原油儲(chǔ)罐關(guān)鍵液位報(bào)警閾值的設(shè)定方法

宋婧澄，歐陽(yáng)保，盛凌，鄒堃

(1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司 廊坊輸油氣分公司，河北 廊坊 065000；2.中國(guó)石油華北油田公司 二連分公司，內(nèi)蒙古 錫林浩特 026017；3.中國(guó)石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司 石油機(jī)械廠，河北 任丘 062552；4.中國(guó)石油華北油田公司 經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，河北 任丘 062552)

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)，中國(guó)對(duì)原油、成品油、航空煤油的需求量日益增加，國(guó)內(nèi)已在黃島、鎮(zhèn)海、舟山、大連、寧波等地建成了大型商品油庫(kù)，油庫(kù)的自動(dòng)化水平在不斷提高。油庫(kù)儲(chǔ)罐，冒頂溢流、儲(chǔ)罐突沸、泵機(jī)抽空等事故時(shí)有發(fā)生，均與儲(chǔ)罐關(guān)鍵報(bào)警液位的設(shè)置有關(guān)[1-3]。2005年邦斯菲爾德油庫(kù)爆炸事故的原因是其儲(chǔ)罐液位計(jì)故障，導(dǎo)致高液位報(bào)警和聯(lián)鎖系統(tǒng)失效，儲(chǔ)罐發(fā)生溢流，進(jìn)而引發(fā)了多米諾效應(yīng)，造成直接經(jīng)濟(jì)損失約10億英鎊。目前，對(duì)于儲(chǔ)罐液位報(bào)警閾值的設(shè)定主要參照SY/T 6517—2010《石油設(shè)施儲(chǔ)罐過(guò)量充裝的防護(hù)》，但只涉及高液位和手動(dòng)操作，未考慮自動(dòng)聯(lián)鎖操作液位的設(shè)定。此外，國(guó)內(nèi)外對(duì)于儲(chǔ)罐低液位報(bào)警閾值的研究較少，其設(shè)定往往根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)人工判斷，不具備科學(xué)性和合理性，無(wú)法更好地預(yù)防儲(chǔ)罐抽癟等低液位事故的發(fā)生[4-7]?；诖?，在原有規(guī)范的研究基礎(chǔ)上，在高液位中設(shè)置過(guò)量充裝液位LOL，高聯(lián)鎖液位LH，高報(bào)警液位LHA和最大工作液位Lmax，同理在低液位中設(shè)置最小工作液位Lmin，低報(bào)警液位LLA，低聯(lián)鎖液位LL和最小充裝液位LM，并結(jié)合報(bào)警響應(yīng)時(shí)間和輸油泵的特性給出設(shè)定方法，以期為儲(chǔ)罐的安全防護(hù)提供理論依據(jù)和實(shí)際參考。

1 儲(chǔ)罐液位報(bào)警閾值研究現(xiàn)狀

國(guó)外對(duì)于液位報(bào)警方面的研究較早，英國(guó)健康與安全委員會(huì)和電氣工程制造商協(xié)會(huì)均提出要在煉油廠、電廠及油氣處理站場(chǎng)內(nèi)設(shè)置液位報(bào)警系統(tǒng)；美國(guó)石油學(xué)會(huì)的API-RP：1167《管道SCADA系統(tǒng)報(bào)警管理》中要求對(duì)儲(chǔ)罐設(shè)置液位報(bào)警系統(tǒng)，并進(jìn)行全生命周期管理；API-STD-2350：2012《石油儲(chǔ)罐溢流保護(hù)設(shè)施》中提出應(yīng)注重供應(yīng)區(qū)與儲(chǔ)存區(qū)之間的關(guān)系，應(yīng)設(shè)置溢流防護(hù)系統(tǒng)、水擊報(bào)警及超壓保護(hù)裝置，強(qiáng)調(diào)變更管理的要求。以上均只是從定性角度對(duì)儲(chǔ)罐液位進(jìn)行了要求，具體如何設(shè)置并未給出計(jì)算方法。

