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化工儲罐頂氮封裝置選型分析

2025-02-08 16:08:24 來源：SH

化工儲罐頂氮封裝置選型分析

氮氣密封技術就是用氮氣補充罐內氣體空間。由于氮氣比油蒸氣輕，所以氮氣浮在油蒸氣上面。當呼氣時，呼出罐外的是氮氣而不是油蒸氣。當罐內壓力降低時，氮氣自動進罐補充氣體空間，減少蒸發損耗，避免油品接觸空氣氧化。化工儲罐頂氮封裝置上圖氮氣密封系統工藝流程圖氮氣密封系統的流程如圖所示。它主要由氮封閥、信號閥（又稱控制閥）、減壓閥和針形閥等部分組成。氮封閥是自力式調節閥，它能根據信號閥發出的氣信號，快速作出相應動作。當信號閥打開時，氮封閥下膜室的壓力下降，利用彈簧的反作用力使閥芯向下移動，閥芯處于與閥座全開位置；當信號閥關小或*關閉時，氮封閥下膜室的壓力增加，壓縮彈簧，閥芯向上移動，閥芯與閥座逐漸關小或全關。通過減壓閥將氮氣壓力由0.7MPa 降至0.15MPa

一、化工儲罐頂氮封裝置選型分析氮封裝置特性及作用

1、氮氣密封系統的儲罐。此種物料一般具有以下特性之一：

1）、石油化工行業易揮發。如汽油、甲醇等飽和蒸汽壓高的物料，在常溫下容易揮發造成物料大量損失；

2）、工藝過程中應控制或避免與空氣接觸的物料。氮封系統的工作原理是：當儲罐內壓力低于設定值時，信號閥打開，降低氮封閥薄膜下側壓力，氮封閥也相應打開，將氮氣輸入罐內，使儲罐壓力逐漸回升到設定值。當達到設定值時，信號閥關閉，此時氮封閥薄膜下側壓力上升，氮封閥也相應關閉。如罐內壓力高于設定值時，儲罐呼吸閥將打開，呼出罐內氣體，罐內壓力下降至設定值。在我國儲罐呼吸閥的正負壓力設定值一般為正壓180mmH2O、負壓-30mmH2O則氮封閥壓力可設定為正壓150mmH2O、負壓-20mmH2O，然后根據此壓力通過觀測水柱表來調整信號閥、氮封閥上部的彈簧，設定回訊控制壓力。自力式微壓儲罐氮封閥是中大型儲罐的氮封閥；結構緊湊，反應靈敏，但輸入壓力不應小于0.15MPa。

代替ZZV型自力式微壓調節閥

ZZV型自力式微壓調節閥閥前一般要求介質壓力≤0.1MPa，而自力式氮封閥則不受此限制。

2、用于氮封裝置

氮封裝置的貯罐內成品油上端覆蓋氮氣，其壓力一般在100mmH2O左右，通過氮封保護裝置加以控制。出液閥開啟放油時，貯罐內液位下降，此時，ZZDG-16B供氮閥開度增大，向貯罐內補充氮氣使壓力增加到設定值為止。進液閥開啟進油時，液位上升，氣相部分容積減小，氮氣壓力上升，此時ZZDG-16B供氮閥關閉，而ZZDX-16K泄氮閥在壓力控制器作用下開啟，排出氮氣使壓力降至設定值。為確保儲罐安全，應在罐頂設置呼吸閥。

供氮壓力調整：在ZZDG-16B型供氮閥選定一設定值如1KPa(100mm.W.C)，通過調整主彈簧1的預壓縮(拉伸)量來達到；

泄氮壓力調整：在ZZZDX-16K泄氮閥中的壓力控制器部分，通過調整主彈簧預壓縮量達到，一般為避免氮封裝置啟閉頻繁，泄氮設定值應遠離供氮壓力設定值，如2Kpa(200mm.W.C)。

呼吸閥設定值調整：在上述兩設定值調整好后，為避免呼吸閥啟閉頻繁，呼吸閥設定值應大于泄壓設定值。兩者設定期亦不能靠得太近。呼吸閥型號為：ZZFX-10。ZZDG-16B壓力設定值為PC，ZZDX-16K壓力設定值P1，PC與P1兩值不能靠得太近，以免閥門工作太頻繁，呼吸閥的排放壓力P2的設定值應大于P1，P2與P1兩值也不能靠得太近。三者關系PC< P1< P2。

