李 岳1，溫殿江，姜一昌，喻友良，朱永江

(1.大連理工大學(xué) 化工機械與安全學(xué)院，遼寧大連 116011;2.大連理工安全裝備有限公司，遼寧大連 116620;

3.大連理工安全技術(shù)與控制工程研究中心有限公司，遼寧大連 116620)

0 引言

氣瓶是一種定容設(shè)備，在按一定壓力充裝后，內(nèi)部壓力變化只受環(huán)境溫度影響，所以外部環(huán)境溫度升高或發(fā)生火災(zāi)，使內(nèi)部壓縮氣體膨脹或液化氣體汽化，引起設(shè)備超壓[1-6]。

根據(jù)TSG R0006—2014《氣瓶安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》[7]要求，對盛裝非劇毒介質(zhì)氣瓶均應(yīng)設(shè)置安全泄壓裝置。氣瓶專用安全泄壓裝置有：易熔合金塞裝置、爆破片裝置、安全閥、爆破片與易熔合金塞組合裝置及爆破片與安全閥組合裝置。安裝安全泄壓裝置，最重要是確定泄壓面積及安全泄放量。目前，對無隔熱壓縮氣體氣瓶及液化氣體氣瓶的安全泄放量及泄放面積計算，不同的標(biāo)準(zhǔn)給出了不同的計算方法[8-10]。

本文主要討論美國CGA S-1.1—2005《Pressure Relief Device Standard—Part 1:Cylinders for Compressed Gases》和中國GB/T 33215—2016《氣瓶安全泄壓裝置》兩個標(biāo)準(zhǔn)中安全泄放量及泄放面積計算方法異同點，以及采用GB/T 33215—2016計算無隔熱壓縮氣體及液化氣體氣瓶泄放面積時，應(yīng)注意的問題。

1 CGA S1.1—2005對火災(zāi)工況下壓縮氣體和液化氣體氣瓶安全泄放量計算公式討論

CGA(Compressed gas association)為美國壓縮氣體學(xué)會簡稱，CGA S-1.1標(biāo)準(zhǔn)英文名稱為《Pressure Relief Device Standard—Part 1:Cylinders for Compressed Gases》，中文翻譯為《壓力泄壓裝置 第1部分：壓縮氣體用氣瓶》。該標(biāo)準(zhǔn)中分別給出了氣瓶安裝不同泄壓裝置時，在火災(zāi)工況下，盛裝壓縮氣體(非液化氣體)和液化氣體的無隔熱氣瓶的安全泄放量計算公式，下面分別進行討論。

1.1 無隔熱氣瓶安裝爆破片、易熔塞及其組合泄壓裝置時的泄放量計算

(1)CAG S-1.1中盛裝壓縮氣體時的安全泄放量計算公式。

Q=9.6×10-3Wc

(1)

式中Q——在690 kPa試驗壓力下無隔熱氣瓶排出的自由空氣量，m3/min；

Wc——氣瓶水容積，kg，Wc≥11.3 kg。

該式隱含表明：任何氣體、任意泄放壓力及泄放溫度的安全泄放量均可用式(1)中自由空氣量表示(自由空氣定義為15 ℃,0.1 MPa下空氣)。

(2)CGA S-1.1中盛裝液化氣體時的安全泄放量計算公式。

盛裝液化氣體氣瓶所需最小泄放量應(yīng)是盛裝壓縮氣體氣瓶的2倍泄放量，所以盛裝液化氣體氣瓶的最小泄放量Q=19.2×10-3Wc。

1.2 無隔熱氣瓶安裝壓力泄放閥的泄放量計算

(1)CGA S-1.1中盛裝壓縮氣體時的安全泄放量計算公式。

Qa=1.395×10-5PfWc

(2)

式中Qa——自由空氣的排量，m3/min；

Pf——排放壓力(絕壓)，kPa；

Wc——氣瓶水容積，kg，Wc≥5.7 kg。

Wc在數(shù)值上與氣瓶容積V相同，以下用氣瓶容積V(單位為L)表示。

(2)CGA S-1.1中盛裝液化氣體時的安全泄放量計算公式。

盛裝液化氣體氣瓶所需最小泄放量應(yīng)是盛裝壓縮氣體氣瓶的2倍泄放量，所以盛裝液化氣體氣瓶的最小泄放量Q=2.79×10-5PfV。

1.3 盛裝壓縮氣體氣瓶安裝爆破片和安全閥兩個不同泄放裝置的泄放量計算公式比較

從式(1)，(2)的設(shè)計參數(shù)上看，兩個公式內(nèi)容完全不相同，從形式看安全閥的安全泄放量計算公式含有氣瓶泄放壓力和氣瓶容積，可能來源于理論計算；而爆破片的安全泄放量計算公式可能來自于試驗得到的試驗結(jié)果，筆者未見國外文獻的推導(dǎo)方法，以上說法僅是推測。

