    易損零件：填料、密封墊片與O型圈，每次檢修時，全部換新。膜片必須檢查是否有預示將來可能發生裂紋、老化與腐蝕等痕跡，根據檢驗結果，決定是否更換，但膜片使用期一般多2～3年。

    閥門組裝要注意對中，螺栓要在對角線上擰緊，滑動部分要加潤滑油。組裝后應按產品出廠測試項目與方法調試，并在這期間，可更準確地調整填料壓緊力與閥芯關閉位置。

儲罐氮封裝置閥門壓力設計方案調試：

    所需要壓力值是通過對指揮器頂部的調節螺母的操作而得到調整，打開頂部的防塵蓋，用扳手調整調節螺母。順時針方向旋轉使壓力增大，逆時針旋轉則壓力減小。安裝在壓力調節閥后的壓力表，可使工作人員借以觀察調整后的壓力給定值。