防火絕熱下火災(zāi)泄放量計(jì)算分析

任帥，陳斌

（華陸工程科技有限責(zé)任公司，西安 710065）

1 引言

在化工生產(chǎn)過(guò)程中，盛有液體物料的管道、設(shè)備在事故火災(zāi)下，其內(nèi)部物料會(huì)不斷汽化造成系統(tǒng)壓力升高[1]。為了避免設(shè)備及管道在火災(zāi)下?lián)p壞引起更多的災(zāi)害，需要設(shè)置壓力泄放裝置對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行泄壓。

伴隨著生產(chǎn)設(shè)備體積的增大，火災(zāi)工況下計(jì)算出的設(shè)備安全泄也放量越來(lái)越大，從而對(duì)事故泄放氣的處理措施（如高架/ 地面火炬等）帶來(lái)很大的設(shè)計(jì)困難。

本文的主要研究方向，即探尋一種合理的方法，有效降低火災(zāi)工況下設(shè)備的安全泄放量，并通過(guò)一種典型的球罐火災(zāi)工況探討減排效果。

2 外部火災(zāi)下系統(tǒng)泄放量的計(jì)算基礎(chǔ)

根據(jù)HG/T 20570.2—1995《安全閥的設(shè)置和選用》中算法[2]，發(fā)生外部火災(zāi)的設(shè)備/ 系統(tǒng)，安全泄放量主要由式（1）～式（3）進(jìn)行計(jì)算：

式（1）、式（2）中，W 為質(zhì)量泄放量，kg/h；Hl為泄放條件下汽化潛熱，kJ/kg；A 為潤(rùn)濕面積，m2；F 為容器外壁矯正系數(shù)。

式（1）用于計(jì)算無(wú)絕熱措施的容器，而式（2）用于計(jì)算有足夠消防保護(hù)措施和有能及時(shí)排走地面上泄漏措施時(shí)的容器。顯而易見(jiàn)，合格的化工生產(chǎn)裝置必然設(shè)計(jì)了足夠的消防保護(hù)措施，但是在著火事故中，及時(shí)排走地上泄漏物料幾乎是不可完成的，因此本著從嚴(yán)原則，研究式（1）算法減排的可能性。

1）Hl為整定壓力下的流體物性參數(shù)，無(wú)法更改。

2）A 為潤(rùn)濕面積，按照HG/T 20570.2—1995《安全閥的設(shè)置和選用》定義為距著火平面7.5 m 范圍內(nèi)的容器外表面積與最高正常液位以下的外表面積比較，取兩者中較小值。在鋼格柵框架內(nèi)只有地面才能形成穩(wěn)定的著火面，提升設(shè)備安裝高度就可能減小潤(rùn)濕面積，混凝土框架每層都可形成穩(wěn)定的著火面，框架高度6～8 m 不可調(diào)，造成無(wú)法減小A 來(lái)減排。

3）F 為容器外壁矯正系數(shù)，描述容器外設(shè)施阻礙火焰熱量傳遞給容器的定量系數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)中選取定義為：（1）容器在地面上無(wú)絕熱：F=1.0；（2）容器在地下用沙土覆蓋：F=0.3（受限較大，均無(wú)法在化工裝置中得到廣泛的運(yùn)用）；（3）容器頂部設(shè)有大于10 L/（m2·min）水噴淋裝置：F=0.6（由于工藝安全泄放計(jì)算會(huì)假定消防失效，因此與第（1）情況的最后效果相同）；因此，通過(guò)F 值來(lái)進(jìn)行減排效果不理想。

除了式（1）、式（2），容器在地面有完好的保溫（絕熱），因此，可使用式（3）計(jì)算泄放量：

式中，t 為泄放溫度，℃；λ 為絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/（m·h·℃）；d0為絕熱材料厚度，m。

式（1）和式（2）沒(méi)有可優(yōu)化參數(shù)，下面重點(diǎn)探討式（3），通過(guò)增加絕熱掛載來(lái)減少火災(zāi)工況下的排放方案。

