空氣儲罐安全閥排放能力淺析

李隆駿 洪君華 郭黎群 古朋贊

（1.臺州市特種設備檢驗檢測研究院 臺州 318000）

（2.浙江臨東壓力容器制造有限公司 臨海 317015)

隨著空壓機成為工業現代化的基礎產品之后[1],空壓機的附屬設備——壓縮空氣儲罐（以下簡稱儲氣罐）行業也得到了發展,涌現出許多專業生產儲氣罐的廠家。目前各個廠家的儲氣罐均是以壓力及容積為單位系列化成規模生產,以配套市場上不同排氣壓力及排氣量的空壓機,組成空壓機系統,為氣動工具提供壓縮空氣這一清潔能源。儲氣罐在工作過程中是有可能超壓的[2],為保證其使用安全一般都配有安全閥。因市場上相同容積相同壓力的儲氣罐安全閥口徑大小不同,則安全閥排放能力就會有差異,如果安裝空壓機系統時沒有對比空壓機的排氣量和相應儲氣罐安全閥的排放能力,市場上就有可能出現空壓機排氣量大于安全閥排放能力的情況,即出現安全閥排放能力不足的隱患。本文通過對儲氣罐的使用環境、安全泄放量及設計文件中安全閥排量計算現狀的分析,指出設計文件中應該標出安全閥的最大排放量,并給出計算方法和數值單位的轉化公式,這樣在空壓機系統選擇過程中,對比數值即可有效避免上述隱患,對安全生產具有一定的實際意義。

1 儲氣罐的使用環境

1.1 空壓機系統簡介

空壓機系統主要包括空壓機、儲氣罐及干燥機等,管道連接方式一般如圖1所示。

圖1 空壓機系統的連接示意圖

空壓機提供一定流量及壓力的壓縮空氣,儲氣罐起到儲存壓縮空氣、穩定氣壓、冷卻及過濾空氣的作用,儲氣罐頂部裝有安全閥,當空壓機壓力控制系統失效時,安全閥可以泄放部分氣體,確保儲氣罐工作時不超壓。空壓機的生產目前已經標準化,相關標準有GB/T 13279—2015《一般用固定的往復活塞空氣壓縮機》[3]、JB/T 6430—2014《一般用噴油螺桿空氣壓縮機》[4]及JB/T 10972—2010《一般用變頻噴油螺桿空氣壓縮機》[5],銘牌上均要求注明額定排氣壓力、公稱容積流量（也稱排氣量,以下同）、配用的驅動電動機功率,其中額定排氣壓力有0.8 MPa,1.0 MPa和1.25 MPa,而驅動機功率為55 kW的空壓機,額定排氣壓力為0.8 MPa時,公稱容積流量因壓縮機的種類不同有所區別,為7.3～9 m3/min[3-5]。

儲氣罐作為空壓機的附屬設備,其工作壓力與空壓機排氣壓力相同,容積常見有0.3～30 m3多個系列,以匹配不同功率不同排氣量的空壓機,供用戶選擇。儲氣罐一般用容積和使用壓力表示,如2.0/0.8、3.0/1.0等,前后數字分別代表容積和使用壓力,如2.0/0.8即表示容積為2 m3、使用壓力為0.8 MPa的儲氣罐。

1.2 儲氣罐容積與空壓機公稱容積流量的對應關系

安裝空壓機系統時,在儲氣罐工作壓力與空壓機額定排氣壓力相一致的前提下,為保證壓縮空氣的氣流穩定及避免空壓機的頻繁啟動,根據JB/T 8867—2015《固定的往復活塞空氣壓縮機 儲氣罐》標準中的推薦,儲氣罐容積適用的壓縮機公稱容積流量范圍[6]見表1。

表1 儲氣罐容積適用的壓縮機公稱容積流量范圍

JB/T 8867—2015標準中推薦的儲氣罐適用的壓縮機公稱容積流量是一個比較寬的范圍,且沒有考慮使用壓力,各廠家儲氣罐均沒有按此推薦的壓縮機容積流量最大值來校核儲氣罐安全閥排放能力。市場上同樣規格的儲氣罐例如2.0/0.8,所配的安全閥從DN15 mm到DN32 mm不等,設計文件上標注的安全泄放量數值來源也不盡相同,一般均標注的是質量流量,不便與空壓機的容積流量做對比,因此對實際安裝指導作用有限。

2 儲氣罐的安全泄放量

2.1 安全泄放量定義

GB/T 150.1—2011《壓力容器 第1部分：通用要求》中附錄B第B.7.2 a）條規定,壓縮機貯氣罐的安全泄放量,取該壓縮機在單位時間內的最大產氣量[8]。如前所述,目前空壓機生產已經標準化,儲氣罐大多成系列化在市場上銷售,同一品種儲氣罐可能搭配的空壓機功率和排氣量是可以在一定范圍內選擇的,因此儲氣罐的安全泄放量按定義就不是一個確定的數值。據了解,終端客戶購買儲氣罐時通常只關注容積及壓力,而對于與安全生產直接相關的安全閥的排放能力是否能滿足實際要求則沒有引起重視。

