液化油氣田鐵路罐車充氮置換方案研究

液化油氣田鐵路罐車充氮置換方案研究

液化石油氣是一種可燃性氣體。與空氣相比，氣壓的比例為1.5.20，空氣爆炸的極限為2.2%9.5%。因此,在新制造(或檢修后)的液化石油氣儲罐、鐵路罐車和汽車罐車首次充裝液化石油氣之前,必須對罐內(nèi)空氣進行置換,以防止發(fā)生爆燃事故。《液化氣體汽車罐車安全監(jiān)察規(guī)程》(94版,以下簡稱《規(guī)程》)第50條第6款規(guī)定:“新制造的汽車罐車或檢修后首次充裝的汽車罐車,充裝易燃、易爆介質(zhì)前必須經(jīng)抽真空處理,或充氮置換處理,要求真空度不得低于650mmHg(86.6kPa),或罐內(nèi)氣體氧含量不得大于3%”;第50條第12款的規(guī)定:卸氣后的儲罐內(nèi)應(yīng)保持“余壓不低于0.1MPa”,防止空氣進入儲罐內(nèi)。由于對大、中型液化石油氣儲罐、鐵路罐車和汽車罐車進行抽真空需要排量較大的真空設(shè)備,一次性投資大,運行費用高。因此,在實際操作中,一般采用3種方式進行罐內(nèi)空氣置換:1)先抽真空后充氮;2)不抽真空,直接充氮;3)不抽真空,邊充邊排。根據(jù)上述情況,本文以容積為62m3液化石油氣鐵路罐車為例,計算上述3種空氣置換的方式所需氮氣數(shù)量,得出該液化石油氣鐵路罐車最合適的空氣置換方式。1氮氣數(shù)量對充氮置換效果的影響國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定瓶裝工業(yè)用氮氣中的氧含量≤1.5%。但《規(guī)程》規(guī)定,充氮置換后罐內(nèi)氣體的氧含量≤3%,與工業(yè)用氮氣中的氧含量相差不大。所以,工業(yè)用氮氣中的氧含量對充氮置換效果有很大影響,液化石油氣儲罐空氣置換計算時不可忽略瓶裝氮氣中的氧氣。儲罐充氮置換計算需要使用波義耳-馬略特定律。該定律揭示的是一定質(zhì)量的理想氣體絕對壓力p、容積V和熱力學(xué)溫度T之間的關(guān)系,即pV/T=常數(shù)。在空氣置換計算中,熱力學(xué)溫度對計算結(jié)果影響不大,可忽略不計。以下分別計算62m3鐵路罐車3種充氮置換方式所需要的氮氣數(shù)量。因氮氣瓶與儲罐之間的壓力差很大,下列計算忽略了儲罐壓力對充氮置換的影響。1.1氮氣瓶內(nèi)氧含量的計算先將罐內(nèi)抽真空至絕對壓力0.04MPa(真空度-0.06MPa、氧含量21%)后,再進行充氮,使罐內(nèi)氣體氧含量≤3%,則式中:P1——充氮前罐內(nèi)空氣絕對壓力,MPa;V1——鐵路罐車容積,m3;O1——充氮前罐內(nèi)空氣中的氧含量,%;P2——氮氣瓶內(nèi)氮氣絕對壓力,MPa;V2——氮氣瓶容積,m3;02——氮氣瓶內(nèi)氮氣中的氧含量,%;N——充氮置換所需氮氣瓶數(shù),瓶。解得N>61.48瓶,取N=62瓶。充氮后,罐內(nèi)表壓力為:1.2充氮前罐內(nèi)空氣/氮氣瓶內(nèi)氮氣中的氧含量如果沒有真空設(shè)備,就不能抽真空,只能直接充氮置換。充氮之前,罐內(nèi)絕對壓力0.1MPa,氧含量21%;充氮后,罐內(nèi)氣體氧含量≤3.0%,則式中:P1——充氮前罐內(nèi)空氣絕對壓力,0.1MPa;V1——鐵路罐車容積,62m3;O1——充氮前罐內(nèi)空氣中的氧含量,21%;P2——氮氣瓶內(nèi)氮氣絕對壓力,12.1MPa;02——氮氣瓶內(nèi)氮氣中的氧含量,21%;解得N≥153.7瓶,取N=154瓶。充氮后,罐內(nèi)表壓力為:從上述計算可知,不抽真空、直接充氮置換要耗費大量氮氣。1.3安排罐內(nèi)氮氣最佳劑量的確定“不抽真空,邊充邊排”的過程為:向罐內(nèi)充氮一排氣至常壓一再向罐內(nèi)充氮一再排氣至常壓……,直至罐內(nèi)氣體氧含量≤3%。如果每次向罐內(nèi)充1瓶氮氣,則所需要的氮氣量最少,但氮氣充裝次數(shù)最多,工作量大。如果每次向罐內(nèi)充多瓶氮氣,則氮氣充裝次數(shù)減少,工作量小,但所需要的氮氣量增多。通過計算,可以得出最佳每次充裝瓶數(shù),使得充裝次數(shù)和總瓶數(shù)均可接受。雖然上述計算過程比較簡單,但計算量非常大,人工難以完成。筆者根據(jù)“邊充邊排”空氣置換過程,用VisualFoxPro編制了一個任意容積罐車最佳每次充裝瓶數(shù)計算程序,如圖1所示。62m3罐車“邊充邊排”空氣置換所需氮氣數(shù)量計算結(jié)果如圖2所示。圖2計算結(jié)果顯示,如果每次充裝5瓶氮氣,則充裝次數(shù)為8次,所需氮氣數(shù)量為40瓶,可以達到既省力又經(jīng)濟的目的。2進行充氮置換綜上所述,如果沒有真空設(shè)備,可采用“邊充邊排”的方法對新制造(或檢修后)的液化石油氣儲罐、鐵路罐車和汽車罐車進行充氮置換處理,使罐內(nèi)氣體氧含量不大于3%。在實際操作中,由于受氮氣瓶的氮氣壓力、氮氣中的氧含量等因素的影響,儲罐充氮置換實際所需氮氣數(shù)量與