CN110406831A - 一种储罐气相平衡***用的复合式液封阻爆器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种储罐气相用的液封阻火器，尤其涉及的是一种具备气相平衡、主动式阻爆、被动式阻爆、自动泄压功能于一体的复合式液封阻爆器。通过在其罐体内部的排气管、返气管(圆罩)、大气管下端设置不同高度的液封层，实现自适应气相平衡、真空保护和泄压的功能；通过在其罐体内部设置的两个带凹槽阀盘，利用***冲击波为动力实现被动式阻爆之功能；通过储罐气相管道上火焰探测器、进液管道上快开阀、罐体内部喷头的连锁设置，实现主动式阻爆之功能；复合式液封阻爆器低阻力降的特性尤其适用于常压储罐气相平衡***，能够提供全面的爆燃、稳定和不稳定爆轰防护，具备抗持续燃烧性。
Description
技术领域
本发明涉及一种储罐气相用的液封阻火器，尤其涉及的是一种具备气相平衡、主动式阻爆、被动式阻爆、自动泄压功能于一体的复合式液封阻爆器。
背景技术
《挥发性有机物无组织排放控制标准》(GB37822-2019)明文规定储存挥发性有机液体的固定顶罐应采用气相平衡***。储罐气相平衡***能有效减少储罐挥发性有机物(VOCs)排放量，利于将储罐VOCs集中回收治理。当罐区内的储罐通过气相排气管道连成一个整体后，其安全防控重点是防止罐区的储罐群燃群爆重大事故发生。中国石油化工集团公司***局于2018年发布实施了《石油化工企业储运罐区罐顶油气连通安全技术要求(试行)》[中国石化安技(2018)33号]，该文是目前对储罐气相平衡***安全技术要求最齐全的，明确要求各储罐罐顶气相支线均应设置管道爆轰型阻火器，重点要求管道稳态爆轰型阻火器的安装应避开非稳态爆轰位置。实际情况是非稳态爆轰位置受管网布置、点火源分布、***气体组分、***特性等众多因素影响，不经过试验评估几乎无法确定安装位置。稳态爆轰型阻火器的构建标准低于非稳态爆轰型阻火器，全球大部分地区只认可非稳态爆轰型阻火器，例如《美国海岸警卫队标准》规定只允许使用在稳定和非稳定爆轰下都证实可靠的非稳态爆轰型阻火器。由于非稳态爆轰型阻火器昂贵的价格造成其无法广泛地应用，目前，国内储罐气相连通支线管道上安装的阻火器都是稳态爆轰型阻火器，无法阻止非稳态爆轰，存在着安全隐患。
常压(微内压)储罐设计压力多为-500Pa～+2000Pa，再加上各安全附件设置压力不重叠，因此导致储罐气相平衡***工作压力低且气相平衡压力区间较窄。管道阻火器压降过大，会使得储罐气相平衡***无法运行，因此，中国石化安技(2018)33号文中明确要求各储罐罐顶气相连通线上的管道阻火器压降不应大于300Pa。
液封阻火器以液体作为阻火介质，目前广泛使用的安全水封，以水作为阻火介质，用以防止外部火焰窜入或阻止火焰在有着火***危险的设备和管道之间扩展。敞开式安全水封适用于压力较低的可燃气体***，主要由罐体、进气管、出气管和大气管组成，进气管***水面深度比大气管***水面深度要深，正常工作时，可燃气体通过进气管下端水层逸出至罐体内，再从罐体上部的出气管流出，此时大气管内的封闭水柱与罐内气体压力平衡；出气侧发生火灾时，由于进气管***液面较深，火焰及压力波产生的汽水混合物首先通过安装位置较低的大气管泄放到大气中，进气管内的水柱受压上升阻断火焰进入罐体的进气侧。敞开式安全水封由于进气管***水层深度有限，只能防范有限的爆燃火灾情况，一旦发生稳定爆轰或非稳定爆轰火灾时，管道内着火燃烧混合物体积急剧膨胀导致其前方的未燃混合物被预先压缩，火焰锋随着燃烧率的升高而加快形成高压冲击波，该冲击波靠近火焰锋前方通过水封时会形成气柱，从而导致敞开式安全水封失去阻火性。
