劉紫微，鄒新行

（新疆石油勘察設(shè)計(jì)研究院（有限公司）， 新疆 烏魯木齊 830026）

液化氣球罐工藝設(shè)計(jì)及安全閥計(jì)算

劉紫微，鄒新行

（新疆石油勘察設(shè)計(jì)研究院（有限公司）， 新疆 烏魯木齊 830026）

液化石油氣作為易揮發(fā)介質(zhì)，在常溫下的飽和蒸汽壓可以達(dá)到1.36 MPa，因此液化石油氣在常溫下需要儲(chǔ)存在壓力容器中。為了保證其儲(chǔ)存的安全性和流程設(shè)計(jì)的合理性，結(jié)合克石化球罐區(qū)設(shè)計(jì)的具體項(xiàng)目，對(duì)液化氣球罐在工藝設(shè)計(jì)中涉及到的重點(diǎn)內(nèi)容作以詳細(xì)歸納，例如球罐二次脫水工藝的設(shè)計(jì)、事故狀態(tài)下的水頂烴工藝和罐區(qū)布置。此外，為保證球罐在事故狀態(tài)下能夠安全泄放，罐頂安全閥的設(shè)置尤為重要，將理論計(jì)算與實(shí)際設(shè)計(jì)參數(shù)相結(jié)合，對(duì)1 000 m3和2 000 m3球罐安全閥的的選取進(jìn)行了詳細(xì)計(jì)算說明，將對(duì)液化氣球罐的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)作用。

液化石油氣；球罐；工藝設(shè)計(jì)；安全閥計(jì)算

液化石油氣(Liquefied petroleum gas，LPG)，是由煉廠氣或天然氣（包括油田伴生氣）加壓、降溫、液化得到的一種無色、揮發(fā)性氣體。由煉廠氣所得的液化石油氣，主要成分為丙烷、丙烯、丁烷、丁烯，同時(shí)含有少量戊烷、戊烯和微量硫化合物雜質(zhì)。由天然氣所得的液化氣的成分基本不含烯烴。液化石油氣主要用作石油化工原料，用于烴類裂解制乙烯或蒸氣轉(zhuǎn)化制合成氣，可作為工業(yè)、民用、內(nèi)燃機(jī)燃料。其主要質(zhì)量控制指標(biāo)為蒸發(fā)殘余物和硫含量等，有時(shí)也控制烯烴含量。液化石油氣是一種易燃物質(zhì)，空氣中含量達(dá)到一定濃度范圍時(shí)，遇明火即爆炸。

目前，世界上LPG的儲(chǔ)存方法有地上儲(chǔ)存和地下儲(chǔ)存兩種。傳統(tǒng)存儲(chǔ)均采用地上鋼罐儲(chǔ)存方法，地下儲(chǔ)存是采用地下巖洞的儲(chǔ)存方法。本文介紹的是地上鋼罐儲(chǔ)存中的常溫壓力球罐的工藝設(shè)計(jì)。

1 球罐流程設(shè)計(jì)的工藝特點(diǎn)

1）二次脫水工藝的設(shè)計(jì)

液化氣儲(chǔ)存采用全壓力式球罐，設(shè)計(jì)壓力1.80 MPa。由于液化氣中含有微量的水，因此為脫除液化氣中帶有的微量水份，設(shè)置一次脫水罐和二次脫水罐進(jìn)行二次脫水。一次脫水罐應(yīng)用的是重力原理，利用水比液化氣的密度大進(jìn)行脫水；二次脫水罐應(yīng)用的是閃蒸原理，通過壓力的降低，使殘留在污水中的液化氣閃蒸進(jìn)入火炬系統(tǒng)，污水排入下水系統(tǒng)。

2）罐根閥和取樣器的設(shè)計(jì)

球罐罐底設(shè)置罐根閥，防止液化氣泄露；液化氣球罐管道需設(shè)有管道密閉取樣裝置，防止在取樣時(shí)氣體外泄。

3）吹掃系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

為吹掃管線和罐內(nèi)置換，球罐和管線設(shè)氮?dú)獯祾呦到y(tǒng)。

4）水頂烴工藝的設(shè)計(jì)

為減少事故狀態(tài)下液化氣的泄露，采用水頂烴工藝。即當(dāng)罐底發(fā)生泄漏時(shí)，通過泵對(duì)球罐罐底進(jìn)