2.2 儲氣罐設計文件中的安全泄放量取值現狀

以常見的2.0/0.8,進氣管口分別為φ57×5 mm和φ133×8 mm的儲氣罐為例,安全閥口徑均為DN25 mm。安全泄放量是按GB/T 150.1—2011中附錄B中的公式[8]計算,見式（1）。

式中：

d——容器進料管內直徑,mm；

ρ——泄放條件（設定溫度與設定壓力）下的介質密度,kg/m3,按理想氣體狀態方程求得7.62 kg/m3；

v——容器進料管內的流速,m/s,一般按HG/T 20570.6—95《管徑選擇》[9]中的管道內平均流速推薦值,如介質為空氣,壓力范圍為0.6～1.0 MPa時,管道平均流速為10～15 m/s,一般取10 m/s；

Ws——容器的安全泄放量,kg/h。

然后再按式（2）校核安全閥泄放面積。

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式中：

A——安全閥最小泄放面積,mm2；

C——氣體特性系數,空氣為356.1；

pf——安全閥的泄放壓力（絕壓）,MPa,包括設計壓力和超壓限度2部分,數值為0.84+0.084+0.1=1.024；

K——安全閥的額定泄放系數,一般取0.7；

Z——氣體壓縮系數,對于空氣Z=1.0；

Tf——泄放裝置泄放溫度,K,空氣取323；

M——氣體的摩爾質量,kg/kmol,空氣為28.97。

安全閥的喉徑d0與公稱直徑DN之比約為0.625,DN25 mm喉徑通常按φ15 mm取值,實際泄放面積A為176.63 mm2。容器安全泄放量及安全閥泄放面積校核結果見表2。

表2 安全泄放量及安全閥泄放面積計算結果

比較A0與A,進氣管為φ57×5 mm的儲氣罐A0＜A,校核結果合格,設計文件數據表上顯示容器安全泄放量為476.4 kg/h,計算書顯示安全閥泄放面積校核合格。但是由表2可以看到,安全泄放量需要的最小泄放面積A0為82.02 mm2,但實際泄放面積A為176.63 mm2,說明安全閥排放能力是有富余的。而假如實際所接的空壓機排量大于476.4 kg/h時,也不能判斷該安全閥排放能力是否滿足泄放要求。同理,進氣管為φ133×8 mm的儲氣罐A0＞A,校核結果應該不合格。但實際設計文件中安全泄放量為2 952 kg/h,技術要求注明管路中需串聯一個DN40 mm（安全閥喉徑為φ25 mm,安全泄放面積為490.6 mm2）的安全閥。但如果實際所接的空壓機排量小于2 952 kg/h,那可能無須在管路中串聯一個安全閥。

以上例子說明,設計文件中以第2.2章中的方法計算出的安全泄放量不符合實際,不能為空壓機系統選擇儲氣罐提供參考依據。計算中取的流速也只是參考,其邏輯關系是先有流量再根據推薦流速（與壓力降有關）選管徑。式（1）～式（2）只適合用于有壓力源持續輸入的儲氣罐安全泄放量的計算。

2.3 確定儲氣罐安全閥排放能力的必要性

儲氣罐是一種產銷量大且壓力及容積等參數基本形成一定系列的特殊容器,因此根據已知安全閥公稱直徑來確定其排放能力對安裝空壓機系統十分必要。

根據GB/T 37816—2019《承壓設備安全泄放裝置選用與安裝》中第A.7.5條要求,已知安全泄放裝置的泄放面積時,其排放能力計算按照式（2）將Ws換成W即可[10]。選用的安全閥泄放裝置實際排放能力W不小于空壓機的排量即能滿足泄放要求。[10]由式（2）計算出的是質量流量,為方便選用,可將單位換算成與空壓機銘牌上標注的容積流量相一致。標況下的空氣密度根據氣體狀態方程計算為1.21 kg/m3,即可得出容積流量VS=W/(1.21×60)。以儲氣罐2.0/0.8,安全閥公稱直徑DN25 mm（喉徑φ15 mm）與DN32(喉徑φ20 mm)為例,計算出來的容積流量VS見表3。

表3 安全閥排放能力計算結果

通過計算,設計文件可以標出安全閥的排放能力,換算成容積流量分別為14 m3/min和25 m3/min。對比表1的推薦搭配,2 m3儲氣罐適配10～24 m3/min的空壓機,可以看出,實際生產中如果沒有注意安全閥的口徑大小及排放能力,就很有可能選配小于空壓機排氣量的儲氣罐,給安全生產造成隱患。

另外,設計者在設計儲氣罐的安全泄放裝置時,也可以按表1中推薦的最大數值校核安全閥泄放面積,這樣可以滿足更廣泛的需求,但同時也要考慮避免安全閥配置過大,造成浪費。

3 結束語

對于標準化生產市場銷售的儲氣罐,設計文件中應注明安全閥的排放能力,并應把質量流量轉化為與空壓機排量相一致標況下的容積流量,為空壓機系統選配儲氣罐提供依據。

對于有壓力源持續輸入的儲氣罐的安全泄放量,應準確了解使用工況,提供符合實際的安全閥泄放面積校核計算書。