发明内容
本发明的目的是提供一种具备气相平衡、抗稳定和非稳定爆轰、低阻力降、低造价的复合式液封阻爆器。
本发明采取的技术方案具体如下。
一种储罐气相平衡***用的复合式液封阻爆器，包括罐体、水平隔板、溢流板、排气管、进气管、出气管、大气管、进液管、出液管、第一阀盘、返气管、圆罩、第二阀盘；罐体中部的水平隔板将罐体分割为上下两个独立的空间，上部空间有进气管、大气管、进液管、圆罩，下部空间有溢流板、出气管、出液管；垂直通过水平隔板的排气管、返气管将上下两个独立空间连通；进气管与排气管的管中心垂直相对且间隔设置，第一阀盘位于进气管和排气管之间，且第一阀盘被装配为：常态下，第一阀盘位于进气管和排气管之间并与两者间隔设置，当第一阀盘任意一侧受外力冲击时其能够向冲击方向移动并封堵在其移动方向上的进气管或排气管上；返气管上端高出大气管管顶，返气管上部套有圆罩；返气管下端与出气管的管中心垂直相对且间隔设置，第二阀盘位于返气管和出气管之间，且第二阀盘被装配为：常态下，第二阀盘位于返气管和出气管之间并与两者间隔设置，当第二阀盘任意一侧受外力冲击时其能够向冲击方向移动并封堵在其移动方向上的返气管或出气管上；所述溢流板上端高于排气管的下端；圆罩套在返气管上部外，圆罩下端低于排气管上端；大气管下端低于圆罩下端
所述罐体上部空间内设有第一喷头和第二喷头，所述第一喷头安装在圆罩内，所述第一喷头和第二喷头与进液管连通且管路上设有第一快开阀，所述第一快开阀为常闭阀；所述出液管上设有第二快开阀，所述第二快开阀为常开阀，所述第一快开阀和第二快开阀与控制器相连；所述第一火焰探测器安装在外部进气管道上，所述第二火焰探测器安装在外部出气管道上，所述第一火焰探测器和第二火焰探测器均与控制器相连，当第一火焰探测器或第二火焰探测器检测到火灾信号时，控制器控制第一快开阀开启并控制第二快开阀关闭。
所述进气管与排气管之间设有第一导向杆和第一定位弹簧，第一导向杆沿竖直方向固定在进气管与排气管之间，所述第一阀盘套设在第一导向杆上并沿第一导向杆滑动设置，所述第一定位弹簧支撑在第一阀盘的下端。
所述第一阀盘的上下两侧分别设有与进气管和排气管管口相匹配的凹槽。
所述返气管与出气管之间设有第二导向杆和第二定位弹簧，第二导向杆沿竖直方向固定在返气管与出气管之间，所述第二阀盘套设在第二导向杆上并沿第二导向杆滑动设置，所述第二定位弹簧支撑在第二阀盘的下端。
所述第二阀盘的上下两侧分别设有与返气管和出气管管口相匹配的凹槽。
所述下部空间内竖直设置有一溢流板，所述出液管和排气管分别位于溢流板的两侧，所述出液管位于下部空间的底部。
排气管下端低于溢流板上端的部分所形成液封层A的压力小于储罐呼吸阀呼出开启压力值。
圆罩下端低于排气管上端的部分所形成液封层B的压力小于储罐呼吸阀吸入开启压力的绝对值。
大气管下端低于排气管上端的部分所形成液封层C的压力小于储罐设计压力负压值的绝对值。
本发明取得的技术效果为：
1、本发明集气相平衡、主动阻爆、被动阻爆、自动泄压功能于一体，其低阻力降的特性尤其适用于常压储罐气相平衡***，能够提供全面的爆燃、稳定和不稳定爆轰防护，抗持续燃烧性能优良；
2、本发明通过内置的两个不同高度液层实现气相连通储罐之间的油气平衡，减少储罐呼吸阀开启次数，从而大幅度降低了储罐VOCs排放量和空气吸入量；其大气管管底液层设置即能在火灾情况下自动泄压，还能防止储罐真空度突破设计值，增加了储罐安全性能保障；