國(guó)內(nèi)在儲(chǔ)罐液位報(bào)警的規(guī)定上主要有以下規(guī)范：GB 17681—1999《易燃易爆罐區(qū)安全監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)》中規(guī)定儲(chǔ)罐必須配置液位檢測(cè)裝置，應(yīng)配置高、低液位的報(bào)警回路，必要時(shí)還需配置與工藝參數(shù)相關(guān)的聯(lián)鎖裝置；GB 50074—2014《石油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定應(yīng)在自控系統(tǒng)中設(shè)置高、低液位報(bào)警，儲(chǔ)罐低液位報(bào)警應(yīng)滿足泵機(jī)組不發(fā)生汽蝕，浮頂罐的低液位報(bào)警設(shè)置應(yīng)高于浮頂落地高度；SY/T 6517—2010分別定義了正常充裝液位、安全充裝液位和過(guò)量充裝液位等3個(gè)參數(shù)的分析和計(jì)算。

2 高液位報(bào)警閾值設(shè)定

目前，儲(chǔ)罐大部分配置了DCS，可實(shí)現(xiàn)液位報(bào)警、聯(lián)鎖和控制的功能，故在原SY/T 6517—2010規(guī)定的報(bào)警液位的基礎(chǔ)上增加高聯(lián)鎖液位，為了與低液位報(bào)警閾值設(shè)置一致，將正常充裝液位改為最大工作液位，將安全充裝液位改為高報(bào)警液位，關(guān)鍵液位的示意如圖1所示。

2.1 過(guò)量充裝液位

圖1中，LOL指儲(chǔ)罐內(nèi)油品的最高充裝液位，但從撞針位置開(kāi)始計(jì)量時(shí)，在該液位上任何附加油品均會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)罐溢流，或引發(fā)儲(chǔ)罐永久性破壞，該值的計(jì)算如式(1)所示：

圖1 儲(chǔ)罐高、低液位設(shè)定示意

LOL=H-HRT-HA

(1)

式中：H——儲(chǔ)罐罐壁高度，m；HRT——罐頂有效高度，m；HA——內(nèi)部附件的高度，m，如內(nèi)部附件不影響LOL，則HA=0。

2.2 高聯(lián)鎖液位

LH要保證儲(chǔ)罐液位在達(dá)到LOL前，可以有足夠的響應(yīng)時(shí)間啟動(dòng)DCS聯(lián)鎖裝置，將油品轉(zhuǎn)移或關(guān)閉進(jìn)口輸油泵，此時(shí)進(jìn)口輸油泵不應(yīng)因液位過(guò)高導(dǎo)致出口壓力過(guò)大，發(fā)生離心泵倒流反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，因此可用LH核算泵的揚(yáng)程。首先，根據(jù)進(jìn)口管徑和進(jìn)油流量計(jì)算進(jìn)油速度；隨后，計(jì)算摩阻損失，將其分為兩部分，一部分為油品流過(guò)直管段產(chǎn)生的沿程摩阻，一部分為油品流過(guò)管件、閥門、法蘭、設(shè)備等產(chǎn)生的局部摩阻，沿程摩阻和局部摩阻的計(jì)算如式(2)～式(3)所示：

(2)

(3)

式中：hl——沿程摩阻，m；λ——水力摩阻系數(shù)；l——管道長(zhǎng)度，m；v——介質(zhì)流速，m/s；d——管道內(nèi)徑，m；g——重力加速度，m/s2；hζ——局部摩阻，m；ζ——局部摩阻系數(shù)。最后，根據(jù)伯努利方程，將進(jìn)口泵到儲(chǔ)罐的管道視為等徑，考慮泵機(jī)的安裝高度和水力特性，核算泵機(jī)揚(yáng)程是否滿足式(4)：

(4)

式中：HZ——機(jī)泵的安裝高度，m；pmax——泵出口的最大工作壓力，Pa；γ——物料的重度，N/m3；hw——總的摩阻損失，m；H1——泵的額定揚(yáng)程，m。如滿足公式(4)，則泵機(jī)選型合適，反之，則需要加裝變頻或更換泵型號(hào)。最終，在安全余量h0的基礎(chǔ)上確定LH，計(jì)算如式(5)所示：