行注水，原理是利用水比液化氣重，用水作為墊層，以減少液化氣的泄露。

5）罐體設(shè)計(jì)

（1）球罐下部設(shè)感溫電纜，對(duì)高溫及火焰進(jìn)行監(jiān)測(cè)，高溫報(bào)警幵遠(yuǎn)傳至DCS。

（2）球罐罐體下部設(shè)置約1 m高的伴熱，防止球罐結(jié)冰凍結(jié)。

液化氣球罐的工藝流程如圖1所示。

圖1 液化氣球罐工藝流程簡(jiǎn)圖Fig.1 LPG Spherical Tank Flow Diagram

2 球罐區(qū)的布置

按照現(xiàn)行 GB50160-2008《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》規(guī)定，全壓力式或半冷凍式球罐（有事故排放至火炬措施的情況下），球罐與球罐之間的防火間距為 0.5D（球罐直徑），液化烴全壓力式或半冷凍式儲(chǔ)罐組宜設(shè)不高于0.6 m的防火堤（一般就取0.6 m），防火堤不能設(shè)置過高的目的是使少量積聚的液化氣便于擴(kuò)散。防火堤內(nèi)堤腳線距儲(chǔ)罐不應(yīng)小于3 m，堤內(nèi)應(yīng)采用現(xiàn)澆混凝土地面，在內(nèi)部做防火處理幵應(yīng)坡向外側(cè)，防火堤內(nèi)的隔堤不宜高于0.3 m。液化烴球罐的防火堤只有高度和罐與罐之間的間距限制,對(duì)防火堤內(nèi)的容積沒有要求，因?yàn)橐夯療N泄漏后會(huì)很快氣化，因此無需對(duì)防火堤內(nèi)的有效容積進(jìn)行核算。

液化烴罐組設(shè)置防火堤的目的是：①作為限界防止無關(guān)人員進(jìn)入罐組；②防火堤較低，對(duì)少量泄漏的液化烴氣體便于擴(kuò)散；③一旦泄漏量較多，堤內(nèi)必有部分液化烴積聚，可由堤內(nèi)設(shè)置的可燃?xì)怏w濃度報(bào)警器報(bào)警，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)，及時(shí)處理。④其豎向布置坡向外側(cè)是為了防止泄漏的液化烴在儲(chǔ)罐附近滯留。管道穿堤的開洞處采用不燃燒材料嚴(yán)密封閉，以防事故狀態(tài)下可燃液體液體到處流散[1]。

3 罐頂安全閥工藝計(jì)算

3.1 液化氣球罐工作壓力的確定

常溫儲(chǔ)存液化石油氣壓力容器規(guī)定溫度下的工作壓力，按照不低于 50 ℃時(shí)混合液化石油氣組分的實(shí)際飽和蒸氣壓來確定，設(shè)計(jì)單位應(yīng)當(dāng)在圖樣上注明限定的組分和對(duì)應(yīng)的壓力；在有明確組分的情況下，此時(shí)的工作壓力P工作=ΣPiXi來確定。若無實(shí)際組分?jǐn)?shù)據(jù)或者不做組分分析，其規(guī)定溫度下的工作壓力不得低于《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（2009年版）中3.9.3的規(guī)定[2]。

對(duì)比舊版《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》（1999版的）：第34條規(guī)定：“固定式液化石油氣儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)按不低于 50 ℃時(shí)混合液化石油氣組份的實(shí)際飽和蒸氣壓來確定，設(shè)計(jì)單位應(yīng)在圖樣上注明限定的組分和對(duì)應(yīng)的壓力。液化石油氣是以丙烷或丁烷為主要成份的多組分有機(jī)混合物?！卑l(fā)現(xiàn)新舊容規(guī)的區(qū)別在于新容規(guī)規(guī)定的是液化氣球罐的工作壓力，而舊容規(guī)規(guī)定的則是液化氣球罐的設(shè)計(jì)壓力。

3.2 安全閥泄放量及噴嘴面積的計(jì)算[3]

