储罐氮封装置阀门压力设计方案

【资料简介】

储罐氮封装置阀门压力设计方案

目前，在精细化工行业和制药行业，生产过程中将使用并储存大量可燃、易燃、易爆、易挥发有机溶剂，由于密闭储存空间存在空气，经常达到爆 炸极限，若出现火花，会引发着火甚至爆炸，从而导致人员伤亡、财产损失和 环境污染，甚至还会造成社会影响。另外，精细化工行业和制药行业生产过程 中还涉及与外界空气接触而变质或与空气发生化学和（或）生物反应的物质。 因此，需要针对此类生产特点，设计一套安全、经济、可行的氮封系统，从而 避免物质泄露造成的人员伤害、财产损失、环境污染和产品污染。氮封系统是利用氮气在封闭的储罐气体空间形成一种微弱的正压装置， 设置氮封系统具有以下重要意义。

成品油和石化产品供应商，多年来积累了丰富的化工生产经验和化工项目建设经验，上述若干条具体的意见和建议，鞭辟入里、一针见血，从以往仅对VOCs回收治理的思路向罐区本质安全环保整治的思路进行了转变，由粗放性转变成精准性、系统性，意味着今后涉及到的所有的安全附件，都将纳入整体考虑，而且还将加强罐区安全运行、标准规范制定、检测检验等方面的工作，从源头进行安全和环保的治理。

氮封系统是提升储罐安全、减少油品损耗、环保排放达标的重要保障。但目前氮封系统压力控制区间狭窄，压力控制阀（呼吸阀、单呼阀、氮封阀）的控制压力相互之间易产生交集，易导致氮封系统密封不严或失效。《挥发性有机物无组织排放控制标准》（GB 37822-2019）标准要求储罐的呼吸阀和罐顶通气孔位置的油气浓度不应超过5000μmol/mol (重点地区为 2000μmol/mol）。特别是对于氮封储罐，罐内油气浓度普遍超标，如果呼吸阀密闭不严，那么呼吸阀口处的检测值，无法满足无组织排放标准要求。

一 储罐氮封装置阀门压力设计方案传统的氮封系统装置

传统的氮封系统装置由供氮装置和泄氮装置两部分组成。供氮装 置由指挥器和主阀两部分组成；泄氮装置由内反馈微压调节阀组成。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，压力 升高，当罐内压力升至高于泄氮装置压力设定值时，液氮装置打开，向外界释放氮 气，使罐内压力下降，降至泄氮装置压力设定点时，泄氮装置自动关闭。当储罐出液阀开启，用户放料时，液面下降，气相部分容积增大，罐内压力降 低，供氮装置开启，向储罐注入氮气，使罐内压力上升，当罐内压力上升至供氮装 置设定点时，供氮装置自动关闭。

传统的氮封系统存在以下弊端：一是需要将高压氮气（通常为0.4MPa～0.8MPa）引至每个使用点，这样增加了高压氮气泄漏的几率，易导致人员窒息事故的 发生，因此，需在每个使用点设置氮气含量 检测，增加了投资；二是由于充氮保护容器 大多属于常压容器，为避免容器超压破裂导 致易燃、易爆液体外泄，需要在每个使用点 设置安全阀或爆破片，增加了定期检测、日 常维护以及前期投入；三是该系统无法保证 在氮气使用高峰时各使用点的缓冲时间； 四是该系统在每个使用点采用氮封阀及泄氮 阀，投资成本高昂。故该系统应用范围受到 极大约束。

为克服传统氮封系统装置存在的缺点， 笔者开发了一种微正压氮气保护装置。该装 置适用于可燃、易燃、易爆、易挥发物质和挥发性较强的有毒、有害、有腐蚀性物质的 使用、储存、运输，且较传统氮封系统更加 安全可靠，并大大降低了成本。

