內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐安全環(huán)保一體化解決方案探討

吳明軍，王 晏，馬劍峰，汪映興，任 強(qiáng)

(1.油氣消防四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 6117312.威特龍消防安全集團(tuán)股份公司，四川成都 611731)

0 引言

內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐同時(shí)具備了拱頂油罐和外浮頂油罐的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)，能夠有效抑制氣體揮發(fā)，被廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)存低沸點(diǎn)易燃的石油衍生產(chǎn)品。但是，這種結(jié)構(gòu)帶來(lái)了新的風(fēng)險(xiǎn)，內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐浮盤上的油氣不像在拱頂儲(chǔ)罐內(nèi)那樣很快越過(guò)爆炸極限趨于飽和，也不像在浮頂儲(chǔ)罐罐頂那樣，很快散失在大氣中[1]。據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外83起典型儲(chǔ)罐火災(zāi)案例的統(tǒng)計(jì)分析，內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐火災(zāi)事故占比為37%。內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐客觀存在的安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)已成為制約我國(guó)石化行業(yè)健康發(fā)展的瓶頸。

本文從控制可燃物(油氣)、助燃物(氧氣)兩個(gè)要素著手，提出內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐安全環(huán)保一體化解決方案，即使在點(diǎn)火源存在的情況下也不會(huì)發(fā)生燃燒或爆炸，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)罐本質(zhì)安全。

1 源頭抑制油氣方案

目前，內(nèi)浮頂罐的鋁制內(nèi)浮盤通常采用浮筒式結(jié)構(gòu)型式和全接液結(jié)構(gòu)型式。浮盤邊緣密封技術(shù)也可簡(jiǎn)單分為兩類，即局部補(bǔ)償?shù)膫鹘y(tǒng)密封技術(shù)和全補(bǔ)償?shù)母咝芊饧夹g(shù)。目前，國(guó)內(nèi)的內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐主要使用浮筒浮盤+機(jī)械式鞋型密封或囊式密封等傳統(tǒng)技術(shù)，存在以下不足：

a)浮筒浮盤表面為鋁制蒙皮，蒙皮與儲(chǔ)罐液面之間存在油氣空間，遇明火或靜電易發(fā)生爆炸事故，存在安全隱患；浮盤蒙皮之間存在較大間隙，油氣極易泄漏到浮盤上部，導(dǎo)致油品損耗和安全風(fēng)險(xiǎn)。

b)邊緣密封間隙大，自動(dòng)補(bǔ)償量小，邊緣損失大；密封圈與罐壁存在較大摩擦力，影響浮盤升降；現(xiàn)有密封不抗磨，使用壽命短。

c)浮盤附件未設(shè)置有效密封措施，如：量油導(dǎo)向柱、浮盤立柱、自動(dòng)通氣閥、人孔等，油氣損失較大。

模塊化蜂巢式內(nèi)浮盤是按照國(guó)家相關(guān)部門最新要求而研發(fā)的新型全接液式儲(chǔ)罐浮盤，能從源頭抑制油品散逸揮發(fā)，消除浮盤下方存在油氣空間的安全隱患。模塊化蜂巢式主要包括：主梁、浮盤模塊單元、支柱、浮盤邊緣密封設(shè)施和浮盤附件密封設(shè)施。

浮盤模塊單元內(nèi)置蜂巢芯，蜂巢芯與模塊殼體上下蓋板之間采用焊接形式連接為一體，確保正六邊形蜂窩芯上下端面與殼體上下蓋板之間的完全密閉性連接效果，從而形成了以單一蜂巢孔為單位浮力單元的結(jié)構(gòu)形式，每一處蜂巢孔即為一處浮力單元，蜂巢孔之間彼此獨(dú)立而不連續(xù)，浮盤每平方米不少于1 500個(gè)以上蜂巢孔，浮盤下蓋板即使出現(xiàn)漏點(diǎn)，儲(chǔ)液油品也僅能進(jìn)入單一蜂巢孔內(nèi)部，不會(huì)擴(kuò)散到模塊內(nèi)部其它空間區(qū)域。

如圖1所示，在標(biāo)準(zhǔn)蜂窩箱之間貼密封墊，用槽形壓條敲入蜂窩箱兩封邊梁，用螺栓緊固后套上密封蓋，防止油氣泄漏。

圖1 浮盤模塊密封示意

浮盤邊緣密封設(shè)施采用雙層密封結(jié)構(gòu)，一次密封浸液深度不小于50 mm，推薦采用充氣囊式密封或壓力板式密封。二次密封采用穩(wěn)定、耐用的XPE材料制作的舌形刮板。

模塊化蜂巢式內(nèi)浮盤設(shè)置了大量附件密封設(shè)施，包括：立柱通過(guò)裝置密封設(shè)施、立柱內(nèi)部液面密封設(shè)施、標(biāo)準(zhǔn)模塊間隙密封設(shè)施、防旋轉(zhuǎn)裝置密封設(shè)施、人孔接液密封設(shè)施、取樣裝置接液密封設(shè)施和負(fù)壓消除裝置接液密封設(shè)施等[2]。

