液化石油氣儲運容器罐體安全泄放量的計算

肖學文，張 強，周 森

（荊門宏圖特種飛行器制造有限公司，湖北荊門 448000）

液化石油氣（LPG）是在石油煉制過程中由多種低沸點氣體組成的混合物，目前已經廣泛應用到社會生產以及人們的生活中。LPG具有易燃、易爆、有毒等特性，其在儲運過程中存在火災風險、爆炸風險、充裝風險、人為風險等[1]。GB11174—2011《液化石油氣》[2]按液化石油氣的組成和揮發性分為三個品種：商品丙烷（要求高揮發性時使用）、商品丁烷（要求低揮發性時使用）、商品丙丁烷混合物（要求中等揮發性時使用）。安全閥是保證液化石油氣儲運容器罐體（包括移動式壓力容器罐體和固定式壓力容器罐體）穩定運行的安全措施之一，在進行安全閥選擇時，需要對罐體安全泄放量進行計算，在選擇國產安全閥時，對于固定式LPG儲罐罐體，可以按照GB150.1—2011《壓力容器 第1部分：通用要求》[3]的附錄B進行計算，對于移動式LPG罐車罐體，可以按照GB/T 19905—2017《液化氣體汽車罐車》[4]中B.2 條“按介質質量法計算罐體安全泄放量及安全閥排放能力的計算”；在選擇進口的國際品牌安全閥時，對于移動式LPG罐車罐體，可以按照GB/T 19905—2017《液化氣體汽車罐車》中B.3 條“按空氣體積法計算罐體安全泄放量及安全閥排放能力”進行計算，而對于固定式LPG儲罐，需要進行復雜的轉換計算才能進行選擇。在NFPA58—2011《液化石油氣導則》[5]中，對于液化石油氣儲運容器罐體的安全泄放量計算提出了簡潔明了的要求，本文對其進行推算研討，得出其與中國的相關標準要求基本是一致的，最后對選用進口安全閥時，提出了罐體安全泄放量計算的推薦方法。

1 國內三種罐體安全泄放量計算方法的比較

根據文獻[6]，對于置于地面上無絕熱層罐體的安全泄放量，GB/T 150.1中的計算公式（B.3）與ADR[7]中的計算公式是一致的，而GB/T 19905標準中 “按空氣體積計算罐體安全泄放量及安全閥排放能力”的計算公式（B.7）是從ADR中的計算公式推導而來的，其與ADR中的計算公式是一致的，GB/T 19905標準中“采用介質質量計算罐體安全泄放量及安全閥排放能力” 的計算公式（B.1）與GB/T 150.1中的計算公式（B.3）完全一致。故對于無絕熱層的液化石油氣儲運容器罐體，采用GB/T 19905中的（B.7）、（B.1）和GB/T 150.1中的（B.3）等三種罐體安全泄放量計算方法實質上是相同的，區別在于（B.7）計算出的罐體安全泄放量是在標準條件（0.1MPa，0℃）下，以每秒標準空氣的排放量表示的，單位為m3/s，（B.1）和（B.3）計算出的罐體安全泄放量是以每小時排出的介質質量表示的，其單位為kg/h。

2 NFPA58中罐體安全泄放量計算的介紹

在NFPA58—2011的附錄E中，對于地面以上無絕熱層容器（儲罐及罐車）罐體采用彈簧式安全閥時，其罐體安全泄放量按下列要求進行計算。

2.1 對于半球形封頭的圓筒形罐體

2.2 對于非半球形封頭的圓筒形罐體

2.3 對于球形容器

2.4 罐體的安全泄放量

其中Q的單位為CFM Air（立方英尺每分鐘，空氣排量），A的單位為FT2（平方英尺）。

3 NFPA58中罐體安全泄放量計算與國內三種計算方法基本等同的推導

1） 將公式（1）、（2）與GB/T 150.1附錄B進行比較，可以看出，公式（1）、（2）與GB/T 150.1附錄B的相應公式是一致的；

2） 在GB/T 150.1附錄B中，對于球形容器外面積的要求是：“球形容器Ar=1.57Do2或從地面起到7.5m高度以下所包含的外表面積，取兩者中的較大值”，可以看出公式（3）的值比GB/T 150.1附錄B的相應公式的值大，如果按照公式（3）進行計算，是偏安全的。