LH=LOL-h0

(5)

2.3 高報(bào)警液位

LHA低于LH和LOL，是指在油品液位到達(dá)LOL之前，應(yīng)采取適當(dāng)措施進(jìn)行人工完全切斷或切換油品，與人員響應(yīng)時(shí)間有關(guān)，LHA的計(jì)算如式(6)所示：

(6)

式中：t——響應(yīng)時(shí)間，h；qV——儲(chǔ)罐最大體積流量，m3/h；Htotal——儲(chǔ)罐總高度，m；Vc——儲(chǔ)罐公稱容積，m3。由于LHA液位涉及DCS中的報(bào)警功能，故參照LOPA分析中的獨(dú)立保護(hù)層審查辦法，將DCS檢測(cè)到液位參數(shù)異常并發(fā)出報(bào)警，到操作人員有效處理完畢的時(shí)間定義為響應(yīng)時(shí)間，并依據(jù)事故后果嚴(yán)重程度、儲(chǔ)罐現(xiàn)有配置和操作人員的技能水平進(jìn)行衡量，從而確定響應(yīng)時(shí)間。

2.4 最大工作液位

Lmax是指在油品液位到達(dá)LHA前，允許在預(yù)定時(shí)間內(nèi)可以最大流量接受油品，Lmax應(yīng)盡可能接近LHA，其設(shè)定與儲(chǔ)罐容量、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等因素相關(guān)，一般可取LOL的85%～90%。

3 低液位報(bào)警閾值設(shè)定

當(dāng)儲(chǔ)罐液位較低時(shí)，會(huì)出現(xiàn)抽空、抽癟、跑料等事故，且浮頂罐在下底后會(huì)在下部形成密度油氣空間，當(dāng)浮頂存在缺陷導(dǎo)致強(qiáng)度不足時(shí)，會(huì)引發(fā)油氣爆炸。此外，當(dāng)液位較低時(shí)，出口泵葉輪進(jìn)口處的某點(diǎn)壓力下降到油品的氣化壓力時(shí)，一部分油品氣化，沖擊葉輪及其金屬表面，形成局部高溫高壓，發(fā)生汽蝕現(xiàn)象，故儲(chǔ)罐液位的設(shè)定還需滿足有效汽蝕余量大于必須汽蝕余量[8-9]。參照高液位的設(shè)置原則，將LLA閾值設(shè)定為L(zhǎng)min，LLA，LL和LM。

3.1 最小充裝液位

LM是指當(dāng)油品繼續(xù)流出儲(chǔ)罐將導(dǎo)致儲(chǔ)罐的應(yīng)力結(jié)構(gòu)發(fā)生永久性破壞，與儲(chǔ)罐自身結(jié)構(gòu)屬性相關(guān)。根據(jù)《油氣儲(chǔ)庫(kù)工程設(shè)計(jì)手冊(cè)》，在罐壁底部通常設(shè)置人孔，用于檢修人員進(jìn)出和清罐時(shí)排污使用(代替齊平型清掃孔)，常用規(guī)格為DN500，DN600，孔中心距離罐底板的距離宜取750 mm，故人孔頂部距罐底板的距離為1～1.05 m。對(duì)于固定頂儲(chǔ)罐、外浮頂儲(chǔ)罐，其浮頂?shù)闹胃叨纫笥谌丝醉敳扛叨?；?duì)于內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐，其浮頂?shù)闹胃叨瘸笥谌丝醉敳扛叨?，還需滿足浮頂與罐壁之間密封，保持通氣孔閉合，防止毛細(xì)作用。綜上所述，儲(chǔ)罐LM的計(jì)算按照式(7)所示：

(7)

對(duì)于內(nèi)浮頂儲(chǔ)罐，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況在1.8～2.0 m取值。

3.2 低聯(lián)鎖液位

LL是指在油品流出的過(guò)程中液位繼續(xù)下降將導(dǎo)致出口泵發(fā)生汽蝕的液位，故LL需滿足一定的出口泵入口壓力和流量，以保證有效汽蝕余量大于必須汽蝕余量。首先，確定泵的最低入口壓力，應(yīng)為導(dǎo)致油品氣化時(shí)的壓力；其次，計(jì)算油品流速、摩阻損失和最高汽蝕液位；最后，如最高汽蝕液位小于LM，則出口泵不會(huì)發(fā)生汽蝕，由此LL的計(jì)算如式(8)所示：

