常壓、低壓儲(chǔ)罐通氣量的確定及呼吸閥口徑的計(jì)算

喻 炳

(上海爵格工業(yè)工程有限公司，上海 200082)

常壓、低壓儲(chǔ)罐在使用過程中經(jīng)常會(huì)由于儲(chǔ)罐液面的改變或者外界溫度的變化等原因，導(dǎo)致儲(chǔ)罐內(nèi)氣體膨脹或收縮，儲(chǔ)罐內(nèi)氣相的壓力也隨之波動(dòng)，使得儲(chǔ)罐出現(xiàn)超壓或真空的情況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成儲(chǔ)罐超壓鼓罐或低壓癟罐［1］。因此，通常采用在罐頂安裝呼吸閥的方式來維持儲(chǔ)罐氣壓內(nèi)、外平衡，在正常狀態(tài)下呼吸閥呈關(guān)閉狀態(tài)，隔絕儲(chǔ)罐與大氣，起到降低儲(chǔ)罐內(nèi)揮發(fā)性液體的蒸發(fā)損耗的作用。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)、外壓差超過一定范圍之后，呼吸閥開啟，進(jìn)行呼氣或吸氣。除了正常的呼吸量之外，當(dāng)儲(chǔ)罐發(fā)生緊急狀況時(shí)，必須具備一定的緊急泄放量，其確保儲(chǔ)罐內(nèi)壓力保持在一定范圍之內(nèi)，保護(hù)儲(chǔ)罐的安全。

目前國(guó)內(nèi)對(duì)常壓、低壓儲(chǔ)罐所需呼吸量基本上依據(jù)API Std 2000 －2014［2］來確定的，并且相比較 SY/T 0511［3］而言，前者計(jì)算呼吸閥口徑所需的參數(shù)也比較容易取得，因此本文主要是在API Std 2000－2014的基礎(chǔ)上對(duì)常壓、低壓儲(chǔ)罐的所需呼吸量和呼吸閥口徑的確定方法進(jìn)行了介紹。

1 導(dǎo)致儲(chǔ)罐超壓或真空的原因

導(dǎo)致儲(chǔ)罐超壓或真空的原因至少包括以下幾點(diǎn):

(1)儲(chǔ)罐物料的流出或流入，引起儲(chǔ)罐壓力的降低或升高;

(2)由于氣候變化(溫度或大氣壓)，引起儲(chǔ)罐壓力的升高或降低;

(3)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，儲(chǔ)罐受熱引起溫度急劇升高，管內(nèi)壓力也隨著急劇升高;

(4)由于設(shè)備故障或操作錯(cuò)誤，引起儲(chǔ)罐內(nèi)部壓力的升高或降低。

2 儲(chǔ)罐通氣量的確定

2.1 概述

通常，確定儲(chǔ)罐的所需通氣量應(yīng)考慮以下情況:

1)自儲(chǔ)罐的物料最大流出量而產(chǎn)生的吸入量。

2)最大氣體空間溫度降低引起氣體收縮或冷凝而產(chǎn)生的吸入量(熱呼吸)。

3)儲(chǔ)罐的物料最大流入量和此流量引起的最大汽化量而產(chǎn)生的呼出量。

4)最大氣體空間溫度升高引起的膨脹與汽化而產(chǎn)生的呼出量。

5)暴露于火源而產(chǎn)生的呼出量。其中，1～4條為儲(chǔ)罐正常通氣情況，第5條為緊急泄放狀況。

2.2 儲(chǔ)罐正常通氣量的確定

通常，儲(chǔ)罐正常通氣能力應(yīng)至少滿足輸送物料及熱效應(yīng)所需的通氣量總和。

2.2.1 物料輸送通氣量要求

呼出量:

其中式(1)為非揮發(fā)性物料(蒸氣壓小于或等于5kPa)的呼出量公式，式(2)為揮發(fā)性物料(蒸氣壓大于5kPa)的呼出量公式。也有很多標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)液體物料的閃點(diǎn)來選擇呼出時(shí)所需呼出量的參數(shù)，閃點(diǎn)值的選取有 40、45℃等［4－5］。

另外，當(dāng)注入物料的蒸氣壓力大于儲(chǔ)罐的操作壓力時(shí)，可能會(huì)發(fā)生閃蒸。如果發(fā)生閃蒸，所需的呼出量可能會(huì)是注入物料體積的很多倍此時(shí)應(yīng)進(jìn)行閃蒸計(jì)算，并相應(yīng)地增加排氣量。