3、本发明设置火焰探测器与快开阀联动的主动阻爆装置，可以在火灾发生第一时间自动加注阻火液提高其阻爆灭火性能和抗持续燃烧性能，阻隔火焰沿储罐气相排气管蔓延到其它储罐；将储罐气相连通***上的每台复合式液封阻爆器主动阻爆装置进行集中连锁控制，一台储罐发生火灾，其它相关储罐的复合式液封阻爆器主动阻爆装置都开启加注阻火液，利用阻火液切断储罐气相连通***，大幅提高整个罐组安全防护性能；
4、本发明被动阻爆装置是由进出气管口处的阀盘和定位弹簧组成，本发明将***冲击波定向垂直冲击上下均有凹槽的阀盘，利用凹槽聚能作用迅速封闭住复合式液封阻爆器的进出气管口，同时在阀盘和定位弹簧共同作用下将冲击波整体逆流减震衰减，阻火液吸收火焰热量汽化熄灭火焰并通过大气管泄压。其具备的冲击波减震衰减、灭火和泄压综合性能是现有被动阻爆装置所没有的；
5、复合式液封阻爆器特有的液体密封与机械密封组合的无间隙性，能有效防止气体和火焰的传播；
6、本发明主动阻爆装置和被动阻爆装置在正常工况下是不动作的，对管道内气体流动的阻力几乎为零；储罐气相平衡***用的液封层作用是封存稳定储罐气相压力，功能相当于储罐呼吸阀；排气管和返气管长度相当于储罐气相平衡***管道当量长度微乎其微，其低阻力降特性远超工业阻火器。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中：箭头表示介质流向；粗实线表示设备和管道；虚线表示仪表信号线。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行具体说明。应当理解，以下文字仅仅用以描述本发明的一种或几种具体的实施方式，并不对本发明具体请求的保护范围进行严格限定。
常压(微内压)储罐大都按照规范标准设置了呼吸阀，用于维持常压储罐在设计压力值(-500Pa～+2000Pa)内安全运行。储罐气相平衡***主要目的是利用储罐内部油气实现储罐之间的气相平衡，减少呼吸阀开启次数，降低储罐VOCs排放量或空气吸入量，因此储罐气相平衡***气相压力平衡范围需要控制在呼吸阀开启压力范围内。本实施例以配置有《石油储罐附件》SY/T0511.1标准中D级呼吸阀(吸入空气开启压力-295Pa、呼出油气开启压力+1375Pa)的常压储罐为例说明，SY/T0511.1标准中规定呼吸阀设定开启压力与呼吸阀回座关闭压力有15％压差值，因此储罐气相平衡***气相压力平衡范围宜与呼吸阀设定开启压力有20％压差值，即在-236Pa～+1100Pa压力范围内利用常压储罐油气进行储罐间的气相平衡。
一种储罐气相平衡***用的复合式液封阻爆器由罐体1、水平隔板2、排气管3、溢流板4、进气管5、出气管6、大气管7、进液管8、出液管9、第一导向杆10、第一阀盘11、第一定位弹簧12、返气管13、泡罩14、第二导向杆15、第二阀盘16、第二定位弹簧17、第一喷头18、第二喷头19、第一火焰探测器20、第二火焰探测器21、控制器22、第一快开阀23、第二快开阀24构成。罐体1中部的水平隔板2将罐体1分割为上下两个独立的空间，上部空间有进气管5、大气管7、进液管8、泡罩14、第一喷头18、第二喷头19，下部空间有溢流板4、出气管6、出液管9，溢流板4垂直安装在罐体1底板上；垂直通过水平隔板2的排气管3、返气管13将上下两个独立空间连通；进气管5与排气管3的管中心垂直相对，两管之间设有垂直固定的第一导向杆10，第一导向杆10套有第一阀盘11、第一定位弹簧12，第一定位弹簧12位于第一阀盘11下方用于支撑第一阀盘11位于进气管5与排气管3之间，第一阀盘11上下均设有凹槽。