化工儲罐頂氮封裝置選型分析

作用方式：指揮器操作型調壓閥

口徑系列：3/4"-6"(DN15-DN150)

公稱壓力：PN16；40；64

閥體材質：CS；304SS；316SS；316L

內件材質：304SS；316SS；316L

膜片材質：丁腈橡膠；氟橡膠

泄漏等級：VI級

使用溫度：－30℃－70℃

調壓范圍：0.3-0.8KPa；0.5-1.5KPa；1－4KPa；3－15KPa

輸入壓力：0.15-1.0MPa

2、化工儲罐頂氮封裝置選型分析氮封裝置的主要作用：

1）. 防止氧化：通過向儲罐內注入氮氣，可以排擠罐內的空氣，減少物料與氧氣的接觸，從而降低物料被氧化的風險。

2）. 抑制揮發：氮封可以減少儲罐內物料的揮發，對于易揮發的化學物質尤其重要。

3）. 維持壓力平衡：在物料的裝入或抽出過程中，氮封裝置可以調節儲罐內部的壓力，保持壓力平衡，防止因壓力變化導致的儲罐結構損壞。

4）. 減少VOCs排放：氮封可以減少揮發性有機化合物（VOCs）的排放，有助于環境保護和滿足工業排放標準。

5）. 防止污染：氮氣是一種惰性氣體，可以防止儲罐內的物料受到外界污染，確保物料的純度和質量。

6）. 提高安全性：通過控制儲罐內的氮氣壓力，可以避免由于壓力過高或過低導致的安全事故。

7）. 保護儲罐結構：氮封裝置有助于防止儲罐因內部壓力波動而產生的變形或損壞。

8）. 適用于多種儲罐：氮封裝置適用于各種類型的儲罐，包括化工原料儲罐、食品級儲罐、超純水儲罐等。

GB50160-2008石化企業防火標準[1]、 SH/T3007-2014儲運罐區設計規范[2]的要求，對甲 B 、乙A 類的可燃液體儲罐，應設置氮氣密封保護系統，通過調節氮氣量使之填充頂部空間，節能降耗的同時，隔離油品與外界接觸以起到保護作用。

二、化工儲罐頂氮封裝置選型分析氮封系統適用工況

氮氣密封系統的應用主要取決于罐的類型和存儲介質的性質。常適用于以下幾種工況：
（1）采用內浮頂罐或固定頂罐儲存沸點在 45℃下，或37.8℃時的飽和蒸氣壓>88KPa的甲B 類液體時，應設置氮氣密封保護系統；

（2）采用內浮頂儲罐常壓儲存沸點≥45℃、或37.8℃時飽和蒸氣壓≤88KPa的甲B 、乙A 類液體時，可設置氮氣密封保護系統；另，當有特殊要求而選擇固定頂、低壓儲罐或容量≤100m3的臥式儲罐時，應設置氮氣密封保護系統；

（3）當常壓存儲I、II級毒性的甲B 、乙A 類液體時，應設置氮氣密封保護系統；

（4）儲存介質與空氣接觸，易發生氧化、聚合等反應，常壓儲存時，應設置氮封保護系統；

（5）儲存介質具有水溶性，并對其含水量有嚴格要求，常壓儲存時，應設置氮封保護系統。

三、化工儲罐頂氮封裝置選型分析氮封系統設計方案

1、壓力控制設計方案

此方案：氮氣密封系統的設置，氮封系統通過控制儲罐內部的壓力，保持在一個安全和穩定的范圍內。這通常涉及到安裝壓力調節閥，如自力式氮封閥，它無需外部能源，可以自動控制儲罐內部的壓力。重要場合儲罐頂部通常需設置阻火呼吸閥和泄壓人孔等安全裝置。值得注意的是，氮氣操作壓力宜為0.5~0.6 MPa ，通常氮氣的純度不應低于99.2%。