對(duì)于壓力容器，安全閥的設(shè)置至關(guān)重要，幵且安全閥的壓力設(shè)定需要通過計(jì)算得到。安全閥的起跳屬于事故狀況，因此壓力設(shè)置不宜過低，但若起跳壓力設(shè)置過高，則起不到對(duì)容器的保護(hù)作用。安全閥的計(jì)算包括安全閥泄放量的計(jì)算和安全閥噴嘴面積的計(jì)算，通過計(jì)算得到的噴嘴面積可以選擇合適規(guī)栺的安全閥。本文以1 000 m3和2 000 m3球罐罐頂安全閥的設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算過程說明，將理論計(jì)算與實(shí)際的設(shè)計(jì)參數(shù)相結(jié)合，幵將得到的計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于安全閥的選型中。

3.2.1 球罐安全泄放量計(jì)算

液化氣球罐泄放量按火災(zāi)情況下進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)《固定式壓力容器》GB150，液化氣球罐安全泄放量計(jì)算公式如下：

式中：WS—?dú)怏w的最大泄放量，kg/h；

F—系數(shù)，容器在地面上時(shí)，取F=1；容器設(shè)置在大于10 L/(m2·min)噴淋設(shè)施下時(shí)，取F=0.6。

Ar—容器的受熱面積,m2；按下列公式計(jì)算（D0，外徑，m）：對(duì)于球形容器或從地平面起到7.5 m高度以下所包括的外表面積，取二者中的較大值；受熱面積Ar的取值見表1。

表1 球罐受熱面積Table 1 The Spherical Tank Heating Area

可以發(fā)現(xiàn)只要球罐的中心安裝高度大于7.5 m，容器的受熱面積就應(yīng)按半球的面積進(jìn)行計(jì)算。

q—在泄放壓力下液體的蒸發(fā)潛熱，kJ/kg。

通過計(jì)算得到液化氣球罐的泄放量見表2。

表2 液化氣球罐泄放量計(jì)算結(jié)果Table 2 LPG Spherical Tank Discharge Calculation Results

3.1.2 安全閥噴嘴面積計(jì)算

根據(jù)《石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)》,安全閥的噴嘴面積由下式確定。

式中：A0—噴嘴面積，cm2；

GV—?dú)怏w的最大泄放量，kg/h；

KF—流量系數(shù)，與安全閥結(jié)構(gòu)有關(guān)，全啟式KF=0.6～0.7；

Pm—最高泄放壓力，MPa（A）；

T1—進(jìn)口處的介質(zhì)溫度，K；查閱《石油化工設(shè)計(jì)手冊(cè)》幵結(jié)合內(nèi)差法求得：液化氣在泄放壓力2.224 MPa（A）下對(duì)應(yīng)的溫度為61 ℃（334.15 K）。

Z—?dú)怏w在Pm時(shí)的壓縮系數(shù)；

Kb—背壓校正系數(shù)；對(duì)于普通型安全閥，隨著背壓值的增大，安全閥的理論泄放量將隨之減少。普通型安全閥的背壓值一般要求小于0.1的安全閥的定壓，在此條件下，Kb取值為1。

計(jì)算安全閥的噴嘴面積，首先要確定計(jì)算公式中各個(gè)參數(shù)的取值。泄放量通過前面的計(jì)算已經(jīng)得到，下面主要對(duì)最大泄放壓力的取值作詳細(xì)說明。

（1）安全閥整定壓力Pz[4]

由《固定式壓力容器》GB150:可根據(jù)容器的工作壓力Pw確定安全閥的整定Pz，一般取

Pz=（1.05~1.1）Pw

以人為本，是科學(xué)發(fā)展觀的核心，體現(xiàn)了中國共產(chǎn)黨全心全意為人民服務(wù)的根本宗旨。小學(xué)全科師范生黨員既是黨員也是教師，扮演者政治角色和職業(yè)角色。政治角色中，作為一名黨員，要學(xué)學(xué)習(xí)黨章黨規(guī)，遵守黨章黨規(guī)、踐行社會(huì)主義核心價(jià)值觀等，在組織教育下，從“傳授知識(shí)”到“培養(yǎng)能力”，再到“提高素質(zhì)”很好的強(qiáng)調(diào)了以人為本的觀念。職業(yè)角色中，小學(xué)全科師范生是未來農(nóng)村教育事業(yè)的骨干成員，對(duì)待學(xué)生也需要“以人為本”即“全面發(fā)展”，對(duì)學(xué)生的德育、智育、體育、美育、勞育等全面協(xié)調(diào)發(fā)展，培養(yǎng)社會(huì)主義建設(shè)者和接班人。無論從黨性還是師德都有體現(xiàn)“以人為本”，積極向上的心態(tài)，向前奮斗的精神。