返气管13上端高出大气管7管顶，返气管13上部套有圆罩14，圆罩14内设有第一喷头18；返气管13下端与出气管6的管中心垂直相对，两管之间设有垂直固定的第二导向杆15，第二导向杆15套有第二阀盘16、第二定位弹簧17，第二定位弹簧17位于第二阀盘16下方用于支撑第二阀盘16位于返气管13与出气管6之间，第二阀盘16上下均设有凹槽。与进气管5相连的进气管道上安装有第一火焰探测器20，与出气管6相连的出气管道上安装有第二火焰探测器21，安装在罐体1顶板上的第一喷头18、第二喷头19分别有管道与阻火液进液管道相连，其连接管道上安装有第一快开阀23，与出液管9相连的出液管道上安装有第二快开阀24；第一火焰探测器20和第二火焰探测器21的仪表信号进控制器22，控制器22输出信号分别与第一快开阀23、第二快开阀24相连。
正常工作状态下，阻火液自进液管8进入罐体1上部空间，阻火液上涨至排气管3上端处通过排气管3溢流至罐体1下部空间，再漫过溢流板4通过出液管9流出罐体1，阻火液在罐体1内形成上下两个高度稳定的液层。排气管3下端低于溢流板4上端，在排气管3下端处形成液封层A，液封层A的液层高度值设定为1100Pa；圆罩14套在返气管13上部外，圆罩14下端低于排气管3上端，在圆罩14下端处形成液封层B，液封层B的液层高度值设定为236Pa；大气管7下端低于排气管3上端，在大气管7下端处形成液封层C，液封层C的液层高度值设定为500Pa。常压储罐油气自进气管5进入罐体1上部空间，当罐体1上部空间油气压力值高于罐体1下部油气压力值1100Pa时，圆罩14和大气管7下端封存的液柱会因油气压力上升至压力平衡点处停止上升且封闭住油气，此时上部油气只能通过排气管3下端的液封层A进入罐体1下部空间，自出气管6排出罐体1。当罐体1下部油气压力值高于罐体1上部油气压力值236Pa时，罐体1下部油气通过返气管13聚集在圆罩14内，排气管3下端封存的液柱会因油气压力上升至压力平衡点处停止上升且封闭住下部油气，此时下部油气只能通过突破圆罩14下端的液封层B进入罐体1上部空间，自进气管5排出罐体1。当大气压力高于罐体1上部气相压力值500Pa时，空气通过大气管7下端的液封层C进入罐体1上部空间，并通过进气管5回流至常压储罐，防止常压储罐真空度突破设计值-500Pa。由上可知，正常工况下罐体1上下气相空间的油气可实现自平衡，从而保证罐体1两侧的常压储罐在-236Pa～+1100Pa压力差范围内利用罐内油气进行气相平衡，同时还能防止常压储罐真空度突破设计值-500Pa。
多个常压储罐气相连通时，每台常压储罐气相连通支管上都要配备各自的阻火器并尽量靠近储罐气相出口安装，阻火器须具备抗持续燃烧性能。常压储罐内部发生闪爆时，储罐气相管道内油气燃烧气体体积剧增并压缩前方未燃油气形成爆燃，火焰速度随着燃烧率的升高而加快由亚音速提速至音速，火焰锋与压力波相遇产生高压冲击波形成爆轰。
复合式液封阻爆器的主动阻爆装置工作流程如下：在其进气管道上安装有第一火焰探测器20，在其出气管道上安装有第二火焰探测器21，一旦探测到***冲击波，仪表信号传至控制器22并反馈信号控制第一快开阀23开启、第二快开阀24关闭，阻火液通过安装在罐体1顶板上的第一喷头18、第二喷头19喷出扑灭传播到罐体1内的火焰，罐体1内的阻火液液层快速上升并充满其下部出气管道，直至由大气管7溢出，彻底阻断火焰沿储罐气相排气管道蔓延到其它储罐，同时也能提高复合式液封阻爆器耐烧性能。如果将储罐气相连通***的上述每台复合式液封阻爆器主动阻爆装置进行集中连锁控制，一台储罐发生火灾，其它相关储罐的复合式液封阻爆器主动阻爆装置都开启加注阻火液，储罐气相连通***管道及时充满阻火液，可大幅提高整个罐组防火防爆性能。
