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儲罐全天候呼吸閥計算選型分析

呼吸閥是一種常用于常壓和低壓儲罐的壓力保護(hù)措施。正確計算儲罐需要的呼吸量，選擇適合的呼吸閥，正確安裝并對其進(jìn)行維護(hù)是保證儲罐能夠安全儲存的一個重要條件。全天候呼吸閥是油罐呼吸系統(tǒng)的核心部件，一般由壓力閥、真空閥、閥體組成。其原理是利用閥盤自身重量(或彈簧的張力)來控制油罐的呼氣正壓(壓力)和吸氣負(fù)壓(真空值)。

    當(dāng)罐內(nèi)氣體空間的壓力在全天候呼吸閥的控制壓力范圍之內(nèi)時，呼吸閥不動作，保持油罐的密閉性；當(dāng)油罐內(nèi)氣體空間的壓力升高，達(dá)到全天候呼吸閥的控制正壓時，在油罐內(nèi)壓力的作用下正壓閥打開，氣體從油罐內(nèi)逸出，使油罐內(nèi)的壓力不再升高；當(dāng)油罐內(nèi)氣體空間的壓力下降，達(dá)到呼吸閥的控制負(fù)壓時，在大氣壓的作用下，真空閥打開，空氣進(jìn)入油罐內(nèi)，使油罐內(nèi)的壓力不再繼續(xù)下降(負(fù)壓不再增大)。油罐呼吸系統(tǒng)的作用，主要是通過全天候呼吸閥實(shí)現(xiàn)油罐內(nèi)在一定壓力下的平衡和密閉，從而保證油罐正常、安全運(yùn)行，減小油罐內(nèi)油品蒸發(fā)損耗，減緩油品質(zhì)量下降的程度，預(yù)防著火爆炸、油氣中毒，在一定程度上防止油氣對環(huán)境的污染。

    全天候呼吸閥按其使用條件可分為普通型和全天候型，按其結(jié)構(gòu)類型和壓力控制方法分為重力式、彈簧式和重力彈簧組合式；按閥座的相互位置分為分列式和重疊式。全天候呼吸閥的計算內(nèi)容主要是確定呼吸量，呼吸量按下列條件確定：

1)儲罐向外輸出物料時，造成儲罐內(nèi)壓力降低，需要吸入氣體保持儲罐內(nèi)壓力平衡；

2)向儲罐內(nèi)灌裝物料時，造成儲罐內(nèi)壓力升高，需要排除氣體保持儲罐內(nèi)壓力平衡；

3)由于氣候等影響引起儲罐內(nèi)蒸氣壓增大或減少，造成的呼出或吸入(通稱熱效應(yīng))，熱效應(yīng)引起的呼吸氣量。

4)火災(zāi)時儲罐受熱，引起蒸發(fā)量劇增而造成呼出。

    前三個原因引起的呼吸量叫正常呼吸量，后一個原因引起的呼吸量叫火災(zāi)呼吸量。常壓及低壓儲罐是石油化工行業(yè)的常用設(shè)備。呼吸閥能夠在儲罐超壓或者接近真空的工況下通過呼氣或者吸氣而使儲罐壓力保持在設(shè)計壓力范圍內(nèi)，從而避免鼓罐或者癟罐的情況發(fā)生，減少罐內(nèi)物料的損耗。同時安裝呼吸閥也能減少揮發(fā)性物料的泄露，降低對外部環(huán)境的污染，減少安全隱患。《石油化工企業(yè)設(shè)計防火規(guī)范》（GB50160-2008）中更有規(guī)定，“甲B、乙類液體的固定頂罐應(yīng)設(shè)阻火器和呼吸閥"。阻火器與呼吸閥連用可以防止火焰進(jìn)入儲罐避免爆炸發(fā)生。因此呼吸閥作為石油儲罐的附件是少的。