(1)將安裝爆破片的壓縮氣體氣瓶空氣體積泄放量轉(zhuǎn)化為任意氣體的質(zhì)量流量。

從式(1)看出，無隔熱壓縮氣體氣瓶爆破片安全泄放量只與氣瓶容積有關(guān)，與氣瓶內(nèi)部壓力無關(guān)。從式(1)形式和參數(shù)隱含得出：從泄放壓力為690 kPa(絕壓)、在設(shè)定泄放溫度T下流出的自由空氣體積流量(將流出的空氣轉(zhuǎn)化為自由狀態(tài)下的空氣流量)所需要泄放面積等于相同容積的無隔熱氣瓶在相同泄放溫度下、任意泄放壓力和任意介質(zhì)在火災(zāi)工況下所需要的泄放面積。

筆者推測這一結(jié)論可能是試驗所得。由此可得到一定容積氣瓶、盛裝任意壓縮氣體介質(zhì)、在任意泄放壓力下的安全泄放質(zhì)量流量Ws，推導(dǎo)如下。

空氣泄放體積流量為:

Q=9.6×10-3Wcm3/min

=0.576Vm3/h

式中V——氣瓶容積，L。

在15 ℃,0.1 MPa下的空氣泄放體積流量與泄放質(zhì)量流量存在如下關(guān)系式[11](假設(shè)空氣為理想氣體)：

(3)

式中P——自由壓力,MPa,P=0.1 MPa(100 kPa)；

Q——自由空氣體積流量，m3/h；

Ws空氣——空氣質(zhì)量流量，kg/h；

M空氣——空氣分子量，kg/kmol，M空氣=29 kg/kmol;

R——氣體普適常數(shù)，kJ/(kmol·K),R=8.314 kJ/(kmol·K)；

T自由——自由空氣溫度，K,T自由=288 K。

由式(3)計算得到空氣泄放質(zhì)量流量Ws空氣=0.698V，該空氣質(zhì)量流量在泄放壓力為690 kPa(絕壓)、泄放溫度為T的泄放面積與相同容積氣瓶的任意氣體、在任意泄放壓力、相同泄放溫度T下具有相同泄放面積，由此獲得任意氣體的安全泄放質(zhì)量流量。

上述空氣流量在690 kPa(絕壓)、泄放溫度T下的泄放面積計算公式為[12]：

(4)

式中A——泄放面積，mm2；

C空氣——氣體常數(shù)，C空氣=356；

K——氣體泄放系數(shù)；

Z空氣——空氣壓縮因子，Z空氣≈1.0；

T——泄放溫度，K。

在690 kPa、泄放溫度T、泄放質(zhì)量流量Ws空氣下所需泄放面積等于任意氣體在任意泄放壓力、相同泄放溫度T的泄放面積，由此可得任意氣體泄放量Ws如下式表示：

(5)

則得:

(6)

式中Ws——任意氣體安全泄放量，kg/h；

C——氣體常數(shù)；

Pf——氣體泄放壓力，MPa；

M——氣體分子量，kg/kmol；

Z——任意氣體壓縮因子。

當(dāng)任意氣體常數(shù)C取335，氣體壓縮因子Z取1.0，則得：

(7)

(2)將安裝安全閥的壓縮氣體氣瓶的空氣泄放量轉(zhuǎn)化為任意氣體的質(zhì)量流量。

式(2)是無隔熱壓縮氣體氣瓶安裝壓力泄放閥時的空氣安全泄放量計算方法，是該泄放裝置泄放空氣時的體積流量，同樣可轉(zhuǎn)化為泄放任意介質(zhì)時的質(zhì)量流量，推導(dǎo)如下。

空氣體積流量：

Qa=1.395×10-5PfWcm3/min

=0.837PfVm3/h

空氣的體積流量Qa與0.1 MPa,15 ℃時空氣質(zhì)量流量Ws空氣存在如下關(guān)系：

則得空氣質(zhì)量流量:

Ws空氣=1.013PfV

(8)

該質(zhì)量流量的空氣在某一泄放壓力Pf和泄放溫度T下的泄放面積等于相同容積氣瓶的任意氣體在相同泄放壓力Pf、相同泄放溫度T的泄放面積，采用式(5)相同推導(dǎo)方法，可得任意氣體的質(zhì)量流量Ws，與式(6)完全相同。同樣，當(dāng)氣體常數(shù)C取335，氣體壓縮因子Z取1.0，得質(zhì)量流量Ws與式(7)完全相同。

從(1),(2)的推導(dǎo)過程和最后得到的質(zhì)量流量(安全泄放量)公式均為式(6),(7)，所以不管氣瓶安裝爆破片還是安全閥，其安全泄放量完全相同。