复合式液封阻爆器的被动阻爆装置工作流程如下：当复合式液封阻爆器进气侧发生火灾时，火焰和冲击波自进气管5进入罐体1内，首先垂直冲击第一阀盘11，第一阀盘11沿第一导向杆10垂直向下运动并压缩第一定位弹簧12，第一阀盘11下凹槽套在排气管3管口上封闭住排气管3，火焰锋与冲击波在第一阀盘11和第一定位弹簧12共同作用下整体逆流减震爆轰衰减为爆燃，火焰与冲击波强烈扰动阻火液层，阻火液吸收火焰热量汽化并最终熄灭火焰。罐体1上部空间压力陡增引起上层液面上升，大气管7安装位置最低，上层汽液混合物首先通过大气管7排入大气；一旦大气管7泄压不及时，余压会压迫圆罩14内的阻火液沿返气管13外壁上升，再经返气管13内壁垂直向下冲击第二阀盘16，第二阀盘16沿第二导向杆15垂直向下运动并压缩第二定位弹簧17，第二阀盘16下凹槽套在出气管6管口上堵塞住出气管6。当复合式液封阻爆器出气侧发生火灾时，火焰和冲击波自出气管6进入罐体1下部空间内，首先垂直冲击第二阀盘16，第二阀盘16脱离第二定位弹簧17沿第二导向杆15垂直向上运动，第二阀盘16上凹槽套在返气管13管口上封闭住返气管13，火焰锋与冲击波在第二阀盘16作用下整体逆流减震爆轰衰减，同时下层汽液混合物沿着排气管3向上涌动垂直冲击第一阀盘11，第一阀盘11沿第一导向杆10垂直向上运动其上凹槽套在进气管5管口上封闭住进气管5，燃烧油气的热量引起阻火液汽化吸收其热量最终火焰熄灭，汽液混合物通过大气管7泄放至大气。
综上所述，本发明的主动阻爆装置是一种监控式阻爆灭火装置，不占据储罐气相排气管道气体流通面积，在正常工况下是不动作的，对管道内气体流动的阻力几乎为零。被动阻爆装置构成件(导向杆、阀盘和定位弹簧)安装在罐体扩大空间内，不减少气体流通面积，是利用***冲击波动能运行的，在储罐气相排气管道气体低速流动工况下是不动作的，对气体流动的阻力微乎其微。复合式液封阻爆器内部用于气相平衡的排气管和返气管长度相当于储罐气相平衡***管道当量长度很小，产生的阻力降仅为帕级。本发明复合式液封阻爆器特有的液体密封与机械密封组合的无间隙性，能有效防止气体和火焰的传播，其低阻力降特性、灭火阻爆、自动泄压综合功能远超现有的阻火器。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本发明中未具体描述和解释说明的结构、装置以及操作方法，如无特别说明和限定，均按照本领域的常规手段进行实施。
Claims (10)
1.一种储罐气相平衡***用的复合式液封阻爆器，其特征在于：包括罐体(1)、水平隔板(2)、排气管(3)、溢流板(4)、进气管(5)、出气管(6)、大气管(7)、进液管(8)、出液管(9)、第一阀盘(11)、返气管(13)、圆罩(14)、第二阀盘(16)；罐体(1)中部的水平隔板(2)将罐体(1)分割为上下两个独立的空间，上部空间有进气管(5)、大气管(7)、进液管(8)、圆罩(14)，下部空间有溢流板(4)、出气管(6)、出液管(9)；垂直通过水平隔板(2)的排气管(3)、返气管(13)将上下两个独立空间连通；进气管(5)与排气管(3)的管中心垂直相对且间隔设置，第一阀盘(11)位于进气管(5)和排气管(3)之间，且第一阀盘(11)被装配为：常态下，第一阀盘(11)位于进气管(5)和排气管(3)之间并与两者间隔设置，当第一阀盘(11)任意一侧受外力冲击时其能够向冲击方向移动并封堵在其移动方向上的进气管(5)或排气管(3)上；返气管(13)上端高出大气管(7)管顶，返气管(13)上部套有圆罩(14)；返气管(13)下端与出气管(6)的管中心垂直相对且间隔设置，第二阀盘(16)位于返气管(13)和出气管(6)之间，且第二阀盘(16)被装配为：常态下，第二阀盘(16)位于返气管(13)和出气管(6)之间并与两者间隔设置，当第二阀盘(16)任意一侧受外力冲击时其能够向冲击方向移动并封堵在其移动方向上的返气管(13)或出气管(6)上；所述溢流板(4)上端高于排气管(3)的下端；圆罩(14)套在返气管(13)上部外，圆罩(14)下端低于排气管(3)上端；大气管(7)下端低于圆罩(14)下端。