1 儲罐全天候呼吸閥計算選型分析啟動原因

呼吸閥是由呼氣閥和吸氣閥兩部分組成。通常情況下呼吸閥是封閉不動的，只有在儲罐超壓或者真空的情況才會開啟。以下幾點(diǎn)為比較普遍的開啟原因,也就是造成真空或者超壓的條件：

1）液體出入儲罐。液體流出儲罐，儲罐內(nèi)氣相空間增大，壓力降低，會導(dǎo)致吸氣閥開啟吸入外部氣體，用以提高儲罐壓力。液體進(jìn)入儲罐，汽化蒸汽增多，儲罐壓力增大，導(dǎo)致呼氣閥開啟呼出多余的氣體降低儲罐壓力。

2）天氣變化引起的儲罐呼吸。氣溫降低或者大風(fēng)、降雨等其他天氣變化會引起儲罐內(nèi)氣體的壓縮或者冷凝，儲罐壓力降低，從而導(dǎo)致吸氣閥開啟。氣溫升高或者其他天氣變化（熱效應(yīng)）會引起儲罐內(nèi)氣體膨脹或者液體汽化，儲罐壓力升高，從而導(dǎo)致呼吸閥打開。

3）當(dāng)儲罐吸收了外部火災(zāi)產(chǎn)生的熱量，造成液體汽化以及氣體膨脹，儲罐壓力增大，呼氣閥開啟，儲罐呼出內(nèi)部多余氣體。

4）由于設(shè)備故障或者操作錯誤而導(dǎo)致的其他情況。當(dāng)以上條件有一個存在或幾個同時發(fā)生并達(dá)到了呼吸閥的開啟壓力，呼吸閥即開始工作，降低超壓或者真空度，可以達(dá)到保護(hù)儲罐的目的。

2 儲罐全天候呼吸閥計算選型分析的計算

儲罐的呼吸量應(yīng)至少為進(jìn)出物料量與熱效應(yīng)引起的通氣量之和。目前還沒有國家通用的標(biāo)準(zhǔn)算法來計算呼吸量。結(jié)合日本通氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)HPIS-G-103-1997，美國標(biāo)準(zhǔn)API Std 2000-2009,以及以往項目的經(jīng)驗，以下為我們在項目中應(yīng)用的計算公式。式中進(jìn)出物料的通氣量系數(shù)借鑒API Std2000，并按照該標(biāo)準(zhǔn)以37.8℃為閃點(diǎn)分界點(diǎn)。而由于熱效應(yīng)引起的通氣量變化則參考了日本通氣設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)的系數(shù)值。

1）閃點(diǎn)低于37.8℃的物料：

Qi=0.94Vo+Qt

Qo=2.02Vi+Qt

2）閃點(diǎn)高于37.8℃的物料：

Qi=0.94Vo+Qt

Qo=1.01Vi+0.6Qt

式中：

Qi——吸入時總通氣量，單位為m3/h;

Qo——呼出時總通氣量，單位為m3/h;

Qt——在吸氣或排氣的同時，由于天氣變化引起的通氣量，即熱呼吸通氣量，單位為m3/h;

Vi——最大進(jìn)料量，單位為m3/h;

Vo——最大出料量，單位為m3/h;

對于容積小于3180m3的儲罐，以上兩式中的Qt=0.169V。V為儲罐總?cè)莘e。

3 儲罐全天候呼吸閥計算選型分析呼吸壓力的確定

呼吸閥的起跳壓力應(yīng)低于儲罐的設(shè)計壓力，從而保護(hù)儲罐不被破壞[4]。大多數(shù)的常壓儲罐設(shè)計壓力通常在-500Pa～2000Pa(G)。根據(jù)SY/ T 0511.1-2010，呼吸閥的開啟壓力等級分為五級，具體見表2。由表2可見，通常情況下呼吸閥的負(fù)壓吸入壓力設(shè)成-295Pa是符合絕大部分儲罐的。

　固定頂罐的呼吸排放可用下式估算其污染物的排放量：

　　LB=0.191×M(P/(100910-P))^0.68×D^1.73×H^0.51×△T^0.45×FP×C×KC

　　式中：LB-固定頂罐的呼吸排放量(Kg/a);