例如：控制罐內氣體壓力維持在300 Pa（G）上下。當儲罐內氣體壓力上升≥500 Pa（G）時，關停氮氣控制閥，暫停氮氣的補充；當內壓力≤200 Pa （G）時，氮氣控制閥將打開以補充氮氣，防止吸進空氣形成易體。

2. 氧含量控制設計方案

此方案：氮氣密封系統的設計，旨在控制罐內氣相空間氧氣濃度不超過5%，從而阻斷可造成爆炸的助燃條件。

（1）在罐內設置氧氣濃度監測器進行監控，將高值與氮氣管路控制閥進行聯鎖設計。當罐內氧含量達到高值時，自動報警，然后通過聯鎖打開氮氣閥，使氮氣充入罐內。當檢測器指標達到設定的正常范圍時，立即聯鎖關停氮氣閥停止充氮。

（2）在同類介質儲罐間設計一組管道將氣相管道貫通，可減少作業時氮氣的用量，也可降低油氣排放量。例如聯通管道的管徑為DN150，流量宜為 150m3/h。

（控制系統：現代氮封系統可能包括與DCS或PLC控制系統的集成，以實現遠程監控和自動化控制。這包括安裝壓力表和設置高、低壓報警功能、設置變送器維持儲罐微正壓、超設定壓力時自動泄壓、以及可能的氧含量監測和控制等。）

化工儲罐頂氮封裝置選型分析

自力式氮封閥裝置調節閥，供氮閥，泄氮閥，以閥后壓力為動力源，引入閥后壓力到指揮器膜片上以控制指揮器閥芯位置，改變流經指揮器閥芯的介質壓力和流量，使閥門后端壓力保持恒定的調節閥。進口自力式氮封閥壓力設定在指揮器上的彈簧上實現，擰緊壓縮彈簧閥后壓力變大，反之則變小，操作簡單因而存在方便、便捷、比一般的直接取壓自力式壓力調節閥精度要高;一般用于儲罐氮封系統;調節和穩定儲罐的氮氣壓力，控制精度極其靈敏，控制精度閥后能達到0.0001MPa (100pa，0.1kp)運行過程中壓力可以連續調節,特別適合是控制微壓場合的工況。氮封閥無需外加能源，利用被調介質自身能量為動力源，自動控制閥門介質流量，使閥后壓力保持恒定的壓力穩定裝置。現已廣泛用于連續送氣的天然氣采輸，城市煤氣以及冶金、石油、化工等工業生產部門。該閥控制精度高，比一般直接操作型調壓閥高一倍左右。減壓比大，反應靈敏，極小的壓力或極小的壓力變化都可以感知出來，對同一臺閥而言，調節范圍比普通自力式調節閥廣，壓力設定在指揮器上實現，因而方便、快捷、省力省時可在運行狀態下連續設定。
自力式氮封閥工作原理
供氮裝置將設在罐頂的取壓點的介質經導壓管引入檢測機構(7)，介質在檢測元件上產生一個作用力與與彈簧(8)、預緊力相平衡。當罐內壓力降低至低于供氮裝置壓力設定點時，平衡破
壞，使指揮器閥芯(6)，打開，使閥前氣體經減壓閥(5)，節流閥(4)、進入主閥執行機構(3)上、下膜室，打開主閥閥芯(2)，向罐內充注氮氣；當罐內壓力升至供氮裝置壓力設定點，由于預設彈簧力，關閉指揮器閥芯(6)、由于主閥執行機構中的彈簧作用，關閉主閥，停止供氮。泄氮裝置該裝置采用內反饋結構，介質直接經閥蓋進入檢測機構(2)，介質在檢測元件上產生一個作用力與預設彈簧(3)預緊力相平衡。當罐內壓力升高于泄氮裝置壓力設定點時，平衡被破壞，使閥芯(1)上移，打開閥門，向外界泄放氮氣；當罐內壓力降至泄氮裝置壓力設定點，由于預設彈簧力作用，關閉閥門。
自力式氮封閥技術參數和性能
自力式氮封閥閥體