二 储罐氮封装置阀门压力设计方案保护装置的设计

（一）装置构造及工艺流程

如图2所示，该微正压氮气保护装置包 括以下主要部件：①封闭式外壳；②氮气储 罐；③事故风机；④电磁阀XV-01～02；⑤ 减压阀PCV-01；⑥氮封阀PCV-02～03； ⑦安全阀PSV-01；⑧氧含量检测仪GSA- 01；⑨压力检测仪（控制室安装）；⑩压力 表（现场安装）； 球阀； 止回阀。该微正压氮气保护装置将各部件集成于 封闭式外壳内。封闭壳体与事故风机相连， 并由管道引至室外安全区域。0.7MPa（G） 的高压氮气进入封闭壳体氮气储罐后，经 减压阀PCV-01减压至400KPa（G），分 为两支路，再分别经氮封阀PCV-02 和氮 封阀PCV-03减压至8KPa（G）和20KPa （G），减压后两支路合并至下游各氮封气 使用点。氮气储罐出口管道和两支路上分别 设置放空管道，放空管道合并后排放至室外 安全区域。

当氮封气使用点容器出料时，容器内液 位下降导致气相空间压力降低，或是因容器 受冷使气相空间体积收缩导致气相空间压力 降低，当氮封管道系统压力低于设定值时， 氮封阀PCV-02自动开启工作，向使用容器 补充氮气，待系统压力增加至设定值时，氮 封阀PCV-02自动关闭；当氮封系统管道末 端压力低于设定值时，联锁开启电磁阀XV- 02，氮封阀PCV-03自动开启工作，向系统 中快速补充氮气；待系统末端压力增加至设 定值时，联锁关闭电磁阀XV-02。本模块将 氮气高压部分置于密闭壳体中，当检测氮气 浓度超标时，联锁启动事故排风机，关闭高 压氮气入口电磁阀XV-01，将声光报警信号 传递至控制室进行检查并消除警报。

（二）储罐氮封装置阀门压力设计方案主要技术条件、参数

第一，高压氮气：0.7MPa（G）的洁净 氮气。

第二，氮封阀PCV-02：400KPa（G）- 8KPa（G）减压系统。

第三，氮封阀PCV-03：400KPa（G）- 20KPa（G）减压系统。

第四，低压氮气：8KPa（G）氮气，20KPa（G）氮气。

第五，减压阀PCV-01：0.7MPa- 400KPa减压系统。

第六，安 全 阀 PS V-01： 泄 放 压 力 0.1MPa（G）。

第七，电磁阀XV-02：氮封管道末端压 力低于3KPa（G）时开启。

储罐氮封装置阀门压力设计方案技术参数及性能指标：

1 供氮装置主要技术参数及性能指标

公称通径DN（mm）	25									32	40	50	65	80	100
阀座直径dn（mm）	5	6	7	8	10	12	15	20	25	32	40	50	65	80	100
额定流量系数Kv	0.2	0.32	0.5	0.8	1.8	2.8	4.4	6.9	11	20	30	48	75	120	190
额定行程L(mm)	8									10		14	20		25
流量特性	快开
压力调节范围（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
公称压力PN（MPa）	1.6 2.5 4.0
被调介质温度(℃)	≤80
调节精度(％)	±5％
允许泄漏等级	标准级：Ⅳ级(GB/T4213-92) 严密型：Ⅵ级（GB/T4213-92）

2泄氨装置主要技术参数及性能指标

公称通径DN（mm）	20	25	32	40	50	65	80	100
额定流量系数Kv	6.9	11	30	30	48	75	80	190
额定行程L(mm)	8		10		14	20		25
流量特性	快开
压力调节范围（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
公称压力PN（MPa）	0.1
被调介质温度(℃)	≤80
调节精度(％)	±5％
允许泄漏等级	标准级：Ⅳ级(GB/T4213-92) 严密型：Ⅵ级（GB/T4213-92）