模塊化蜂巢式內(nèi)浮盤從內(nèi)部細(xì)節(jié)入手實(shí)現(xiàn)了對(duì)油氣泄漏點(diǎn)的精準(zhǔn)治理，通過(guò)建立密閉體系，減少了罐內(nèi)儲(chǔ)料與空氣的接觸面積。如表1所示，模塊化蜂巢式內(nèi)浮盤與傳統(tǒng)浮筒式浮盤相比，能夠大幅減少了油氣揮發(fā)損耗，同時(shí)降低發(fā)生火災(zāi)爆炸的危險(xiǎn)等級(jí)，對(duì)大氣污染也降到了最低，達(dá)到了環(huán)保要求。

2 智能控制氧氣方案

根據(jù)《石油行業(yè)VOCS污染源排查工作指南》(環(huán)辦[2015]104號(hào))，浮頂罐油氣損耗的主要路徑有：邊緣密封損失、排放損耗、浮盤附件損失、浮盤盤縫損失，其中邊緣密封損失、浮盤附件損失、浮盤盤縫損失屬于靜置損失，排放損耗(掛壁損失)屬于工作損失。模塊化蜂巢式內(nèi)浮盤僅能避免靜置損失，工作損失導(dǎo)致浮盤上部空間聚積可燃?xì)怏w，存在火災(zāi)爆炸風(fēng)險(xiǎn)。GB50160-2018《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》明確規(guī)定：?jiǎn)喂奕莘e小于或等于5 000 m3的內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐采用易熔材料制作的浮盤時(shí)，應(yīng)設(shè)置氮?dú)獗Ｗo(hù)等安全措施。

目前，內(nèi)浮頂罐氮?dú)獗Ｗo(hù)技術(shù)主要有傳統(tǒng)采用的氮封系統(tǒng)和新型大型石油儲(chǔ)罐主動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)。氮封系統(tǒng)包括氮?dú)庠?、注氮管線、氮封閥、緊急泄放人孔、壓力表、廢氣收集管線、油氣回收系統(tǒng)等。氮封是指將儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)成封閉結(jié)構(gòu)，在油罐頂部安裝氮?dú)夤芫€和廢氣收集管線，通過(guò)氮封閥控制進(jìn)入油罐內(nèi)的氮?dú)夂陀凸迚毫Γ冀K保持油罐處于微正壓狀態(tài)，油罐無(wú)直通大氣的通氣孔，在油罐進(jìn)行發(fā)油作業(yè)時(shí)，氮?dú)膺M(jìn)入油罐內(nèi)，在油罐進(jìn)行收油作業(yè)時(shí)，罐內(nèi)的氣體經(jīng)廢氣收集管線排到油氣回收系統(tǒng)[3]。內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐采用氮封系統(tǒng)保護(hù)后，一方面能夠有效控制浮盤上部氣相空間的氧氣濃度；另一方面，防止火災(zāi)和爆炸事故，減少液體蒸發(fā)損失，有效防止油氣污染周圍環(huán)境。但是，氮封系統(tǒng)會(huì)造成多個(gè)儲(chǔ)罐的氣相空間連通，帶來(lái)重大群罐火災(zāi)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

大型石油儲(chǔ)罐主動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)是近幾年研發(fā)的一種智能化氮?dú)獗Ｗo(hù)技術(shù)，應(yīng)用在線氣體分析系統(tǒng)與注氮惰化回收保護(hù)系統(tǒng)相結(jié)合的閉環(huán)控制方式對(duì)內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐浮盤上部氣相空間進(jìn)行主動(dòng)防護(hù)。國(guó)內(nèi)已有100多座大型浮頂油罐安裝了該系統(tǒng)，其分析檢測(cè)數(shù)據(jù)有效，主動(dòng)防護(hù)效果顯著，較好地解決了大型浮頂油罐安全防護(hù)的難題[4]。

主動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)主要由現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)、油氣回收系統(tǒng)、供氮系統(tǒng)、中心監(jiān)控系統(tǒng)和管網(wǎng)系統(tǒng)組成(見(jiàn)圖2)。系統(tǒng)通過(guò)采樣分析→安全判定→惰化回收3個(gè)工作流程實(shí)現(xiàn)油罐的主動(dòng)防護(hù)。

圖2 主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)組成

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的氣體取樣泵對(duì)浮盤上部氣相空間內(nèi)的混合氣體進(jìn)行自動(dòng)巡回取樣，樣氣經(jīng)過(guò)濾、分流等預(yù)處理后[5]，進(jìn)入氣體分析儀作氧氣濃度分析和可燃?xì)怏w濃度檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果傳輸給電控裝置，電控裝置控制芯片在接收到氣體分析儀的檢測(cè)數(shù)據(jù)后，建立坐標(biāo)點(diǎn)，其中油氣濃度值作為橫坐標(biāo)，氧濃度值作為縱坐標(biāo)，并將該點(diǎn)與芯片中的預(yù)設(shè)安全判斷參數(shù)進(jìn)行比較。判定規(guī)則見(jiàn)表2。

