劉紫微，鄒新行

（新疆石油勘察設計研究院（有限公司）， 新疆 烏魯木齊 830026）

液化氣球罐工藝設計及安全閥計算

劉紫微，鄒新行

（新疆石油勘察設計研究院（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到1.36 MPa，因此液化石油氣在常溫下需要儲存在壓力容器中。為了保證其儲存的安全性和流程設計的合理性，結(jié)合克石化球罐區(qū)設計的具體項目，對液化氣球罐在工藝設計中涉及到的重點內(nèi)容作以詳細歸納，例如球罐二次脫水工藝的設計、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，罐頂安全閥的設置尤為重要，將理論計算與實際設計參數(shù)相結(jié)合，對1 000 m3和2 000 m3球罐安全閥的的選取進行了詳細計算說明，將對液化氣球罐的設計具有指導作用。

液化石油氣；球罐；工藝設計；安全閥計算

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)燃機燃料。其主要質(zhì)量控制指標為蒸發(fā)殘余物和硫含量等，有時也控制烯烴含量。液化石油氣是一種易燃物質(zhì)，空氣中含量達到一定濃度范圍時，遇明火即爆炸。

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

1 球罐流程設計的工藝特點

1）二次脫水工藝的設計

液化氣儲存采用全壓力式球罐，設計壓力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，設置一次脫水罐和二次脫水罐進行二次脫水。一次脫水罐應用的是重力原理，利用水比液化氣的密度大進行脫水；二次脫水罐應用的是閃蒸原理，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計

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

3）吹掃系統(tǒng)的設計

為吹掃管線和罐內(nèi)置換，球罐和管線設氮氣吹掃系統(tǒng)。

4）水頂烴工藝的設計

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

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）罐體設計

（1）球罐下部設感溫電纜，對高溫及火焰進行監(jiān)測，高溫報警幵遠傳至DCS。

（2）球罐罐體下部設置約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)設計防火規(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罐組宜設不高于0.6 m的防火堤（一般就取0.6 m），防火堤不能設置過高的目的是使少量積聚的液化氣便于擴散。防火堤內(nèi)堤腳線距儲罐不應小于3 m，堤內(nèi)應采用現(xiàn)澆混凝土地面，在內(nèi)部做防火處理幵應坡向外側(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,對防火堤內(nèi)的容積沒有要求，因為液化烴泄漏后會很快氣化，因此無需對防火堤內(nèi)的有效容積進行核算。

液化烴罐組設置防火堤的目的是：①作為限界防止無關(guān)人員進入罐組；②防火堤較低，對少量泄漏的液化烴氣體便于擴散；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)設置的可燃氣體濃度報警器報警，有利于及時發(fā)現(xiàn)，及時處理。④其豎向布置坡向外側(cè)是為了防止泄漏的液化烴在儲罐附近滯留。管道穿堤的開洞處采用不燃燒材料嚴密封閉，以防事故狀態(tài)下可燃液體液體到處流散[1]。

3 罐頂安全閥工藝計算

3.1 液化氣球罐工作壓力的確定

常溫儲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 ℃時混合液化石油氣組分的實際飽和蒸氣壓來確定，設計單位應當在圖樣上注明限定的組分和對應的壓力；在有明確組分的情況下，此時的工作壓力P工作=ΣPiXi來確定。若無實際組分數(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罐的設計壓力應按不低于 50 ℃時混合液化石油氣組份的實際飽和蒸氣壓來確定，設計單位應在圖樣上注明限定的組分和對應的壓力。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計壓力。

3.2 安全閥泄放量及噴嘴面積的計算[3]

對于壓力容器，安全閥的設置至關(guān)重要，幵且安全閥的壓力設定需要通過計算得到。安全閥的起跳屬于事故狀況，因此壓力設置不宜過低，但若起跳壓力設置過高，則起不到對容器的保護作用。安全閥的計算包括安全閥泄放量的計算和安全閥噴嘴面積的計算，通過計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計進行詳細的計算過程說明，將理論計算與實際的設計參數(shù)相結(jié)合，幵將得到的計算結(jié)果應用于安全閥的選型中。

3.2.1 球罐安全泄放量計算

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

式中：WS—氣體的最大泄放量，kg/h；

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

Ar—容器的受熱面積,m2；按下列公式計算（D0，外徑，m）：對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按半球的面積進行計算。

q—在泄放壓力下液體的蒸發(fā)潛熱，kJ/kg。

通過計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算結(jié)果Table 2 LPG Spherical Tank Discharge Calculation Results

3.1.2 安全閥噴嘴面積計算

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

式中：A0—噴嘴面積，cm2；

GV—氣體的最大泄放量，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—進口處的介質(zhì)溫度，K；查閱《石油化工設計手冊》幵結(jié)合內(nèi)差法求得：液化氣在泄放壓力2.224 MPa（A）下對應的溫度為61 ℃（334.15 K）。

Z—氣體在Pm時的壓縮系數(shù)；

Kb—背壓校正系數(shù)；對于普通型安全閥，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。

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

（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

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對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取值的計算過程，將各個數(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算結(jié)果見表3。

表3 安全閥噴嘴面積計算結(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計手冊》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。工藝計算對設計中閥門和設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)，其儲存和輸送都有其特殊要求，除了對液化氣球罐設計的工藝特點、罐區(qū)布置和罐頂安全閥設計等方面的介紹以外，液化氣球罐還應設計液位計、壓力表以及高低液位報警和高高液位自動連鎖切斷進料措施等[5]。此外，液化氣在輸送過程中對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。一是要防止泵進口出現(xiàn)氣蝕；二是要防止液化氣的泄露兩個因素?？傊磺性O計理念都是本著以生產(chǎn)運行中的安全可靠為首要原則。

［1］GB50160-2008 石油化工企業(yè)設計防火規(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計手冊: 第1篇 設計與計算[M]．北京：中國石化出版社，2009．

［4］GB150-2011 壓力容器[S].

［5］SH/T3007-2007 石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設計規(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，主要從事油氣集輸工作。郵箱：846397591@qq.com。