火災(zāi)工況下儲(chǔ)罐放空量的計(jì)算

楊 梅

〔中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司華北分公司 河北任丘 062550〕

儲(chǔ)存甲B、乙類液體的固定頂儲(chǔ)罐和地上臥式儲(chǔ)罐，采用氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w密封保護(hù)系統(tǒng)的儲(chǔ)罐，在其通向大氣的通氣管上應(yīng)設(shè)呼吸閥[1]。在一般情況下，呼吸閥關(guān)閉，保持儲(chǔ)罐的密閉性，減少液體蒸發(fā)損耗；必要時(shí)，能自動(dòng)通氣，平衡儲(chǔ)罐內(nèi)外壓力，對(duì)儲(chǔ)罐起到保護(hù)作用[2-3]。正常情況下，儲(chǔ)罐呼吸量應(yīng)考慮液體進(jìn)出的呼吸量與環(huán)境溫度變化的呼吸量之和[4]。

當(dāng)儲(chǔ)罐暴露于火災(zāi)時(shí)會(huì)導(dǎo)致氣相體積在幾分鐘內(nèi)劇烈膨脹，液體沸騰，并在幾小時(shí)后完全蒸發(fā)[5-6]。因此，火災(zāi)時(shí)所需放空量會(huì)超出正常呼吸的放空量。根據(jù)API650的描述，弱頂連接的固定頂儲(chǔ)罐，頂-壁連接會(huì)比儲(chǔ)罐其他焊縫先損壞。在正常放空量不足時(shí)，實(shí)現(xiàn)超壓泄放[7-8]。對(duì)于此類儲(chǔ)罐，不必考慮火災(zāi)工況下的額外放空量[9]。當(dāng)儲(chǔ)罐不具備弱頂連接結(jié)構(gòu)，應(yīng)確定其暴露于火災(zāi)時(shí)所需的放空量。

1 火災(zāi)工況放空量

1.1 儲(chǔ)罐濕潤(rùn)面積

計(jì)算火災(zāi)工況下儲(chǔ)罐的放空量，首先需要明確儲(chǔ)罐的濕潤(rùn)面積(ATWS)。濕潤(rùn)面積，即儲(chǔ)罐暴露于內(nèi)部液體和外部火災(zāi)的表面積。濕潤(rùn)面積通常按以下原則確定[5]。

(1)球罐濕潤(rùn)面積等于球罐表面積的55%，或地面以上9.14 m的表面積，兩者取較大值。

(2)臥式罐濕潤(rùn)面積等于臥式罐表面積的75%，或地面以上9.14 m的表面積，兩者取較大值。

(3)立式罐濕潤(rùn)面積等于地面以上9.14 m的罐壁表面積。對(duì)于地上儲(chǔ)罐，濕潤(rùn)面積不包含罐底板的面積；對(duì)于高架儲(chǔ)罐，濕潤(rùn)面積需包含部分罐底板面積，罐底暴露于火災(zāi)的面積基于儲(chǔ)罐的直徑和架空高度確定。

1.2 放空量計(jì)算

火災(zāi)工況下，儲(chǔ)罐放空量按下式計(jì)算[5]：

(1)

式中：Q為火災(zāi)的熱量輸入，W，通常按表1確定；F為環(huán)境系數(shù)，通常按表2確定；L為儲(chǔ)存液體在泄放壓力和溫度下的蒸汽潛熱，J/kg；T為泄放蒸汽的絕對(duì)溫度，K；通常假設(shè)該溫度為液體在泄放壓力下的泡點(diǎn)溫度；M為蒸汽的相對(duì)摩爾質(zhì)量。

表1 火災(zāi)的熱量輸入

表2 儲(chǔ)罐環(huán)境系數(shù)

1.3 公式簡(jiǎn)化

當(dāng)儲(chǔ)存液體的物性與己烷相似時(shí)，可對(duì)公式(1)進(jìn)行簡(jiǎn)化。已知己烷的蒸汽潛熱為334 900 J/kg(常壓)，相對(duì)摩爾質(zhì)量為86.17，假設(shè)蒸汽溫度為15.6 ℃。

(1)當(dāng)濕潤(rùn)表面積<260 m2，設(shè)計(jì)壓力≤103.4 kPa時(shí)，可根據(jù)表1中公式計(jì)算熱量輸入，再結(jié)合公式(1)，計(jì)算放空量，如表3所示。表中的緊急放空量還需乘以環(huán)境系數(shù)F，每次只考慮一種環(huán)境系數(shù)值。

表3 火災(zāi)工況下的緊急放空量(不含環(huán)境系數(shù)F)

(2)當(dāng)濕潤(rùn)表面積≥260 m2，設(shè)計(jì)壓力≤7 kPa時(shí)，熱量輸入為定值4 129 700 W，結(jié)合公式(1)，儲(chǔ)罐放空量為19 910×F。

(3)當(dāng)濕潤(rùn)表面積≥260 m2，設(shè)計(jì)壓力7～103.4 kPa時(shí)，式(1)可以簡(jiǎn)化為：

q=208.2F·ATWS0.82

(2)

2 緊急放空措施

當(dāng)儲(chǔ)罐暴露于火災(zāi)時(shí)，用于正常工況的呼吸閥放空能力不足，應(yīng)提供額外的緊急放空設(shè)備，使總放空量至少等于公式(1)的放空量[11]。火災(zāi)時(shí)可忽略環(huán)境溫度變化的影響，并假設(shè)火災(zāi)時(shí)沒有液體進(jìn)入儲(chǔ)罐[5]。

通常采用以下措施實(shí)現(xiàn)緊急放空[12]：①大一級(jí)通風(fēng)口或增加通風(fēng)口；②大一級(jí)呼吸閥或增加呼吸閥；③蓋子在非正常內(nèi)壓下能夠自動(dòng)打開的量油口；④在非正常內(nèi)壓下能夠打開的人孔蓋；⑤弱頂連接結(jié)構(gòu)；⑥爆破片；⑦能夠?qū)崿F(xiàn)壓力泄放的其他結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)束語

當(dāng)儲(chǔ)罐暴露于火災(zāi)時(shí)，根據(jù)不同儲(chǔ)罐類型，確定其濕潤(rùn)面積，進(jìn)而確定其熱量輸入，結(jié)合液體物性與環(huán)境系數(shù)，計(jì)算儲(chǔ)罐所需的緊急放空量。參考己烷的物性參數(shù)，對(duì)計(jì)算公式進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)于物性與己烷相似的液體，可利用簡(jiǎn)化公式進(jìn)行計(jì)算。火災(zāi)時(shí)，可忽略環(huán)境溫度變化的影響，并假設(shè)沒有液體進(jìn)入儲(chǔ)罐。當(dāng)呼吸閥放空量不足時(shí)，需增加緊急放空設(shè)備，以滿足火災(zāi)時(shí)儲(chǔ)罐的放空要求。