（1）储罐氮封装置阀门压力设计方案“高压”氮封运行状况

严格按照储罐设计压力为 2kPa 进行设计的氮封系统，可称为“高压”氮封。各压力控制阀参数设置如下：

呼吸阀排气压力 Ps=1.35kPa（呼吸阀呈连续“呼出”状态）。

呼吸阀开启压力 Pv=0.75×Ps=1.01kPa，各国对呼吸阀密闭状态下的泄漏量都有要求。

单呼阀排气：0.9kPa。

氮封常压储罐（2.0kPa）各安全附件定压值示例图（配图）

目前国内外呼吸阀泄漏量要求现状如下：

（2）储罐氮封装置阀门压力设计方案“低压”氮封运行现状

对于老旧储罐，为防止罐内“超压”失效，通常采用压力值更低的呼吸阀和单呼阀，各压力控制阀参数设置如下：

* 呼吸阀排气压力 Ps=0.9kPa（呼吸阀呈连续“呼出”状态）。

* 呼吸阀开启压力 Pv=0.75×Ps=0.675kPa。

* 单呼阀排气：0.6kPa（实际运行过程中，此时呼吸阀已处于连续呼出状态）。

（3）储罐氮封装置阀门压力设计方案低超压 10%呼吸阀对氮封系统的影响

呼吸阀泄漏量控制压差是指氮封系统所用呼吸阀泄漏量控制压力与单呼阀的差值，该值越大，储罐氮封系统各压力阀之间的压力更容易控制， 该值越小，压力控制阀（呼吸阀、单呼阀、氮封阀）的设定压力之间易产生交集，进而导致氮封系统失效。

∆P=Pv- P0

其中：∆P：氮封系统呼吸阀泄漏量控制压差；

Ps：呼吸阀排气压力 Ps；

Pv：呼吸阀泄漏控制压力，[1-（10%～25%）]×Ps；

P0：单呼阀设计压力。

1. 对于“低压”氮封（呼吸阀排气压力 Ps=0.9kPa）

低超压10%呼吸阀将“低压”氮封系统的泄漏量控制压差由 0.675-0.6=0.075kPa 提升至∆P=0.81-0.6=0.21kPa，大幅提升了氮封压力控制系统的运行可靠性。

2. 对于“高压”氮封（呼吸阀排气压力 Ps=1.35kPa）：

低超压 10%呼吸阀将“高压”氮封系统的泄漏量控制压差由 1.013-0.9=0.113 kPa 提升至∆P=1.215-0.9=0.315 kPa，大幅提升了氮封压力控制系统的运行可靠性。附录C解读：氮封储罐涉及到的安全附件较多，罐顶有氮封阀、呼吸阀、阻火器、紧急泄放阀，这些阀门的压力设定颇有讲究，

设定压力调节范围分段详见规格与技术参数表，应尽量将常用压力设定值选取在范围的中间值附近。

    ZZYVP-16B带指挥器型自力式压力氮封阀本身是一种调节系统，主阀需一定的推动压力，即阀前压力不得低于200KPa（表压）。

八、储罐氮封装置阀门压力设计方案安装方式说明

九、储罐氮封装置阀门压力设计方案安装示意图

该微正压氮气保护装置充分结合传统技 术应用及国内生产、制造业的实际情况，采用 模块化设计，运用有效的监测和补氮措施，可 保证整个系统的可靠性及技术的先进性和专有 性。该装置具有以下技术特点和优势。

第一，适用性广。该微正压氮气保护装 置适用性广，可适用于可燃、易燃、易爆、 易挥发物质，以及挥发性较强的有毒、有 害、有腐蚀性物质的使用、储存、运输。

第二，采用封闭式壳体，安全性高。传 统氮封系统需将高压氮气引至每个使用点， 但这样增加了高压氮气泄漏的可能。该微正 压氮气保护装置将所有部件集中于封闭式外 壳内，封闭式外壳与事故风机相连，并由管 道引至室外安全区域。高压氮气经该装置减 至低压氮气去各氮气使用点，且在封闭外壳 内增加氧含量监测措施，减少了高压氮气使 用点的泄漏，降低了高压危害，提高了其使 用安全性，克服了传统氮封系统的不足。

第三，氮封管道末端压力监测和补氮措 施可靠性强，成本低。采用管道末端压力监 测和补氮措施，当氮封管道系统末端压力监 测低于设定值时，装置向系统中快速补充氮 气，使系统末端压力增加至设定值。该监测和补氮措施保证了在氮气使用高峰时下游各使用点氮封压力的稳定，保证了产品的质量，与传统氮封系统相比，大大减少了氮封阀、泄氮阀、安全阀的使用数 量，降低了生产投资成本。