3 防火保溫的容器火災(zāi)泄放量

化工領(lǐng)域通常需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行保溫（防止內(nèi)部熱量散逸）、保冷（防止外部熱量輸入）、雙溫（變溫況設(shè)備），常用的絕熱材料有如下幾種：（1）巖棉；（2）玻璃棉；（3）硅酸鋁；（4）氣凝膠；（5）聚氨酯；（6）泡沫玻璃。

以上（1）～（4）主要用于保溫，（5）～（6）主要用于保冷，對(duì)于某些特殊工況（雙溫、防止結(jié)露等），絕熱材料使用（5）和（6）。

排除在事故火災(zāi)工況下可輕易達(dá)到燃/ 熔點(diǎn)的物質(zhì)，以上各物質(zhì)中只有硅酸鋁和玻璃棉兩種材質(zhì)符合火災(zāi)工況使用條件，因此，本文重點(diǎn)探討使用這兩種材料的設(shè)備的火災(zāi)泄放量。

依據(jù)GB 50264—2013《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]，硅酸鋁纖維（DN≤100 mm 管殼）導(dǎo)熱系數(shù)λ 計(jì)算見(jiàn)式（4）、式（5）：

式（4）、式（5）中，Tm為絕熱材料內(nèi)外表面溫度算術(shù)平均值，℃；λ 為絕熱材料的導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/（m·h·℃）；Tm≤400 ℃時(shí)λ=λL（GB 50264 附錄A）。Tm＞400 ℃時(shí)λ=λH，λH為式（4）中帶入Tm=400 的計(jì)算值（GB 50264 附錄A）。

泡沫玻璃導(dǎo)熱系數(shù)λ：

依據(jù)API 521 標(biāo)準(zhǔn)Pressure-relieving and Depressuring Systems，在火災(zāi)工況下容器外殼可以假定溫度為904 ℃。

案例：已知某液態(tài)醇烴項(xiàng)目中，使用一個(gè)2 000 m3球罐進(jìn)行液態(tài)醇烴的儲(chǔ)存，儲(chǔ)罐示意圖如圖1 所示。

圖1 儲(chǔ)罐示意圖（單位：mm）

儲(chǔ)罐直徑15.7 m，支腿高度9.8 m；操作壓力0.3 MPa（G），操作溫度是50 ℃，安全閥整定壓力0.7 MPa（G）。該液態(tài)醇烴在泄放工況下汽化潛熱Hl=141.7 kJ/kg；泄放溫度t=134.9 ℃。Tm=（904+50）/2=477 ℃。

計(jì)算7.5 m 受火高度下此球罐的潤(rùn)濕面積A。根據(jù)球缺面積計(jì)算公式S=2πRH（R 為球缺圓半徑；H 為球缺高度），潤(rùn)濕面積為：

1）根據(jù)式（1）計(jì)算無(wú)絕熱保護(hù)時(shí)候的泄放量W1（F 取1）：

2）對(duì)儲(chǔ)罐使用80 mm 硅酸鋁進(jìn)行防火保溫，則根據(jù)式（4）、式（5）導(dǎo)熱系數(shù)λH得：

將上述λH帶入式（3）計(jì)算防火保溫儲(chǔ)罐的泄放量W2：

3）對(duì)儲(chǔ)罐使用70 mm 泡沫玻璃進(jìn)行防火保溫，則根據(jù)式（6）導(dǎo)熱系數(shù)λ 得：

將上述λ 帶入式（3）計(jì)算防火保溫儲(chǔ)罐的泄放量W3：

W1遠(yuǎn)大于W2和W3，使用防火保溫可以極大地減少火災(zāi)工況的安全泄放量。

4 使用防火保溫減排的局限性與解決方案

防火保溫減排法在實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐中有一定的局限性。

1）外部防火保溫的有效性較難驗(yàn)證：根據(jù)API 521 標(biāo)準(zhǔn)，安裝好的防火保溫需要經(jīng)受消防的高壓水流沖擊[國(guó)內(nèi)消防水操作壓力一般約為1.4 MPa(G)]后，仍不致脫落。保護(hù)系統(tǒng)的隔熱層需要耐受904 ℃的溫度，維持2 h 不損壞的能力[4]。大部分現(xiàn)場(chǎng)缺乏檢驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