(3)壓縮氣體氣瓶安全泄放面積計算。

將任意壓縮氣體氣瓶所需安全泄放量表示為需要的安全泄放面積A。

則得：

(9)

式中K——排放系數(shù)(爆破片與壓力泄放閥的排放系數(shù)取值不同)。

采用式(9)即可計算盛裝任意壓縮氣體氣瓶的泄放面積。

式(1)和式(2)盡管有非常大的區(qū)別，但經(jīng)過上述推導(dǎo)結(jié)果可以看出，用任意氣體質(zhì)量泄放量表示，兩個公式推導(dǎo)結(jié)果完全相同?？梢?，不管安裝何種泄放裝置，設(shè)備泄放量計算公式完全相同，泄放面積公式也基本相同，唯一差別是泄放面積中泄放裝置不同排放系數(shù)K不同。

同樣，對于盛裝液化氣體氣瓶安全泄放量，安裝爆破片和安全閥泄壓裝置在CGA S-1.1中的計算式雖然也相差巨大，但由上面推導(dǎo)結(jié)果看，不管安裝何種泄壓裝置，任何液化氣體的安全泄放質(zhì)量流量均可由下式表示：

(10)

當(dāng)式(10)中氣體常數(shù)C取335，氣體壓縮因子Z取1.0時，得到：

(11)

式中Wl——液化氣體安全泄放量，kg/h。

由式(10)又可導(dǎo)出任意液化氣體氣瓶所需的安全泄放面積A表達式。

則得:

(12)

2 GB/T 33215和CGA S-1.1計算無隔熱壓縮氣體和液化氣體氣瓶安全泄放量的比較討論

2.1 盛裝壓縮氣體氣瓶計算比較

GB/T 33215—2016《氣瓶安全泄壓裝置》中給出的無隔熱壓縮氣體質(zhì)量泄放量公式為：

上式與CGA S-1.1中安裝爆破片及泄壓閥泄壓裝置推導(dǎo)結(jié)果完全相同，但從CGA S-1.1中公式推導(dǎo)過程看，將式(6)簡化得到式(7)時，是對氣體常數(shù)C取值為335，且氣體壓縮因子Z取值1.0才得到的公式，但不同氣體，氣體常數(shù)是不同的，并且泄放壓力不同，壓縮因子也不等于1.0。

氣體常數(shù)C根據(jù)絕熱指數(shù)k由下式計算，一般氣體絕熱指數(shù)k取值范圍在1.0～2.2之間，C計算式為:

對氣體絕熱指數(shù)k=1.0～2.2，得到氣體常數(shù)C取值在315～412之間，顯然采用式(7)計算氣體泄放量時，沒有考慮氣體常數(shù)和壓縮因子因氣體及泄放壓力不同而不同，這樣采用上述公式計算泄放量和泄放面積時，計算結(jié)果也有較大偏差。

例如：一個氣瓶容積100 L，泄放系數(shù)K=0.62，C=315或412，泄放溫度為100 ℃，計算氣瓶安全泄放面積。

采用式(6)進行精確泄放量計算，必須知道氣體常數(shù)及壓縮因子才能準(zhǔn)確計算出泄放量。當(dāng)計算泄放面積A時，則不需要，計算方法如式(9)，可得A=21.6 mm2。

泄壓面積只與容積和排放溫度有關(guān)，與其他參數(shù)無關(guān)，故其他均被約掉，可得精確計算結(jié)果。

當(dāng)采用GB/T 33215—2016中公式推導(dǎo)的泄放面積A：

(13)

假設(shè)壓縮因子Z取1.0，當(dāng)氣體常數(shù)C=315時，泄放面積A=23 mm2；當(dāng)氣體常數(shù)C=412時，則A=17.6 mm2。

計算發(fā)現(xiàn)，采用GB/T 33215—2016中公式，如果實際氣體常數(shù)C值偏離335值越大，計算結(jié)果與精確值偏差越大。如果氣體常數(shù)C小于335，則泄放面積計算結(jié)果比精確值偏大，泄放面積最大將偏大6.5%，此種情況標(biāo)準(zhǔn)公式計算偏安全；當(dāng)氣體常數(shù)C大于335，則泄放面積計算結(jié)果偏小，泄放面積最小可能比精確值小18.5%，此種情況采用標(biāo)準(zhǔn)中公式計算泄放面積將偏不安全。

盡管氣體常數(shù)和壓縮因子對泄放量計算值有影響，但由式(6)得到的泄放面積時，C和Z被約掉了，泄放面積計算就不受氣體常數(shù)C和Z的影響，計算結(jié)果安全可靠。