公稱通徑		DN25、32、40、50、65、80、100mm
公稱壓力		PN1.0M Pa JB/T79.1-94、79.2-94等
法蘭標準
閥體材料		鑄鐵（HT200）、鑄鋼（ZG230-450）、鑄不銹鋼（ZG 1Cr18Ni9Ti、ZG1Cr18Ni12Mo2Ti）
閥芯材料	硬密封	不銹鋼（1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti）不銹鋼鑲嵌橡膠圈
	軟密封
閥桿材料		不銹鋼（1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni12Mo2Ti）
流量特性		-
使用溫度

自力式氮封閥執行器

壓力設定范圍(KPa)	0.4～0.5 5～10 9～14 13～19 18～24 22～28 27～33 36～44 42～51 49～58 56～66
膜蓋材料	A3、A4鋼板涂四氟乙烯
膜片材料	丁晴橡膠、乙炳橡膠、氟橡膠、耐油橡膠

自力式氮封閥性能

設定值偏差±5%		允許泄露量
允許泄露量	標準型	IV級（符合GB/T4312-92標準）
允許泄露量	嚴密型	VI級（符合GB/T4312-92標準）

額定流量系數、額定行程、性能
自力式供氮裝置

公稱通徑DN	25									32	40	50	65	80	100
閥座通徑Dn	5	6	7	8	10	12	15	20	25	32	40	50	65	120	100
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	8									10		14	20		25

自力式泄氮裝置

公稱通徑DN	20	25	32	40	50	65	80	100
閥座通徑Dn	20	25	32	40	50	65	80	100
流量系數Kv	6.9	11	20	30	48	75	120	190
額定行程L	8		10		14	20		25

四、化工儲罐頂氮封裝置選型分析充氮量計算

一般來說，充氮量Q等于儲罐物料的排出量 Q1 與由溫度變化導致的吸氣量Q2 之和。

例：下面以罐區中3000m3苯罐所需充氮量的計算為例進行說明。根據化工部“鋼制立式圓筒形內浮頂罐系列”HG21502.2-1992可查表得[5]，3000m3儲罐內徑D=17m，罐壁高度H1 =15.85m，拱頂球冠高度 H2 =1.841m，本次計算按照浮盤沉底考慮，即取設計*低液位h=1.8m來計算儲罐內*大氣體的體積 Vm 。Vm 等于罐體圓柱部分氣相空間體積V1 與罐頂球冠空間體積V2 之和。其中：

3000m³儲罐內氣體體積*大值Vm=3400m，當儲罐內部氣體溫度T（35℃）隨外界氣溫變化一小時內降至T（20℃）罐內操作壓力由 1000Pa（G）降至0Pa（G）時，根據理想氣體狀態方程：

式中：P0 ：標準大氣壓（取0.101325MPa （A））；
P1 ：操作壓力（MPa（A））；
V0 ：標準狀態下的氣體體積（Nm3）；
V1 ：操作狀態下的氣體體積（m3，我們取液位*低時的Vm值）； T0 ：標準狀態下的氣體溫度（273.15K）；
T1 ：操作狀態下的氣體溫度（K）。
得：在儲罐內*低液位，標準狀態下，35℃ 時，罐內氣體體積V0 為3044Nm3；同理可得25℃ 時，罐內氣體體積V0 '為3168Nm3。因此，此降溫過程內需要補充的氮氣量Q為124m3/h。

因此，為避免浪費氮氣資源，可在參考SH/T3007 2014表5.1.6中推薦的氣量規范值的基礎上根據實際工況進行計算。

五、化工儲罐頂氮封裝置選型分析氮封裝置常見故障

通常由截止閥、過濾器、供氮閥、調節器、壓力表、呼吸閥等組成。

氮封閥裝置是自力式調節閥的一種，自力式調節閥根據應用介質的不同，有很多種，有空氣的，氮氣的，蒸汽的，液體的，儲罐頂一般會裝有呼吸閥，有毒介質儲罐當達到液面穩定時，罐頂的壓力等于介質于該溫度下的蒸汽壓，當呼吸閥呼出的時候，有毒介質會排到罐外面，容易造成人員中毒，為了避免有毒介質揮發，需要在罐頂液面上保持一定壓力，以避免有毒介質揮發然后排空，一般用氮氣來保持這種壓力，這就叫氮封。

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