Резервуары для хранения лёгковоспламеняющихся жидкостей (ЛВЖ) и горючих жидкостей (ГЖ) — одни из основных источников выбросов углеводородов на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях. Каждый резервуар «дышит»: при заполнении пары вытесняются в атмосферу (большие дыхания), при нагреве от солнца газовое пространство расширяется (малые дыхания). Вентиляция резервуаров — это система, обеспечивающая безопасную и экологичную эксплуатацию этих резервуаров.
Типы «дыханий» резервуара
Потери от испарения из резервуаров классифицируются по типу дыханий:
- Большие дыхания (filling loss) — вытеснение паровоздушной смеси при заполнении резервуара жидкостью. Объём вытесненного газа = объёму залитой жидкости. Состав — пары ЛВЖ + воздух. Это основной источник потерь (50–80% от всех потерь).
- Малые дыхания (breathing loss) — суточные колебания температуры газового пространства. Днём нагрев → расширение → вытеснение через дыхательный клапан. Ночью охлаждение → сжатие → подсос воздуха. Потери — 5–20% от всех.
- Огневые дыхания (boiling loss) — испарение при нагреве жидкости от внешнего источника тепла (солнце, подогрев). Незначительно для ЛВЖ, существенно для нагретых ГЖ.
- Работа насоса (working loss) — утечки через уплотнения насосов при откачке. Зависит от типа уплотнения.
Расчёт потерь от больших дыханий
Потери от одного большого дыхания (заполнения):
L_B = V_fill × P_vapour / P_atm × M / (R × T)
Где:
- L_B — масса вытесненных паров, кг
- V_fill — объём залитой жидкости, м³
- P_vapour — давление насыщенных паров жидкости при температуре хранения, Па
- P_atm — атмосферное давление, 101 325 Па
- M — молярная масса паров, г/моль
- R — газовая постоянная, 8.314 Дж/(моль·К)
- T — температура, К
Пример: заполнение 1 000 м³ бензина (P_нас = 30 кПа при 20°C, M = 72 г/моль):
L_B = 1 000 × 30 000 / 101 325 × 0.072 / (8.314 × 293) = 8.7 кг на одно заполнение.
При 100 заполнениях в год — 870 кг/год только от больших дыханий. Для резервуарного парка из 20 резервуаров — 17 400 кг/год (17.4 т/год).
Дыхательные клапаны (Pressure/Vacuum Valves)
Дыхательный клапан (ДСВ — дыхательный клапан смешанного действия) — устройство, поддерживающее давление в резервуаре в заданных пределах. При повышении давления (заполнение, нагрев) клапан открывается и стравливает паровоздушную смесь. При понижении (опорожнение, охлаждение) — открывает подсос воздуха.
Типы дыхательных клапанов
- Мембранные — мембрана (тефлоновая или EPDM) открывается при заданном перепаде давления. Быстрое срабатывание, низкая утечка в закрытом состоянии. Для резервуаров низкого давления (±500 Па).
- Тарельчатые (pilot-operated) — тарелка с грузом или пружиной. Высокая пропускная способность, надёжность. Для средних давлений (±2000 Па).
- Пилотные (pilot-operated) — управляются пилотным клапаном. Высокая точность, минимальная утечка. Для крупных резервуаров высокого давления.
Выбор давления срабатывания
Давление срабатывания дыхательного клапана определяется прочностью резервуара. Для типового вертикального цилиндрического резервуара (РВС):
- Избыточное давление (на стравливание): 2000 Па (200 мм вод. ст.)
- Разрежение (на подсос воздуха): 200–500 Па
Превышение давления срабатывания может привести к разрыву шва резервуара. Превышение разрежения — к вмятинам на крыше или стенке (implosion).
Огневые предохранители (Flame Arresters)
Дыхательный клапан должен быть оборудован огневым предохранителем — устройством, гасящим пламя при воспламенении выходящих паров. Огневой предохранитель — кассета из гофрированной металлической ленты, гасящая пламя за счёт отвода тепла. Устанавливается между клапаном и резервуаром.