由此可以得出，在采用GB/T 33215—2016中的泄放量計算泄放面積時，應(yīng)注明：不管什么氣體，氣體常數(shù)均取為335，壓縮因子取為1.0，否則有可能導(dǎo)致安全泄放面積計算結(jié)果偏小，偏不安全。

2.2 盛裝液化氣體氣瓶計算比較

(1)采用CGA S-1.1中給出的液化氣體氣瓶泄放量及泄放面積計算公式。

液化氣體氣瓶泄放量計算與式(10)相同，泄放面積計算與式(12)相同。

未區(qū)分高壓液化氣體還是低壓液化氣體，可以認為高、低壓液化氣體計算方法相同。

(2)采用GB/T 33215—2016液化氣體氣瓶計算公式。

高壓液化氣體氣瓶泄放量計算：

GB/T 33215—2016高壓液化氣體氣瓶泄放量計算與壓縮氣體氣瓶泄放量計算式相同，可以推測：GB/T 33215—2016標(biāo)準(zhǔn)認為高壓液化氣體泄放狀態(tài)與壓縮氣體相同，高壓液化氣體泄放量計算可用壓縮氣體泄放量計算公式。

低壓液化氣體氣瓶泄放量計算：

式中Ao——氣瓶表面積，m2;

q——瓶內(nèi)所裝液化氣體汽化潛熱，kJ/kg。

(3)兩個標(biāo)準(zhǔn)計算液化氣體泄放面積比較。

以下通過具體計算示例來比較兩個標(biāo)準(zhǔn)計算液化氣體泄放面積的差別。

①計算示例1：一個高壓液化乙烯氣瓶，容積V=100 L，外徑260 mm，泄放壓力18 MPa，泄放溫度50 ℃，泄放系數(shù)K=0.62。

采用CGA S-1.1中公式(12)計算泄放面積：

對高壓液化氣體，采用GB/T 33215—2016中給出的泄放量公式(13)來計算泄放面積A。查得乙烯氣體常數(shù)C=342，壓縮因子Z≈1.5，計算得泄放面積A=24.2 mm2。

對于高壓液化乙烯實例計算發(fā)現(xiàn)，采用GB/T 33215—2016中公式計算泄放面積比CGA S-1.1中公式泄放面積小60%。

②計算示例2：對盛裝低壓液化丙烯氣瓶，容積V=100 L，外徑為260 mm，泄放壓力為2.1 MPa(a)，泄放溫度50 ℃，排放系數(shù)K=0.62,氣瓶表面積約1.8 m2。

采用CGA S-1.1公式推導(dǎo)的泄放面積計算式(12)，泄放面積A=40.3 mm2。

采用GB/T 33215—2016中推薦的低壓液化氣體氣瓶泄放量計算式計算泄放面積：

液化丙烯氣體常數(shù)C=332，泄放壓力下丙烯汽化潛熱q=274 kJ/kg，分子量M=42.1，壓縮因子Z≈0.45，計算得泄放面積A=85.2 mm2。

對于低壓液化氣體，采用GB/T 33215—2016中推薦的泄放量計算泄放面積比CGA S-1.1中推薦公式計算結(jié)果大1倍。

3 結(jié)語

(1)對壓縮氣體氣瓶的泄放計算，本文對CGA S-1.1中公式進行了推導(dǎo)，得出了安裝爆破片及安全閥的安全泄放量和泄放面積計算公式完全相同，GB/T 33215—2016中相應(yīng)計算式也是來源于CGA S-1.1，但在使用GB/T 33215—2016中泄放量計算式計算泄放面積時，不管什么壓縮氣體，其氣體常數(shù)C均應(yīng)取值為335，壓縮因子Z均應(yīng)取值為1.0，這樣計算結(jié)果才不會受氣體常數(shù)和壓縮因子影響；否則，在泄放面積計算式中按實際氣體取值，當(dāng)氣體常數(shù)C大于335時，計算泄放面積結(jié)果偏小，偏不安全。在使用GB/T 33215—2016時應(yīng)注意，也希望GB/T 33215—2016標(biāo)準(zhǔn)編制者關(guān)注這個問題，及時對標(biāo)準(zhǔn)予以修訂。

(2)對液化氣體氣瓶泄放計算，在GB/T 33215—2016中將液化氣體分為高壓液化氣體和低壓液化氣體，在CGA S-1.1—2005中未區(qū)分。通過高壓和低壓液化氣體計算實例，對比了兩個標(biāo)準(zhǔn)中公式計算值的差別，計算發(fā)現(xiàn)：對高壓液化氣體，采用GB/T 33215—2016推薦公式計算值比CGA S-1.1中公式計算值小60%，可能偏不安全；而對于低壓液化氣體，采用GB/T 33215—2016推薦公式計算值比CGA S-1.1中公式計算值大1倍左右，計算值偏安全。