第四，模块化设计，结构紧凑。整个装置采用模块化设计，结构紧凑，所有 设备、管道、仪表安装在一个框架内，便于制造、运输、安装和操作。

储罐氮封装置阀门压力设计方案工作原理：

    当储罐出液阀开启，放料时，液面下降，气相部分容积增大，罐内氮气压力降低，供氮阀开启，向储罐注入氮气，罐内氮气压力上升，当罐内压力上升至供氮阀压力设定值时，供氮阀自动关闭。

    当储罐进液阀开启，进料时，液面上降，气相部份容积减小，罐内压力升高，当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，降至泄氮阀压力设定值时，泄氮阀自动关闭。

储罐氮封装置阀门压力设计方案选用说明：

    一般供氮压力在300~800KPa左右，氮封设定压力1KPa，泄氮压力2KPa，呼吸阀呼气压力3KPa，吸气压力-300Pa。

    罐顶呼吸阀仅起安全作用，是在主阀失灵，导致罐内压力过高或过低时，起到安全作用，在正常情况下不工作。

泄氮阀安装在罐顶，口径一般与进液阀口径相近，但工况参数不一样，需进选型计算再定。

一般供氮阀选用ZZYVP-16B型指挥器自力式压力调节阀，泄氮阀选用ZZVP-16K自力式微压调节阀、呼吸阀采用阻火式。

十、储罐氮封装置阀门压力设计方案安装、维护、调试

1、安装（见图三）

    检查整机零件是否缺损与松动，对使用有害人体健康的介质，必须进行强度、密封、泄漏与精度测试。

    在安装前，对管道进行清洗（否则由于焊渣等管道垃圾，损坏阀芯密封面，导致阀门不能正常工作），阀门入口处要有足够的直管段，并配有过滤器。阀体与管道的法兰连接，要注意同轴度。

    安装场地应考虑到人员与设备的安全，即便于操作，又有利于拆装与维修。

    阀门应正立垂直安装在水平管道上，导压管必须安装在距离阀出口至少六倍于公称通径的阀后管道上。阀自重较大与有振动的场合，要用支撑架，尽量避免水平安装。

    介质流动方向应与阀体上的箭头指向一致。因微压阀属于精密仪表，其中指挥器膜片直接承受介质压力，若阀门反装或管道有反冲压力，则指挥器膜片由于受压过高导致膜片损坏，阀门不能工作。阀门应在环境温度-25～+55℃场所使用。

    为使自控系统失灵或检修阀门时，仍能连续生产，应设置旁路阀（见图三）。

维护：

    清洗阀门：对清洗一般介质，只要用水洗净就可以。但对清洗有害健康的介质，首先要了解其性质，在选用相应的清洗办法。

    阀门的拆卸：将外露表面生锈的零件先除锈，但在除锈前，要保护好阀座、阀芯、阀杆与推杆等精密零件的加工表面。拆装阀座时应使用工具。

    阀芯、阀座：二密封面有较小的锈斑与磨损，可用机械加工的方法进行修理，如损坏严重必须换新。但不管修理或更换后的硬密封面，都必须进行研磨。

    阀杆：表面损坏，必须换新。

    压缩弹簧：如有裂纹等影响强度的缺陷，必须换新。

    易损零件：填料、密封垫片与O型圈，每次检修时，全部换新。膜片必须检查是否有预示将来可能发生裂纹、老化与腐蚀等痕迹，根据检验结果，决定是否更换，但膜片使用期一般多2～3年。

    阀门组装要注意对中，螺栓要在对角线上拧紧，滑动部分要加润滑油。组装后应按产品出厂测试项目与方法调试，并在这期间，可更准确地调整填料压紧力与阀芯关闭位置。

储罐氮封装置阀门压力设计方案调试：

    所需要压力值是通过对指挥器顶部的调节螺母的操作而得到调整，打开顶部的防尘盖，用扳手调整调节螺母。顺时针方向旋转使压力增大，逆时针旋转则压力减小。安装在压力调节阀后的压力表，可使工作人员借以观察调整后的压力给定值。