3） 采用GB/T 19905公式（B.7）推導出與公式（4）的一致性；

GB/T 19905公式（B.7）為

式中：

Qs為在標準條件（0.1MPa，0℃）下，罐體所需安全泄放裝置總的排放能力（以每秒標準空氣的最小排放量表示），單位為m3/s；

C為氣體特性系數，當K＞1時：

k為氣體絕熱指數；

M為氣體的摩爾質量，單位為kg/kmol；

T為額定排放壓力下飽和氣體絕對溫度，單位為K；

Z為額定排放壓力下飽和氣體的壓縮系數；

q為在泄放壓力下液化氣體的汽化潛熱，單位為kJ/kg；

F為系數，無絕熱層時，F=1.0，此處只考慮無絕熱層，故公式（5）變為；

在NFPA58表D.2.4.4 中，將地面以上無絕熱層容器罐體的最大允許工作壓力MAWP規定為：MAWP（丙烷）=250psig=1.72MPag，MAWP（丁烷）=125psig=0.86MPag。

當罐體裝載介質為丙烷時，

安全閥的排放壓力（絕壓）pd=1.2MAWP＋0.1=2.169（MPa）；k=1.125[8]，C=329.45，Z=0.69[3]，T=334.63K[9]，M=44.097[8]kg/kmol，q=252.95kJ/kg[10]。

將上述數據代入公式（6）得

公式（7）中Qs的單位為m3/s，Ar的單位為m2，為了便于與公式（4）進行比較，需要將（7）中Qs的單位轉換為立方英尺每分鐘（CFM），Ar的單位轉換為平方英尺（FT2）。

由于

由于1FT=0.304 8m，如需將Ar的單位由m2轉換為FT2，則需要將Ar乘以0.304 82，于是根據公式（7）可以推導出：

將公式（9）的系數與公式（4）的系數相比，得到53.44/53.632=0.9964。由此可以看出，公式（4）與公式（9）是基本一致的，即對于儲運丙烷的無絕熱層容器罐體，采用NFPA58附錄E計算得到的罐體安全泄放量與采用GB19905公式（B.7）計算得到的罐體安全泄放量是基本一致的。

當罐體裝載介質為丁烷時，

安全閥的排放壓力（絕壓）pd=1.2MAWP＋0.1=1.132（MPa）；k=1.09，C=325.65，Z=0.8，T=358.53K，M=58.124kg/kmol，q=281.44kJ/kg。

將上述數據代入公式（6）得

按上述方法將公式（10）進行轉換得到：

將公式（11）的系數與公式（4）的系數相比，得到47.19/53.632=0.88。由此可以看出，公式（11）的計算結果比公式（4）的計算結果小，即對于儲運丁烷的無絕熱層容器罐體，采用NFPA58附錄E計算得到的罐體安全泄放量是偏安全的。

綜上所述，NFPA58中對于地面以上無絕熱層容器罐體安全泄放量計算與國內三種計算方法基本等同。

4 當選用進口安全閥時，液化石油氣儲運容器罐體安全泄放量計算方法的推薦

1） 當選用進口安全閥時，安全閥排量單位一般標注的是立方英尺每分鐘空氣流量（SCFM Air）[11]。

2） 對于地面以上無絕熱層容器罐體，當儲運丙烷的罐體設計壓力為1.72MPa，儲運丁烷罐體設計壓力為0.86MPa時，可以按NFPA58附錄E 的公式，即本文公式（4）計算罐體的安全泄放量，罐體的外表面積可以分別按本文公式（1）、（2）、（3）進行計算，要注意此方法計算中，需采用英制單位，罐體的外表面積的單位為平方英尺，罐體安全泄放量的單位為平方英尺每分鐘空氣流量（SCFM Air）。

3） 對于地面以上無絕熱層容器罐體，當儲運丙烷的罐體設計壓力不是1.72MPa，儲運丁烷罐體設計壓力不是0.86MPa時，可以按GB/T 19905 的公式（B.7）計算罐體的安全排放量，要注意此方法計算中，采用公制單位，罐體的外表面積的單位為平方米，罐體安全泄放量的單位為m3/s，故需將計算結果乘以系數2 118.88，將單位由（m3/s）轉換為（SCFM Air）后，進行進口安全閥選型，對于球罐的外表面積，可以按公式（3）進行計算，計算結果相對于國內要求偏安全，滿足NFPA 58的要求。