刘 宝,许志刚,张 赞

(中国石油天然气股份有限公司大庆石化公司炼油厂,黑龙江 大庆163711)

浮筒式浮盘是20世纪80年代初由国外引进的组装式浮盘,该形式浮盘具有造价低廉、制造安装周期短、技术成熟等优点,目前仍在大量使用。储罐配置浮盘后,虽能减少约95%的损耗【1】,但由于安装及本身结构特点等因素,仍不能满足日益严格的环保要求。某厂现有在用铝浮筒内浮顶储罐43台,经过检测,其中33台VOCs检测浓度超过2000μmol/mol【2】;从结果来看,浮筒式浮盘泄漏点多,检测合格率低,制约了储罐无组织排放治理的成效。介质的无序挥发,不仅造成了巨大的经济损失,同时也带来了严重的安全隐患及环境污染问题。因此,对浮筒式浮盘的泄漏部位进行分析并对泄漏量进行估算,有助于解决浮筒式浮盘的损耗问题,可为储罐的泄漏整治提供方向,并为解决常压储罐无组织排放提供决策依据。

浮筒式浮盘为组装式结构,因其具有结构简单、造价低廉、制造安装周期短等优势,因此得到广泛应用。其主要部件有支柱、人孔装置、量油装置、通气装置、周边密封装置、浮力元件、骨架(结构部分)、盖板、紧固件等组成。材质可选择铝合金、全碳钢、全不锈钢,还可以选择3种材质混合使用。

骨架设计成蛛网状、蜂窝状或六边形等形状,将整个浮盘分成若干个小单元(见图1)。骨架安装完成后再将盖板(蒙皮板)固定在骨架上部。盖板(蒙皮板)由多张拼接而成,接缝位置用压条固定在骨架梁上,固定一般采用拉铆钉连接(见图2)。

图1 浮筒式浮盘骨架

图2 安装完盖板(蒙皮板)的浮盘

浮顶罐的VOCs无组织排放主要包括边缘密封损失、浮盘附件损失、浮盘盘缝损失和挂壁损失。其中边缘密封损失、浮盘附件损失、浮盘盘缝损失属于静置损失,挂壁损失属于工作损失。

依据环境保护部办公厅印发的《石化行业VOCs污染源排查工作指南》及相关附件【3】,用公式法对1座位于某市某炼油厂的汽油成品油内浮顶罐的各种损失进行估算。储罐相关条件如下:储存容积为10000m3,介质为汽油;2020年该罐的年周转量为88066t,密度为0.84t/m3;边缘密封为囊式密封加舌形密封,浮盘类型为铆接浮筒式;人孔数量为1个,量油管1个,雷达液位计导波管1个,边缘通气孔8个,中央通气孔3个,无油气回收设施。

公式法是参考美国环保署(EPA)发布的“污染物排放因子文件”(AP-42)第2版第七章中提供的评价公式、以我国有机液体理化参数和储罐构造特点为基准的计算方法。

总损耗如式(1)所示:

式中:LT——总损耗,lb/a;

LR——边缘密封损耗,lb/a;

LWD——挂壁损耗,lb/a;

LF——浮盘附件损耗,lb/a;

LD——浮盘缝隙损耗,lb/a。

注:1lb＝0.4545kg。

2.1 边缘密封损耗

浮盘周边密封采用囊式密封加舌形密封(见图3),该类型边缘密封为非气密性密封,密封底部存在气体空间,无法有效将油气密封在该空间内部;密封最大的工作范围为(－100/＋100)mm,在浮盘漂浮状态或油罐变形时,不能与罐壁紧密贴合,存在极大的挥发损失。由于其密封材料的摩擦系数较高,自身磨损也较为严重,罐壁上的焊瘤等凸出部位,极易造成囊损坏,导致密封进油,失去密封效果【4】。囊式密封一般要求只有1处接口,但该处接口用胶进行粘接,经过一段时间的使用后,易开裂造成密封进油,失去密封效果。从使用经验看,该形式密封使用寿命较短,一般为3～5年。

图3 浮盘边缘密封示意

浮顶罐边缘密封损耗可由式(2)估算得出:

式中:LR——边缘密封损耗,lb/a;

KRa——零风速边缘密封损耗因子,lb-mol/(ft·a),查表取为3.3lb-mol/(ft·a);

KRb——有风时边缘密封损耗因子,lb-mol/(mphn·ft·a),查表取为0.1lb-mol/(ft·a);

v——罐点平均环境风速,mph,内浮顶罐取值为0mph;

n——密封相关风速指数,无量纲,查表取为3;

D——罐体直径,ft,本案例为93.25ft;

P*——蒸气压函数,无量纲,按式(3)进行估算;