　　M-儲罐內(nèi)蒸氣的分子量;

　　P-在大量液體狀態(tài)下，真實(shí)的蒸氣壓力(Pa);

　　D-罐的直徑(m);

　　H-平均蒸氣空間高度(m);

　　△T-一天之內(nèi)的平均溫度差(℃);

　　FP-涂層因子(無量綱)，根據(jù)油漆狀況取值在1~1.5之間;

　　C-用于小直徑罐的調(diào)節(jié)因子(無量綱);直徑在0~9m之間的罐體，C=1-0.0123(D-9)^2 ; 罐徑大于9m的C=1;

　　KC-產(chǎn)品因子(石油原油KC取0.65，其他的有機(jī)液體取1.0)

　　工作排放是由于人為的裝料與卸料而產(chǎn)生的損失。因裝料的結(jié)果，罐內(nèi)壓力超過釋放壓力時，蒸氣從罐內(nèi)壓出;而卸料損失發(fā)生于液面排出，空氣被抽入罐體內(nèi)，因空氣變成有機(jī)蒸氣飽和的氣體而膨脹，因而超過蒸氣空間容納的能力。

　　可由下式估算固定頂罐的工作排放：

　　LW=4.188×10^-7×M×P×KN×KC

　　式中：LW-固定頂罐的工作損失(Kg/m3投入量)

　　KN-周轉(zhuǎn)因子(無量綱)，取值按年周轉(zhuǎn)次數(shù)(K)確定。周轉(zhuǎn)次數(shù)=年投入量/罐容量

　　K<=36,KN=136

　　K>220,KN=0.264 儲罐全天候呼吸閥計算選型分析呼吸閥的選用

在確定了呼吸量Q(m3/h)之后，按照氣體的流速u在3～5m/s考慮，通過公式d=18.81V0.5u-0.5可以確定呼吸閥進(jìn)出口管徑，通過向上圓整，選擇適當(dāng)?shù)拈y門尺寸。目前市場上常用的呼吸閥規(guī)格連接法蘭公稱通徑DN有：50mm、80mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、350mm。同時也要考慮呼吸閥的工作溫度。呼吸閥按照工作溫度可分為全天候型與普通型。全天候型呼吸閥的適用范圍為-30℃～60℃，型式代號為Q。普通型呼吸閥適用操作溫度為0℃～60℃，型式代號為P。結(jié)合呼吸閥的尺寸與工作溫度，選出設(shè)計工況的呼吸閥。

1、選擇合適類型的呼吸閥

選擇合適類型的呼吸閥一方面確定油罐呼吸閥口徑，結(jié)合呼吸閥減少靜電和每小時儲油罐進(jìn)出油流量，選擇合適口徑的呼吸閥，使儲油罐在進(jìn)出油過程中保持正常的通氣量，例如50mm口徑的油罐呼吸閥，每小時收發(fā)油流量小于25m3；100mm口徑的油罐呼吸閥，每小時收發(fā)油流量約30～100m3；150mm口徑的油罐呼吸閥，每小時收發(fā)油流量約101～150lfm2；250mm口徑的油罐呼吸閥，每小時收發(fā)油流大于

300m3。另一方面，確定油罐呼吸閥的控制壓力，結(jié)合儲油罐設(shè)計壓力和油罐壓力，確定油罐呼吸閥的真空度和控制壓力，若儲油罐的使用年限較長，結(jié)合油罐頂部強(qiáng)度，合理調(diào)整油罐呼吸閥工作壓力，同一種油品的儲油罐應(yīng)用同一類型呼吸閥時，應(yīng)按照儲油罐最小的壓力值來確定呼吸閥工作壓力。

