常壓、低壓儲罐通氣量的確定及呼吸閥口徑的計算

喻 炳

(上海爵格工業工程有限公司，上海 200082)

常壓、低壓儲罐在使用過程中經常會由于儲罐液面的改變或者外界溫度的變化等原因，導致儲罐內氣體膨脹或收縮，儲罐內氣相的壓力也隨之波動，使得儲罐出現超壓或真空的情況，嚴重時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、外平衡，在正常狀態下呼吸閥呈關閉狀態，隔絕儲罐與大氣，起到降低儲罐內揮發性液體的蒸發損耗的作用。當儲罐內、外壓差超過一定范圍之后，呼吸閥開啟，進行呼氣或吸氣。除了正常的呼吸量之外，當儲罐發生緊急狀況時，必須具備一定的緊急泄放量，其確保儲罐內壓力保持在一定范圍之內，保護儲罐的安全。

目前國內對常壓、低壓儲罐所需呼吸量基本上依據API Std 2000 －2014［2］來確定的，并且相比較 SY/T 0511［3］而言，前者計算呼吸閥口徑所需的參數也比較容易取得，因此本文主要是在API Std 2000－2014的基礎上對常壓、低壓儲罐的所需呼吸量和呼吸閥口徑的確定方法進行了介紹。

1 導致儲罐超壓或真空的原因

導致儲罐超壓或真空的原因至少包括以下幾點:

(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)發生火災時，儲罐受熱引起溫度急劇升高，管內壓力也隨著急劇升高;

(4)由于設備故障或操作錯誤，引起儲罐內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考慮以下情況:

1)自儲罐的物料最大流出量而產生的吸入量。

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生的呼出量。

5)暴露于火源而產生的呼出量。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至少滿足輸送物料及熱效應所需的通氣量總和。

2.2.1 物料輸送通氣量要求

呼出量:

其中式(1)為非揮發性物料(蒸氣壓小于或等于5kPa)的呼出量公式，式(2)為揮發性物料(蒸氣壓大于5kPa)的呼出量公式。也有很多標準是根據液體物料的閃點來選擇呼出時所需呼出量的參數，閃點值的選取有 40、45℃等［4－5］。

另外，當注入物料的蒸氣壓力大于儲罐的操作壓力時，可能會發生閃蒸。如果發生閃蒸，所需的呼出量可能會是注入物料體積的很多倍此時應進行閃蒸計算，并相應地增加排氣量。

2.2.2 熱效應通氣量要求

熱效應通氣量是指由于環境變化，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，儲罐無隔熱措施取Ri=1，儲罐全部采用隔熱層的隔熱系數Rin按式(6)確定，儲罐采取了部分隔熱措施的隔熱系數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，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:

式中h—內部傳熱系數，W/(m2·K);

lin—隔熱層厚度;

λin—隔熱材料導熱性，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公式，式(7)表示的是儲罐采用部分隔熱措施的隔熱系數公式。

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，把公式(4)、(5)中的Ri用Rc代替，就可以得到雙層結構儲罐的所需通氣量。結合(1)～(7)式:

呼出量:

2.3 緊急通氣量的確定

緊急通氣量是指當儲罐外壁受到火焰作用，罐體內部溫度急升，蒸汽壓力也隨之急劇升高時，儲罐所需要的通氣量。儲罐內液體吸收的熱量主要是通過暴露在火中的濕潤表面來進行的，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，當然，在泄放裝置開啟后還可能會產生少量輻射熱(幾乎可以忽略)［6］。

對具有弱連接結構的儲罐，本身就是一種特殊緊急排氣手段，因此API650［7］規定，對于弱連接結構的儲罐，可以不設緊急排氣閥。

按API650規定，符合罐頂－罐壁的弱連接結構的條件是，在罐壁外側用連續單面角焊縫把罐頂板焊接到包邊角鋼上，同時應滿足:

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的橫截面積，mm2;

W—罐壁和由罐壁及罐頂支撐的所有構件(不包括頂板)的總重量，N。

在下列任一條件下均應選用緊急泄放閥［8］:

1)盛裝閃點低于37.8℃的石油或石油產品的常壓儲罐，其介質溫度有可能超此閃點。

2)儲罐內介質蒸汽的排放量大，不適合選用呼吸閥。

3)儲罐操作過程中有可能產生非正常內壓。

緊急通氣量按公式(11)確定:

式中 Q—火災傳入熱量，W，選取見表2;

F—環境因子，見表3;

L—罐內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溫度等同;

M—泄放蒸汽的相對分子質量，kg/kmol。

表2 火災傳入熱量Q

表3 環境因子F

表3 (續)

算例:標準狀態下(溫度為0℃、大氣壓為101.325kPa)，儲罐內物料為正己烷(相對分子質量為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F=1.0)，儲罐濕潤面積ATWS為10m2(按Q=63150ATWS)，把所有參數代入公式(11)，得:

如果儲罐的濕潤面積ATWS為300 m2，儲罐為保溫儲罐，導熱系數為5.7 W/(m2·K)，此時根據表2，火災傳入熱量Q=43200ATWS，根據表 3，F 參數選取 0.75，并假定其它參數不變，待入公式(11)，得:

3 呼吸閥泄放口徑的計算

呼吸閥的通氣量分實際通氣量與理論通氣量，而兩者的比率就是排放系數，見公式(12)。呼吸閥生產廠家實測得到呼吸閥的實際通氣量，并與計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有比較詳細的介紹，把K值與呼吸閥出、入口絕對壓力比率的數據可以繪出最佳擬合曲線(K－po/pi)，在實際應用中只要po/pi已知就可以從曲線中查的K值。

其中:qa—實際通氣量;

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—裝置泄放側壓力，kPa;

k—介質的絕熱指數，無量綱;

Ti—裝置的泄放溫度，K;

Zi—壓縮因子;

M—介質相對分子質量，kg/kmol。

公式(13)中，pi與po都是絕對壓力，qth為標態下的流量，單位為Nm3/h。

實際應用時，根據前面介紹的方法，得出儲罐所需的通氣量，把所需通氣量作為qa值，代入式(14)，并根據所選型號呼吸閥的K值，計算得出qth值。再根據式(15)求得Amin，根據式(16)求得呼吸閥的所需的最小泄放口徑，經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。當設置一臺呼吸閥不能滿足儲罐的實際工況時，可以設置多個呼吸閥，呼吸閥對稱分布在儲罐的最高位置［9］。

當呼吸閥與阻火器串聯使用時，需要考慮阻火器的壓力降。阻火器內裝有致密的阻火芯，油罐進行呼吸，它會對通過的氣流產生一定的壓降。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，阻火器產生的壓力降也越大［10］。

4 結語

本文主要介紹了常壓儲罐在正常通氣量和火災緊急泄放量的確定方法，介紹了呼吸閥最小泄放口徑的計算方法，需要注意的是在進行呼吸閥最小泄放口徑的計算時，儲罐通氣量應是標況下的流量。呼吸閥的排放系數應由呼吸閥的廠家提供的K－po/pi曲線查。而在計算呼吸閥口徑時，應該注意公式的適用范圍。