喻 炳

(上海爵格工業(yè)工程有限公司，上海 200082)

常壓、低壓儲罐在使用過程中經(jīng)常會由于儲罐液面的改變或者外界溫度的變化等原因，導(dǎo)致儲罐內(nèi)氣體膨脹或收縮，儲罐內(nèi)氣相的壓力也隨之波動，使得儲罐出現(xiàn)超壓或真空的情況，嚴(yán)重時(shí)會造成儲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)，隔絕儲罐與大氣，起到降低儲罐內(nèi)揮發(fā)性液體的蒸發(fā)損耗的作用。當(dāng)儲罐內(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，其確保儲罐內(nèi)壓力保持在一定范圍之內(nèi)，保護(hù)儲罐的安全。

目前國內(nèi)對常壓、低壓儲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)上對常壓、低壓儲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)致儲罐超壓或真空的原因

導(dǎo)致儲罐超壓或真空的原因至少包括以下幾點(diǎn):

(1)儲罐物料的流出或流入，引起儲罐壓力的降低或升高;

(2)由于氣候變化(溫度或大氣壓)，引起儲罐壓力的升高或降低;

(3)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，儲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)備故障或操作錯誤，引起儲罐內(nèi)部壓力的升高或降低。

2 儲罐通氣量的確定

2.1 概述

通常，確定儲罐的所需通氣量應(yīng)考慮以下情況:

1)自儲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條為儲罐正常通氣情況，第5條為緊急泄放狀況。

2.2 儲罐正常通氣量的確定

通常，儲罐正常通氣能力應(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罐的操作壓力時(shí)，可能會發(fā)生閃蒸。如果發(fā)生閃蒸，所需的呼出量可能會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，儲罐與外界的熱交換引起儲罐頂部氣相空間的壓力變化，所需的儲罐通氣量。

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—儲罐體積;

Ri—隔熱系數(shù)，儲罐無隔熱措施取Ri=1，儲罐全部采用隔熱層的隔熱系數(shù)Rin按式(6)確定，儲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、儲罐平均溫度和維度相關(guān)，見表1;

Vtk—儲罐體積;

Ri—隔熱削減因子，儲罐無隔熱措施取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—儲罐總的表面積，m2;

Ainp—隔熱層圍包儲罐表面積，m2。

表1 C因子

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

式中A—儲罐總的表面積，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)，儲罐所需要的通氣量。儲罐內(nèi)液體吸收的熱量主要是通過暴露在火中的濕潤表面來進(jìn)行的，只有極小部分熱量是通過非濕潤表面及未暴露在火中的濕潤表面吸收的，當(dāng)然，在泄放裝置開啟后還可能會產(chǎn)生少量輻射熱(幾乎可以忽略)［6］。

對具有弱連接結(jié)構(gòu)的儲罐，本身就是一種特殊緊急排氣手段，因此API650［7］規(guī)定，對于弱連接結(jié)構(gòu)的儲罐，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)品的常壓儲罐，其介質(zhì)溫度有可能超此閃點(diǎn)。

2)儲罐內(nèi)介質(zhì)蒸汽的排放量大，不適合選用呼吸閥。

3)儲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—泄放蒸汽的絕對溫度，K，通常假定泄放蒸汽的溫度與儲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)，儲罐內(nèi)物料為正己烷(相對分子質(zhì)量為86.17，汽化潛熱為335000J/kg)，儲罐為無保溫措施的金屬儲罐(取隔熱系數(shù)F=1.0)，儲罐濕潤面積ATWS為10m2(按Q=63150ATWS)，把所有參數(shù)代入公式(11)，得:

如果儲罐的濕潤面積ATWS為300 m2，儲罐為保溫儲罐，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)相對分子質(zhì)量，kg/kmol。

公式(13)中，pi與po都是絕對壓力，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)置一臺呼吸閥不能滿足儲罐的實(shí)際工況時(shí)，可以設(shè)置多個呼吸閥，呼吸閥對稱分布在儲罐的最高位置［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，它會對通過的氣流產(chǎn)生一定的壓降。這雖然不會影響呼吸閥的開啟壓力，卻對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。