2.2.2 熱效應(yīng)通氣量要求

熱效應(yīng)通氣量是指由于環(huán)境變化，儲(chǔ)罐與外界的熱交換引起儲(chǔ)罐頂部氣相空間的壓力變化，所需的儲(chǔ)罐通氣量。

呼出量:

式中Y因子取值方法為:維度低于42°，Y=0.32，維度在42 ～58°，Y=0.25，維度高于 58°，Y=0.2;

Vtk—儲(chǔ)罐體積;

Ri—隔熱系數(shù)，儲(chǔ)罐無隔熱措施取Ri=1，儲(chǔ)罐全部采用隔熱層的隔熱系數(shù)Rin按式(6)確定，儲(chǔ)罐采取了部分隔熱措施的隔熱系數(shù)Rinp按式(7)確定;

吸入量:

式中C—C因子，與蒸氣壓、儲(chǔ)罐平均溫度和維度相關(guān)，見表1;

Vtk—儲(chǔ)罐體積;

Ri—隔熱削減因子，儲(chǔ)罐無隔熱措施取Ri=1，采取完整隔熱措施，Ri=Rinp，按式(6)確定，采取了部分隔熱措施，Ri=Rin，按式(7)確定;隔熱系數(shù):

式中h—內(nèi)部傳熱系數(shù)，W/(m2·K);

lin—隔熱層厚度;

λin—隔熱材料導(dǎo)熱性，W/(m·K)。

ATTS—儲(chǔ)罐總的表面積，m2;

Ainp—隔熱層圍包儲(chǔ)罐表面積，m2。

表1 C因子

式(6)表示的是儲(chǔ)罐采用完全隔熱措施的隔熱系數(shù)公式，式(7)表示的是儲(chǔ)罐采用部分隔熱措施的隔熱系數(shù)公式。

式中A—儲(chǔ)罐總的表面積，m2;

Ac—未被外殼圍包的表面積，m2。

公式(8)為雙層儲(chǔ)罐的隔熱參數(shù)，把公式(4)、(5)中的Ri用Rc代替，就可以得到雙層結(jié)構(gòu)儲(chǔ)罐的所需通氣量。結(jié)合(1)～(7)式:

呼出量:

2.3 緊急通氣量的確定

緊急通氣量是指當(dāng)儲(chǔ)罐外壁受到火焰作用，罐體內(nèi)部溫度急升，蒸汽壓力也隨之急劇升高時(shí)，儲(chǔ)罐所需要的通氣量。儲(chǔ)罐內(nèi)液體吸收的熱量主要是通過暴露在火中的濕潤(rùn)表面來進(jìn)行的，只有極小部分熱量是通過非濕潤(rùn)表面及未暴露在火中的濕潤(rùn)表面吸收的，當(dāng)然，在泄放裝置開啟后還可能會(huì)產(chǎn)生少量輻射熱(幾乎可以忽略)［6］。

對(duì)具有弱連接結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)罐，本身就是一種特殊緊急排氣手段，因此API650［7］規(guī)定，對(duì)于弱連接結(jié)構(gòu)的儲(chǔ)罐，可以不設(shè)緊急排氣閥。

按API650規(guī)定，符合罐頂－罐壁的弱連接結(jié)構(gòu)的條件是，在罐壁外側(cè)用連續(xù)單面角焊縫把罐頂板焊接到包邊角鋼上，同時(shí)應(yīng)滿足:

1)角焊縫高度不超過4.76mm;

2)頂與包邊角鋼連接處的頂板坡度(tanθ)不大于1/16;

其中:A—罐頂與罐壁連接后組成的抗壓環(huán)的橫截面積，mm2;

W—罐壁和由罐壁及罐頂支撐的所有構(gòu)件(不包括頂板)的總重量，N。

在下列任一條件下均應(yīng)選用緊急泄放閥［8］:

1)盛裝閃點(diǎn)低于37.8℃的石油或石油產(chǎn)品的常壓儲(chǔ)罐，其介質(zhì)溫度有可能超此閃點(diǎn)。

2)儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)蒸汽的排放量大，不適合選用呼吸閥。

3)儲(chǔ)罐操作過程中有可能產(chǎn)生非正常內(nèi)壓。

緊急通氣量按公式(11)確定:

式中 Q—火災(zāi)傳入熱量，W，選取見表2;

F—環(huán)境因子，見表3;

L—罐內(nèi)儲(chǔ)存物料在泄放溫度和壓力下的汽化潛熱，焦耳/千克(J/kg);

T—泄放蒸汽的絕對(duì)溫度，K，通常假定泄放蒸汽的溫度與儲(chǔ)存液體在泄放壓力下的沸點(diǎn)溫度等同;