LL=LM+h0

(8)

3.3 低報(bào)警液位

LLA高于LL，并在儲(chǔ)罐安全的情況下盡可能靠近LL，在此參照LHA的設(shè)定依據(jù)，LLA計(jì)算如式(9)所示：

(9)

3.4 最小工作液位

在油品轉(zhuǎn)出的過(guò)程中，隨著液位下降，出口泵的入口壓力也逐漸下降，導(dǎo)致泵機(jī)組的揚(yáng)程增加，因此Lmin要保證輸出油品正壓進(jìn)泵。對(duì)于不同儲(chǔ)罐容量、不同型號(hào)的泵機(jī)組，可以通過(guò)相似原理結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到泵效、揚(yáng)程、軸功率和儲(chǔ)罐液位之間的關(guān)系，使泵在經(jīng)濟(jì)高效區(qū)間運(yùn)行，獲得儲(chǔ)罐的Lmin。但該方法過(guò)于復(fù)雜，故參照Lmax的相關(guān)算法，Lmin取LOL的15%～20%。

4 實(shí)例分析

以某聯(lián)合站的1號(hào)固定頂儲(chǔ)罐為例進(jìn)行計(jì)算，該儲(chǔ)罐存儲(chǔ)介質(zhì)為原油，運(yùn)動(dòng)黏度為6×10-6m2/s，飽和蒸氣壓為4.6 kPa，密度為830 kg/m3；儲(chǔ)罐的公稱容積為200 m3，罐壁高度為8 m，總高度為9.5 m，罐最大流入量為50 m3/h，最大流出量為20 m3/h；進(jìn)出口泵至罐的管道長(zhǎng)度均為50 m，管徑為0.1 m，入口管道有5個(gè)45°焊接彎管、5個(gè)三通、7個(gè)球閥，hξ為10.7，出口管道有2個(gè)90°單折焊接彎頭、3個(gè)三通、1個(gè)止逆閥，ξ為8.5。進(jìn)口泵的額定揚(yáng)程為20 m，出口泵的額定揚(yáng)程為20 m，機(jī)泵距離地面的安裝高度為0.5 m。根據(jù)以上條件，確定關(guān)鍵液位的報(bào)警閾值。

根據(jù)公式(1)計(jì)算LOL=8 m。

計(jì)算油品進(jìn)管的流速為

根據(jù)公式(2)～公式(3)計(jì)算hξ，其中λ采用勃拉休斯公式計(jì)算，如式(10)所示：

λ=0.316 4Re-0.25

(10)

(11)

式中：Re——雷諾數(shù)，無(wú)量綱；μ——流體運(yùn)動(dòng)黏度，m2/s。經(jīng)計(jì)算，Re=2.948 3×104>3×103，屬于湍流狀態(tài)，λ=0.024 1,hl=0.96 m,hζ=1.71 m,hw=0.96+1.71=2.67(m)。將上述計(jì)算結(jié)果代入公式(4)中，得：

Lmax取LOL的90%，Lmax=8×0.9=7.2(m)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)梳理儲(chǔ)罐關(guān)鍵液位的相關(guān)規(guī)范，在SY/T 6517—2010規(guī)定的報(bào)警液位的基礎(chǔ)上增加高聯(lián)鎖液位，并將正常充裝液位改為最大工作液位，分別設(shè)定了高液位的4個(gè)報(bào)警閾值和低液位的4個(gè)報(bào)警閾值，并給出了計(jì)算方法。結(jié)合報(bào)警響應(yīng)時(shí)間和輸油泵特性，通過(guò)實(shí)例分析，證明該方法可科學(xué)、合理地確定儲(chǔ)罐關(guān)鍵液位的報(bào)警閾值，對(duì)于預(yù)防儲(chǔ)罐溢流、抽癟等事故的發(fā)生具有重要意義。