2）日常維護(hù)水平要求較高：實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，保溫層實(shí)際上經(jīng)常會(huì)小塊剝離，露出設(shè)備本體，以方便現(xiàn)場(chǎng)人員巡視檢查，排除隱患，但會(huì)破壞保溫層的完整性。

3）泄放量過(guò)小，與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備尺寸不協(xié)調(diào)：以案例中2 000 m3大罐舉例，3 種不同計(jì)算方案計(jì)算的泄放量如表1 所示。

表1 不同做法的儲(chǔ)罐火災(zāi)泄放量

后兩者數(shù)據(jù)過(guò)小，沒(méi)有足夠安全裕量，影響裝置的安全。同時(shí)，按照后兩者泄放數(shù)據(jù)計(jì)算得安全閥安裝管徑為DN25 左右，相較于常規(guī)2 000 m3球罐的放空管徑過(guò)小。

因此，雖然儲(chǔ)罐防火絕熱對(duì)于安全泄放量的減排效果顯著，但是不建議直接使用過(guò)小的排放量進(jìn)行最終設(shè)計(jì)。

對(duì)比國(guó)內(nèi)外相關(guān)規(guī)范，其中，GB/T 150.1—2011《壓力容器第1 部分：通用要求》有條款B.7.4.2：“介質(zhì)為非易爆液化氣體的容器，置于無(wú)火災(zāi)危險(xiǎn)的環(huán)境下工作時(shí)，安全泄放量可根據(jù)有、無(wú)絕熱保溫層，取不低于計(jì)算值的30%”[5]。

API 521 對(duì)于制備完好絕熱系統(tǒng)的要求：承受暴露溫度為904 ℃且長(zhǎng)達(dá)2 h 無(wú)影響。

做好絕熱的設(shè)備可以假定在足夠時(shí)間內(nèi)無(wú)火災(zāi)危險(xiǎn)，因此，按照GB/T 150.1—2011，無(wú)火災(zāi)環(huán)境系數(shù)修正本文中球罐的泄放量W4=W1×0.3=172 889×0.3=51 866.7 kg/h。

此泄放量從工業(yè)角度來(lái)看較為合理，因?yàn)闈M足了以下3點(diǎn)：（1）泄放量超過(guò)嚴(yán)格絕熱計(jì)算的結(jié)果，滿足了最低要求；（2）泄放量與無(wú)防護(hù)設(shè)備泄放量處于同一個(gè)數(shù)量級(jí)，有足夠的安全冗余量，增大了安全系數(shù)；（3）降低了70%的泄放量，減少了裝置最終排放處理設(shè)施的設(shè)計(jì)壓力。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)一系列計(jì)算研究，并結(jié)合作者的工程設(shè)計(jì)實(shí)踐，證明了防火保溫可以有效減少火災(zāi)安全泄放量，但是直接根據(jù)HG/T 20570.2—1995《安全閥的設(shè)置和選用》計(jì)算的泄放量過(guò)于激進(jìn)，因此本文不推薦。

經(jīng)過(guò)探討，推薦使用GB/T 150.1—2011《壓力容器 第1 部分：通用要求》的0.3 倍無(wú)防護(hù)泄放量算法，即安全泄放量滿足了最低要求，也留有足夠的安全裕量，同時(shí)相比無(wú)絕熱工況得到了有效降低。

目前，火災(zāi)工況下的設(shè)備安全泄放量仍處于不斷探索中，仍需繼續(xù)研究及不斷完善，等待更為精確的算法，并最終在生產(chǎn)實(shí)踐中得到充分驗(yàn)證。