Системы газоулавливания (Vapour Recovery)
Для снижения выбросов углеводородов применяются системы газоулавливания (VRP — Vapour Recovery Process), которые собирают пары из дыхательных клапанов и возвращают их в технологический процесс. Типы VRP:
1. Конденсация ( chilling )
Паровоздушная смесь охлаждается в теплообменнике до температуры -30...-40°C (холодильная машина). Пары конденсируются, жидкость собирается в сборнике. Воздух выбрасывается. Эффективность — 90–95% для ЛВЖ с температурой кипения <100°C. Применяется для бензина, толуола, ксилола. Затраты энергии — 50–100 кВт·ч/т уловленных паров.
2. Адсорбция (activated carbon)
Паровоздушная смесь пропускается через слой активированного угля. Пары адсорбируются углем, воздух выбрасывается. Периодически уголь регенерируется паром или вакуумом (десорбция паров обратно в технологический процесс). Эффективность — 95–99%. Применяется для всех ЛВЖ. Затраты — 20–50 кВт·ч/т.
3. Абсорбция (liquid absorption)
Паровоздушная смесь пропускается через скруббер с абсорбентом (бензин, керосин, растворитель). Пары поглощаются жидкостью. Эффективность — 80–90%. Простая конструкция, низкие затраты. Применяется на нефтеперерабатывающих заводах, где абсорбент — собственный продукт.
4. Мембранная сепарация
Паровоздушная смесь пропускается через мембрану, селективно пропускающую пары углеводородов. Пары собираются под мембраной, воздух — над. Эффективность — 90–95%. Компактная установка, низкое потребление энергии. Высокая стоимость мембраны.
5. Компрессия и конденсация
Паровоздушная смесь сжимается компрессором до 5–20 бар и охлаждается. Пары конденсируются при высокой температуре (более лёгкая конденсация). Эффективность — 95–99%. Высокие капитальные затраты (компрессор). Применяется при высоких концентрациях паров (нагнетаемые резервуары).
Схемы подключения VRP к резервуарам
Схема с общим коллектором
Дыхательные клапаны нескольких резервуаров подключены к общему коллектору, который ведёт на установку VRP. Преимущества — одна установка для группы резервуаров, низкие капитальные затраты. Недостатки — риск взаимного влияния резервуаров (давление в одном влияет на другие), необходимость огневых предохранителей на каждом отводе.
Схема с индивидуальными VRP
Каждый резервуар имеет собственную установку VRP (обычно адсорбционного типа). Преимущества — независимость резервуаров, простота управления. Недостатки — высокие капитальные затраты при большом количестве резервуаров.
Гибридная схема
Крупные резервуары подключены к общей VRP, малые — к индивидуальным. Оптимизация по экономике.
Экологические нормативы
В России и странах ЕАЭС выбросы от резервуаров регламентируются:
- Методика расчёта выбросов от резервуаров (утверждена Минприроды) — расчёт потерь от дыханий и нормативов ПДВ.
- НДТ (ИТС 22-2016 «Сокращение выбросов паров ЛУВ при хранении и перевалке») — наилучшие доступные технологии для резервуаров.
- ПДК в воздухе населённых мест — например, для бензина (в пересчёте на углерод) — 1.5 мг/м³ (среднесуточная).
Предприятия обязаны рассчитать выбросы от всех резервуаров, получить разрешение на выброс, и при превышении ПДВ — установить системы VRP. Для новых резервуаров установка VRP — обязательное требование при проектировании.
Безопасность резервуарной вентиляции
- Заземление — все металлические элементы резервуара и дыхательной системы заземлены, сопротивление <10 Ом.
- Огневые предохранители — на каждом дыхательном клапане, в каждом отводе к коллектору VRP.
- Контроль уровня — сигнализация максимального и минимального уровня жидкости.
- Контроль давления — датчик давления в газовом пространстве, сигнализация при отклонении.
- Газоанализаторы — на обваловании резервуара, для контроля утечек.
- Защита от молнии — молниеотводы, заземление.
Заключение
Вентиляция резервуарных парков — комплексная система, обеспечивающая безопасность и экологичность хранения ЛВЖ и ГЖ. Дыхательные клапаны с огневыми предохранителями — базовая защита, а системы газоулавливания (VRP) — современное решение для снижения выбросов углеводородов на 90–99%. Расчёт потерь, выбор типа VRP и схемы подключения определяются свойствами хранимых продуктов, климатическими условиями и экологическими нормативами. Внедрение VRP — не только выполнение нормативных требований, но и экономия продукта за счёт возврата паров в технологический цикл.