Mv——气相分子质量,lb/lb-mol;

KC——产品因子,原油为0.4,其他有机液体为1.0。

注:1ft＝0.3048m,1mph(迈)＝0.4464m/s。

式中:PVA——日平均液体表面蒸气压,psi(绝),按式(4)计算;

PA——大气压,取14.54psi(绝)。

注:1psi(绝)＝6.895kPa(绝)。

式中:A——蒸气压公式中的常数,无量纲;

B——蒸气压公式中的常数,°R;

TLA——日平均液体表面温度,℃。

对于油品来说

式中:S——10%蒸发量下恩氏蒸馏曲线斜率,本案例为1.5;

RVP——雷德蒸气压,psi(绝),取9.427 psi(绝)。

由式(5)和式(6)计算可得:

由式(4)计算得:PVA＝7.668psi(绝)。

由式(3)进一步计算得:P*＝0.185。由式(2)最终计算得:LR＝4.675t/a。

注:1°R(兰氏度)＝1℃×1.8＋32＋459.67。

2.2 挂壁损耗

在储罐运行过程中,发料会使浮盘随液位降低而下降,罐壁及支柱等附件会有介质残留而产生工作损耗,即挂壁损耗。挂壁损耗与表面锈蚀程度、液体粘度、密封类型和罐壁材质有关,王永强等【5】的研究表明,罐壁的粘油量随罐壁表面锈蚀程度的增加而增加,随着液体粘度和密度的增大而增大,边缘密封性能越好,挂壁损失越小,而罐壁材质对挂壁损失的影响不大。即挂壁损失影响的显著性由大到小依次为表面锈蚀程度、液体粘度、密封类型、罐壁材质。

浮顶罐的挂壁损耗LWD由式(7)进行估算:

式中:Q——年周转量,bbl/a;

Cs——罐体油垢因子,考虑边缘密封贴合程度等因素,取为0.15;

WL——有机液体密度,lb/gal;

NC——固定顶支撑柱数量,自支撑固定浮顶取0;

FC——有效柱直径,ft,取1.0ft。

由式(7)计算可得:LWD＝3.181t/a。

注:1bbl/a＝0.137t/a,1lb/gal＝0.1185g/m3。

2.3 浮盘附件损耗

铝浮筒浮盘的附件一般有1个人孔、1个量油管、1个雷达液位计导波管、8个边缘通气孔、3个真空阀、1个量油柱/导向柱,此外,还有导向钢丝绳、自动通气阀等附件。这些附件密封结构多数存在缺陷,如储罐量油柱外侧密封不严(见图4)、人孔密封不严(见图5),油气就会通过有缺陷的密封部位,挥发到浮盘上方,产生浮盘附件损耗。

图4 量油管柱外侧密封缺陷

图5 人孔密封缺陷

浮盘附件损耗LF由式(8)估算得出:

式中:FF——总浮盘附件损耗因子,lb-mol/a。

FF可由式(9)计算得到:

式中:NFi——特定规格的浮盘附件数,无量纲,

其中,i＝1,2,…,n;

KFi——特定规格的附件损耗因子,lb-mol/a,其中,i＝1,2,…,n。

计算时,查表选择各附件的最大损耗系数。该浮盘人孔数量为1个,系数选为36;量油管和雷达液位计导波管各1个,系数选为12;真空阀3个,系数选为7.8;支腿90个,系数选为7.9。

将上述各系数代入式(9),最终计算得到浮盘附件损耗LF＝4.492t/a。

2.4 盘缝损耗

由于浮筒式浮盘为非全接液浮盘,浮筒本体只有约1/3～1/2的体积浸没在液面之下,且仅能覆盖15%左右的挥发面积,浮筒无法覆盖部位在蒙皮板下方形成油气空间。由螺栓或铆钉固定的蒙皮板之间都存在缝隙,导致油气从接缝处挥发至浮盘上方,产生盘缝损耗(见图6)。

图6 浮筒式浮盘接触面积示意

盘缝损耗可用式(10)进行估算:

式中:KD——盘缝损耗单位缝长因子,lb-mol/(ft·a),对于螺栓连接的浮盘,取0.14;

SD——盘缝长度因子,ft/ft2,查表取为4.8ft/ft2。

最终计算得出:盘缝损耗LD＝33.334t/a。

4类损耗估算结果汇总如表1所示。

表1 浮盘损耗量及效益损失汇总

从表1可以看出:对于浮筒式浮盘,4类损耗由大到小依次为盘缝损耗、边缘密封损耗、浮盘附件损耗、挂壁损耗;全部损耗约45.682t/a,汽油价格按5500元/t计算,年损失费用约25.124万元。