對(duì)主要成分為丙烷的液化氣球罐的工作壓力為50 ℃丙烷的飽和蒸汽壓1.61 MPa（G）,因此安全閥的整定壓力Pz=1.70a～1.77 MPa（G），取安全閥的整定壓力為1.77 MPa。

（2）積聚壓力Pa

無火壓力容器上的安全閥Pa=0.1Pz；

著火有爆炸危險(xiǎn)容器上的安全閥Pa=0.2Pz；

蒸汽鍋爐上的安全閥Pa=0.03Pz；

（3）最高泄放壓力Pm

Pm=Pa+Pz=1.2×1.87=2.224 MPa（A）

以上是最高泄放壓力Pm取值的計(jì)算過程，將各個(gè)數(shù)值帶入到公式中便可得到安全閥的噴嘴面積。安全閥噴嘴面積的計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 安全閥噴嘴面積計(jì)算結(jié)果Table 3 Calculation Results Of Safety Valve Nozzle Area

根據(jù)《石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三篇-閥門，石油化工裝置一般均選用彈簧全啟式安全閥。

3.3 結(jié)論分析

根據(jù)計(jì)算的結(jié)果，克石化球罐區(qū) 1 000 m3和2000 m3液化氣球罐選用全啟示安全閥，1 000 m3球罐安全閥入口管道直徑為DN150，出口管道直徑為DN175，2 000 m3球罐安全閥入口管道直徑為DN200，出口管道直徑為DN250。工藝計(jì)算對(duì)設(shè)計(jì)中閥門和設(shè)備的選型具有重要意義。

4 結(jié)束語

液化氣作為一種易揮發(fā)介質(zhì)，其儲(chǔ)存和輸送都有其特殊要求，除了對(duì)液化氣球罐設(shè)計(jì)的工藝特點(diǎn)、罐區(qū)布置和罐頂安全閥設(shè)計(jì)等方面的介紹以外，液化氣球罐還應(yīng)設(shè)計(jì)液位計(jì)、壓力表以及高低液位報(bào)警和高高液位自動(dòng)連鎖切斷進(jìn)料措施等[5]。此外，液化氣在輸送過程中對(duì)泵的選擇也是有要求的。液化氣泵通常要選用筒袋泵或屏蔽泵。一是要防止泵進(jìn)口出現(xiàn)氣蝕；二是要防止液化氣的泄露兩個(gè)因素?？傊磺性O(shè)計(jì)理念都是本著以生產(chǎn)運(yùn)行中的安全可靠為首要原則。

［1］GB50160-2008 石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范[S]．

［2］TSGR0004-2009 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程[S]．

［3］張德姜，王懷義，劉紹葉．石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè): 第1篇 設(shè)計(jì)與計(jì)算[M]．北京：中國石化出版社，2009．

［4］GB150-2011 壓力容器[S].

［5］SH/T3007-2007 石油化工儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)罐區(qū)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

Process Design of LPG Spherical Tank and Safety Valve Calculation

LIU Zi-wei，ZOU Xin-hang
（Xinjiang Petroleum Investigation Design and Research Institute (Co.,Ltd.), Xinjiang Urumchi 830026，China）

LPG is a volatile media, whose saturated vapor pressure can be 1.36MPa at normal temperature, so it should be stored in a pressure vessel at normal temperature. In this paper, in order to ensure the safety of its storage and the reasonableness of its process design, combining a specific project of spherical tank design in Karamay Petrochemical Company, the key elements in the process of design were summarized, such as the second dehydration process, water sealing hydrocarbon under the condition of accident and tank arrangement. Besides, in order to guarantee safety relief of the spherical tank，the safety valve setting is very important. At last, how to select the safety valve of 1000m3 and 2000m3 spherical tanks by the mean of combining the theoretical arithmetic with the actual design parameters was introduced.

LPG; Spherical tank; Process design; Safety valve calculation

TQ 015

1671-0460（2014）09-1895-03

2014-06-30

劉紫微(1989-)，女，滿族，2012年畢業(yè)于遼寧石油化工大學(xué)，主要從事油氣集輸工作。郵箱：846397591@qq.com。