表2 主動(dòng)防護(hù)系統(tǒng)判定規(guī)則

電控裝置識(shí)別為危險(xiǎn)狀態(tài)后，在自動(dòng)模式下，自動(dòng)進(jìn)行注氮回收保護(hù)，降低浮盤上部氣相空間內(nèi)的油氣濃度和氧濃度，當(dāng)氣體濃度恢復(fù)到安全狀態(tài)后自動(dòng)停止注氮回收保護(hù)。電控裝置的檢測(cè)數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)以太網(wǎng)遠(yuǎn)傳到遠(yuǎn)程控制裝置，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控。

主動(dòng)安全防護(hù)技術(shù)通過(guò)遠(yuǎn)程取樣、在線分析檢測(cè)密封圈內(nèi)混合氣體，實(shí)現(xiàn)了儲(chǔ)罐安全狀態(tài)的數(shù)據(jù)化管理，實(shí)現(xiàn)了從“人工防范”到“技術(shù)防范”的轉(zhuǎn)變，符合國(guó)家安監(jiān)總局發(fā)布并實(shí)施的AQ3035-2010《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源安全監(jiān)控通用技術(shù)規(guī)范》及AQ3036-2010《危險(xiǎn)化學(xué)品重大危險(xiǎn)源罐區(qū)現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)控裝備設(shè)置規(guī)范》中對(duì)罐區(qū)監(jiān)控的要求[6]。

3 應(yīng)用效果

目前，模塊化蜂巢式內(nèi)浮盤已經(jīng)在國(guó)內(nèi)近1 000多個(gè)儲(chǔ)罐上安裝應(yīng)用，在降低油品蒸發(fā)、節(jié)能、環(huán)保等方面起到了很好的作用，在安裝施工方面更加簡(jiǎn)便、快捷，以一臺(tái)5 000 m3儲(chǔ)罐為例，施工凈工期僅為37天。

某石化公司油品車間對(duì)安裝了模塊化蜂巢式內(nèi)浮盤的5807號(hào)儲(chǔ)罐和安裝傳統(tǒng)浮筒式浮盤的其它油罐進(jìn)行了VOCs對(duì)比檢測(cè)，結(jié)果見(jiàn)表3，節(jié)能環(huán)保效果顯著。

表3 油罐VOCs對(duì)比檢測(cè)結(jié)果

某油品碼頭公司對(duì)安裝了主動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)T052罐在注氮保護(hù)狀態(tài)下的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試分析，數(shù)據(jù)曲線見(jiàn)圖3。

圖3 注氮防護(hù)氣體濃度曲線

由于該罐儲(chǔ)存了揮發(fā)性強(qiáng)的凝析油，所以在注氮時(shí)油氣濃度隨機(jī)變化，但是氧氣濃度從19.5%降低至8%VOL，用時(shí)15’35”，同樣能保證油罐處于本質(zhì)安全狀態(tài)?？梢?jiàn)，儲(chǔ)存低沸點(diǎn)易燃液體的油罐危險(xiǎn)性巨大，如果不做控氧防護(hù)處理，極易發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故。

4 結(jié)論

內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐是目前公認(rèn)的低沸點(diǎn)易燃介質(zhì)最理想的儲(chǔ)存裝置，但是，近年來(lái)該類儲(chǔ)罐著火爆炸事故占據(jù)了很大的比例[7]，為此，GB50160-2018《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐的要求更加嚴(yán)苛。

模塊化蜂巢式內(nèi)浮盤以其特殊的結(jié)構(gòu)形式和完善的密閉體系，實(shí)現(xiàn)了從源頭上治理VOCs，有效抑制了浮盤上部空間可燃物產(chǎn)生速率。主動(dòng)安全防護(hù)系統(tǒng)采用智能控制方式主動(dòng)消除了內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐自身的不安全因素，創(chuàng)建了浮頂油罐氮?dú)獗Ｗo(hù)的新模式。兩種技術(shù)手段的融合，一體化解決了內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐的安全環(huán)保問(wèn)題，將傳統(tǒng)的事后滅火搶險(xiǎn)轉(zhuǎn)換為事前主動(dòng)預(yù)防，填補(bǔ)了油氣防火抑爆技術(shù)領(lǐng)域的重要空白,先進(jìn)的技術(shù)手段保證了系統(tǒng)的實(shí)用性和安全性，符合國(guó)家石油儲(chǔ)運(yùn)消防安全形勢(shì)發(fā)展的方向，符合國(guó)家規(guī)范要求及石油儲(chǔ)備體系的戰(zhàn)略規(guī)劃。