2、做好日常檢查

為了延長油罐呼吸閥的使用壽命，應(yīng)做好日常檢查，仔細(xì)分析油罐呼吸閥的呼吸情況和外觀，重點(diǎn)檢查油罐呼吸閥閥體和油罐罐體是否存在異常，呼吸閥和短管或者阻火器連接位置的等電位跨接是否可靠、牢固，油罐呼吸閥是否存在漏氣，封口網(wǎng)是否暢通或者產(chǎn)生破損，U型壓力計壓差是否正常等。

3、全面定期維護(hù)油罐呼吸閥

除了要進(jìn)行日常檢查以外，還要全面定期進(jìn)行維護(hù)檢修，一般情況下油罐呼吸閥可以每半年進(jìn)行一次全面檢查，對于一些特殊情況，可以適當(dāng)縮短檢查周期，仔細(xì)檢查油罐呼吸閥的彈簧、導(dǎo)孔、導(dǎo)桿、閥座、閥盤等是否積垢或者產(chǎn)生銹蝕，仔細(xì)進(jìn)行清潔處理，對于閥盤運(yùn)行卡死或者卡澀、運(yùn)行不靈活等問題，及時維護(hù)修理，擦拭封口網(wǎng)的灰塵和污銹，確保油罐呼吸閥氣體能夠暢通進(jìn)出。

4、采取有效安全措施

油罐呼吸閥送檢過程中，要設(shè)置備用呼吸閥，安裝或者拆卸時，要注意平衡儲油罐內(nèi)部和外部的氣壓，工作人員要佩戴防爆設(shè)備和穿戴防靜電服裝，輕放輕拆，嚴(yán)禁敲擊，檢修過程中嚴(yán)禁在閥座、導(dǎo)孔或者導(dǎo)桿上涂抹潤滑油，仔細(xì)記錄油罐呼吸閥檢定過程，做好資料存檔。油罐呼吸閥是儲油罐中的重要安全附件，發(fā)揮著非常重要的作用，結(jié)合油罐呼吸閥的常見故障，應(yīng)仔細(xì)采取有效維護(hù)措施，確保油罐呼吸閥安全、正常的使用。

5 儲罐全天候呼吸閥計算選型分析的安裝與維護(hù)

在呼吸閥正確安裝后，為了能夠使其安全持續(xù)地運(yùn)行，應(yīng)注意后期的檢修與維護(hù)。至少每半年檢查一次呼吸閥的網(wǎng)面是否堵塞或腐蝕。如果發(fā)現(xiàn)有堵塞應(yīng)即時清理確保網(wǎng)面干凈。盡量一年檢驗一次呼吸閥保證其操作壓力在正常范圍。年檢不合格的呼吸閥應(yīng)及時更換，不要使其只成為一個擺件，埋下安全隱患，從而造成重大安全事故。作為一種專用的油罐閥門，為了充分發(fā)揮油罐呼吸閥的重要作用，應(yīng)了解油罐呼吸閥的常見故障，有針對性地進(jìn)行維護(hù)檢修，預(yù)防油罐呼吸閥安全事故確保其始終處于良好狀態(tài)。

儲罐全天候呼吸閥計算選型分析的安裝需要注意以下幾點(diǎn)。

1）呼吸閥需要安裝在儲罐頂部的最高點(diǎn)，也就是罐內(nèi)氣相空間的最高點(diǎn)。這樣能使氣體以最直接的通道通向呼吸閥。如果需要安裝兩個呼吸閥時，應(yīng)以儲罐頂點(diǎn)為中心對稱布置。

2）如果呼吸閥安裝在氮封的儲罐上，氮?dú)夤夤艿慕庸芪恢靡欢ㄒh(yuǎn)離呼吸閥接口，且接管插入罐內(nèi)200mm，以防氮?dú)膺M(jìn)罐后直接排出而起不到氮封的作用。

3）如果使用呼吸閥的地區(qū)最冷月份平均氣溫低于或等于0℃，呼吸閥必須有防凍措施，以防止呼吸閥閥盤凍住或堵塞導(dǎo)致儲罐排氣不暢或補(bǔ)氣不足，而造成儲罐低壓癟罐或者超壓鼓罐。