M—泄放蒸汽的相對(duì)分子質(zhì)量，kg/kmol。

表2 火災(zāi)傳入熱量Q

表3 環(huán)境因子F

表3 (續(xù))

算例:標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下(溫度為0℃、大氣壓為101.325kPa)，儲(chǔ)罐內(nèi)物料為正己烷(相對(duì)分子質(zhì)量為86.17，汽化潛熱為335000J/kg)，儲(chǔ)罐為無保溫措施的金屬儲(chǔ)罐(取隔熱系數(shù)F=1.0)，儲(chǔ)罐濕潤(rùn)面積ATWS為10m2(按Q=63150ATWS)，把所有參數(shù)代入公式(11)，得:

如果儲(chǔ)罐的濕潤(rùn)面積ATWS為300 m2，儲(chǔ)罐為保溫儲(chǔ)罐，導(dǎo)熱系數(shù)為5.7 W/(m2·K)，此時(shí)根據(jù)表2，火災(zāi)傳入熱量Q=43200ATWS，根據(jù)表 3，F(xiàn) 參數(shù)選取 0.75，并假定其它參數(shù)不變，待入公式(11)，得:

3 呼吸閥泄放口徑的計(jì)算

呼吸閥的通氣量分實(shí)際通氣量與理論通氣量，而兩者的比率就是排放系數(shù)，見公式(12)。呼吸閥生產(chǎn)廠家實(shí)測(cè)得到呼吸閥的實(shí)際通氣量，并與計(jì)算得到的理論通氣量比較得到K值，具體的測(cè)試方法在API Std 2000有比較詳細(xì)的介紹，把K值與呼吸閥出、入口絕對(duì)壓力比率的數(shù)據(jù)可以繪出最佳擬合曲線(K－po/pi)，在實(shí)際應(yīng)用中只要po/pi已知就可以從曲線中查的K值。

其中:qa—實(shí)際通氣量;

qth—理論通氣量，由式(13)確定。

呼吸閥的理論通氣量:

式中，Amin—呼吸閥的最小流通面積，cm2;

pi—裝置的泄放壓力，kPa;

po—裝置泄放側(cè)壓力，kPa;

k—介質(zhì)的絕熱指數(shù)，無量綱;

Ti—裝置的泄放溫度，K;

Zi—壓縮因子;

M—介質(zhì)相對(duì)分子質(zhì)量，kg/kmol。

公式(13)中，pi與po都是絕對(duì)壓力，qth為標(biāo)態(tài)下的流量，單位為Nm3/h。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，根據(jù)前面介紹的方法，得出儲(chǔ)罐所需的通氣量，把所需通氣量作為qa值，代入式(14)，并根據(jù)所選型號(hào)呼吸閥的K值，計(jì)算得出qth值。再根據(jù)式(15)求得Amin，根據(jù)式(16)求得呼吸閥的所需的最小泄放口徑，經(jīng)圓整后得到的就是儲(chǔ)罐所需呼吸閥的最小口徑。

其中為呼吸閥未圓整的最小直徑。當(dāng)設(shè)置一臺(tái)呼吸閥不能滿足儲(chǔ)罐的實(shí)際工況時(shí)，可以設(shè)置多個(gè)呼吸閥，呼吸閥對(duì)稱分布在儲(chǔ)罐的最高位置［9］。

當(dāng)呼吸閥與阻火器串聯(lián)使用時(shí)，需要考慮阻火器的壓力降。阻火器內(nèi)裝有致密的阻火芯，油罐進(jìn)行呼吸，它會(huì)對(duì)通過的氣流產(chǎn)生一定的壓降。這雖然不會(huì)影響呼吸閥的開啟壓力，卻對(duì)呼吸閥的通氣量有很大影響。并且流通速度越大，壓力降也越大，也就是說，流通量越大，阻火器產(chǎn)生的壓力降也越大［10］。

4 結(jié)語

本文主要介紹了常壓儲(chǔ)罐在正常通氣量和火災(zāi)緊急泄放量的確定方法，介紹了呼吸閥最小泄放口徑的計(jì)算方法，需要注意的是在進(jìn)行呼吸閥最小泄放口徑的計(jì)算時(shí)，儲(chǔ)罐通氣量應(yīng)是標(biāo)況下的流量。呼吸閥的排放系數(shù)應(yīng)由呼吸閥的廠家提供的K－po/pi曲線查。而在計(jì)算呼吸閥口徑時(shí)，應(yīng)該注意公式的適用范圍。