2.根据权利要求1所述的储罐气相平衡***用的复合式液封阻爆器，其特征在于：所述罐体(1)上部空间内设有第一喷头(18)和第二喷头(19)，所述第一喷头(18)安装在圆罩(14)内，所述第一喷头(18)和第二喷头(19)与进液管(8)连通且管路上设有第一快开阀(23)，所述第一快开阀(23)为常闭阀；所述出液管(9)上设有第二快开阀(24)，所述第二快开阀(24)为常开阀，所述第一快开阀(23)和第二快开阀(24)与控制器(22)相连；所述第一火焰探测器(20)安装在外部进气管道上，所述第二火焰探测器(21)安装在外部出气管道上，所述第一火焰探测器(20)和第二火焰探测器(21)均与控制器(22)相连，当第一火焰探测器(20)或第二火焰探测器(21)检测到火灾信号时，控制器(22)控制第一快开阀(23)开启并控制第二快开阀(24)关闭。
3.根据权利要求1所述的储罐气相平衡***用的复合式液封阻爆器，其特征在于：所述进气管(5)与排气管(3)之间设有第一导向杆(10)和第一定位弹簧(12)，第一导向杆(10)沿竖直方向固定在进气管(5)与排气管(3)之间，所述第一阀盘(11)套设在第一导向杆(10)上并沿第一导向杆(10)滑动设置，所述第一定位弹簧(12)支撑在第一阀盘(11)的下端。
4.根据权利要求1所述的储罐气相平衡***用的复合式液封阻爆器，其特征在于：所述第一阀盘(11)的上下两侧分别设有与进气管(5)和排气管(3)管口相匹配的凹槽。
5.根据权利要求1所述的储罐气相平衡***用的复合式液封阻爆器，其特征在于：所述返气管(13)与出气管(6)之间设有第二导向杆(15)和第二定位弹簧(17)，第二导向杆(15)沿竖直方向固定在返气管(13)与出气管(6)之间，所述第二阀盘(16)套设在第二导向杆(15)上并沿第二导向杆(15)滑动设置，所述第二定位弹簧(17)支撑在第二阀盘(16)的下端。
6.根据权利要求1所述的储罐气相平衡***用的复合式液封阻爆器，其特征在于：所述第二阀盘(16)的上下两侧分别设有与返气管(13)和出气管(6)管口相匹配的凹槽。
7.根据权利要求1所述的储罐气相平衡***用的复合式液封阻爆器，其特征在于：所述下部空间内竖直设置有一溢流板(4)，所述出液管(9)和排气管(3)分别位于溢流板(4)的两侧，所述出液管(9)位于下部空间的底部。
8.根据权利要求7所述的储罐气相平衡***用的复合式液封阻爆器，其特征在于：排气管(3)下端低于溢流板(4)上端的部分所形成液封层A的压力小于储罐呼吸阀呼出开启压力值。
9.根据权利要求1所述的储罐气相平衡***用的复合式液封阻爆器，其特征在于：圆罩(14)下端低于排气管(3)上端的部分所形成液封层B的压力小于储罐呼吸阀吸入开启压力的绝对值。
10.根据权利要求1所述的储罐气相平衡***用的复合式液封阻爆器，其特征在于：大气管(7)下端低于排气管(3)上端的部分所形成液封层C的压力小于储罐设计压力负压值的绝对值。
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