3.1 针对盘缝损耗的改进措施

从估算数据来看,盘缝损耗数值最大,占总挥发量的72.97%,是浮筒式浮盘密封性差的最主要原因,因此在不改变浮盘形式的前提下,对盘缝进行密封是重中之重。除加强施工过程管控的常规措施(铝皮中间增加密封垫、保持蒙皮板平整、缩小铆钉间距等)外,还应在上表面压条外增加无纺布、涂刷专用密封胶进行盘缝加强密封(见图7)。施工时,一般先在盘缝处涂刷专用密封胶,再铺设无纺布,待胶固化后,在无纺布上表面再涂刷一层专用密封胶。

图7 盘缝加强密封

3.2 针对边缘密封损耗和挂壁损耗的改进措施

由估算数据可知,边缘密封损耗和挂壁损耗合计占比17.2%,而浮盘在上下浮动过程中,中心会发生偏移,加之储罐罐壁变形、罐壁搭接焊接等情况的存在,边缘密封损耗和挂壁损耗会更大。前文提到,挂壁损耗除与储存介质特性、罐壁腐蚀程度相关之外,也受到边缘密封的影响。因此在储罐存储介质固定的前提下,可采取降低罐壁内锈蚀程度(如涂刷防腐涂层)、选用补偿性能好的密封形式【6】、增强刮油效果等方式降低损耗。图8所示为目前比较流行的边缘高效密封,一般称为大补偿高效密封或高效弹片式密封。这种密封具有使用寿命长、补偿范围大等优点。随着浮盘上下浮动,浮盘中心会偏离储罐中心轴,受压的弹片在储罐半径R方向上的变形量x可达到－100mm(负号表示弹片受压缩),对称方向的弹片(相对于浮盘中心点)变形量为3x,最大可达＋300mm。本次浮盘改造,受浮筒式浮盘强度及浮力的影响,未对密封部位进行改造,仍延用囊式密封加舌形密封。

图8 边缘高效密封

3.3 针对浮盘附件的改进措施

由估算数据可知,浮盘附件损耗占比9.83%。浮盘附件类型较多,减少附件损耗可从两方面采取措施,一是减少附件数量,如可使用无缆雷达液位计配套单法兰液位计显示储罐液位,替代有缆雷达液位计,这样改造之后,可取消雷达液位计导波管;二是加强密封,如使用螺栓及垫片进行人孔密封(见图9)、制作小浮子对带孔量油导管内部进行封堵(见图10)、对量油导管外部密封进行加强改造(见图11和图12),改造后,不仅可增强密封性能,同时也可减少量油管和雷达液位计导波管等附件的挂壁损耗。

图9 螺栓、垫片密封的人孔

图10 量油导管封堵装置

图11 量油导管加强密封上表面

图12 量油导管加强密封下表面

本次安装的铝浮筒浮盘,仍采用囊式密封加舌形密封,只对盘缝、浮盘附件进行了密封加强改造。该罐投用后,于2021年12月8日进行了检测,检测时环境温度－1℃,储罐为付油状态,液位11.21m,介质温度18℃。使用红外热像仪进行扫描检测,没有发现罐壁通气口和罐顶排放口有气体呼出。使用便携式FID检测仪检测各项指标,结果显示,气相空间采样口数值为1144 mg/L,量油导管数值为1554mg/L,罐顶通气孔数值为1 081 mg/L,满足VOCs检测浓度＜2000μmol/mol的要求。由此可判定,本次检测结果为合格。上述数据证明,本次针对浮筒式浮盘的改进措施有效。

综上所述,传统的浮筒式浮盘,因其固有的结构形式,浮盘及密封的效果欠佳,已不能满足日益严格的环保要求。本文依据环境保护部办公厅印发的《石化行业VOCs污染源排查工作指南》及相关附件,估算出浮盘各部位的泄漏损失,可为解决浮盘泄漏问题提供参考。具体结论如下:

1)浮筒式浮盘4类损耗由大到小依次为盘缝损耗、边缘密封损耗、浮盘附件损耗、挂壁损耗,其中盘缝损耗数值最大。

2)通过加强密封,可有效改善浮筒浮盘泄漏状况,降低浮盘损耗。

3)加强密封后,浮盘损耗会降低,但浮筒式浮盘整体刚度不足、耐工艺介质冲击能力较差的特性不会改善。

4)囊式密封的密封效果欠佳,使用寿命较短,不建议采用。若改用补偿性能更好的密封,需对浮盘进行设计核算,并依据结果,对浮盘进行改造或更换浮盘。

5)随着浮盘使用时间的增加,加强密封的浮筒式浮盘的密封效果会变差,若想从源头上治理储罐的VOCs,建议选用全接液浮盘,配套使用高效弹片式密封。

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