液化石油氣儲(chǔ)運(yùn)容器罐體安全泄放量的計(jì)算

肖學(xué)文，張 強(qiáng)，周 森

（荊門(mén)宏圖特種飛行器制造有限公司，湖北荊門(mén) 448000）

液化石油氣（LPG）是在石油煉制過(guò)程中由多種低沸點(diǎn)氣體組成的混合物，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用到社會(huì)生產(chǎn)以及人們的生活中。LPG具有易燃、易爆、有毒等特性，其在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中存在火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)、爆炸風(fēng)險(xiǎn)、充裝風(fēng)險(xiǎn)、人為風(fēng)險(xiǎn)等[1]。GB11174—2011《液化石油氣》[2]按液化石油氣的組成和揮發(fā)性分為三個(gè)品種：商品丙烷（要求高揮發(fā)性時(shí)使用）、商品丁烷（要求低揮發(fā)性時(shí)使用）、商品丙丁烷混合物（要求中等揮發(fā)性時(shí)使用）。安全閥是保證液化石油氣儲(chǔ)運(yùn)容器罐體（包括移動(dòng)式壓力容器罐體和固定式壓力容器罐體）穩(wěn)定運(yùn)行的安全措施之一，在進(jìn)行安全閥選擇時(shí)，需要對(duì)罐體安全泄放量進(jìn)行計(jì)算，在選擇國(guó)產(chǎn)安全閥時(shí)，對(duì)于固定式LPG儲(chǔ)罐罐體，可以按照GB150.1—2011《壓力容器 第1部分：通用要求》[3]的附錄B進(jìn)行計(jì)算，對(duì)于移動(dòng)式LPG罐車(chē)罐體，可以按照GB/T 19905—2017《液化氣體汽車(chē)罐車(chē)》[4]中B.2 條“按介質(zhì)質(zhì)量法計(jì)算罐體安全泄放量及安全閥排放能力的計(jì)算”；在選擇進(jìn)口的國(guó)際品牌安全閥時(shí)，對(duì)于移動(dòng)式LPG罐車(chē)罐體，可以按照GB/T 19905—2017《液化氣體汽車(chē)罐車(chē)》中B.3 條“按空氣體積法計(jì)算罐體安全泄放量及安全閥排放能力”進(jìn)行計(jì)算，而對(duì)于固定式LPG儲(chǔ)罐，需要進(jìn)行復(fù)雜的轉(zhuǎn)換計(jì)算才能進(jìn)行選擇。在NFPA58—2011《液化石油氣導(dǎo)則》[5]中，對(duì)于液化石油氣儲(chǔ)運(yùn)容器罐體的安全泄放量計(jì)算提出了簡(jiǎn)潔明了的要求，本文對(duì)其進(jìn)行推算研討，得出其與中國(guó)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求基本是一致的，最后對(duì)選用進(jìn)口安全閥時(shí)，提出了罐體安全泄放量計(jì)算的推薦方法。

1 國(guó)內(nèi)三種罐體安全泄放量計(jì)算方法的比較

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，對(duì)于置于地面上無(wú)絕熱層罐體的安全泄放量，GB/T 150.1中的計(jì)算公式（B.3）與ADR[7]中的計(jì)算公式是一致的，而GB/T 19905標(biāo)準(zhǔn)中 “按空氣體積計(jì)算罐體安全泄放量及安全閥排放能力”的計(jì)算公式（B.7）是從ADR中的計(jì)算公式推導(dǎo)而來(lái)的，其與ADR中的計(jì)算公式是一致的，GB/T 19905標(biāo)準(zhǔn)中“采用介質(zhì)質(zhì)量計(jì)算罐體安全泄放量及安全閥排放能力” 的計(jì)算公式（B.1）與GB/T 150.1中的計(jì)算公式（B.3）完全一致。故對(duì)于無(wú)絕熱層的液化石油氣儲(chǔ)運(yùn)容器罐體，采用GB/T 19905中的（B.7）、（B.1）和GB/T 150.1中的（B.3）等三種罐體安全泄放量計(jì)算方法實(shí)質(zhì)上是相同的，區(qū)別在于（B.7）計(jì)算出的罐體安全泄放量是在標(biāo)準(zhǔn)條件（0.1MPa，0℃）下，以每秒標(biāo)準(zhǔn)空氣的排放量表示的，單位為m3/s，（B.1）和（B.3）計(jì)算出的罐體安全泄放量是以每小時(shí)排出的介質(zhì)質(zhì)量表示的，其單位為kg/h。

2 NFPA58中罐體安全泄放量計(jì)算的介紹

在NFPA58—2011的附錄E中，對(duì)于地面以上無(wú)絕熱層容器（儲(chǔ)罐及罐車(chē)）罐體采用彈簧式安全閥時(shí)，其罐體安全泄放量按下列要求進(jìn)行計(jì)算。

2.1 對(duì)于半球形封頭的圓筒形罐體

2.2 對(duì)于非半球形封頭的圓筒形罐體

2.3 對(duì)于球形容器

2.4 罐體的安全泄放量

其中Q的單位為CFM Air（立方英尺每分鐘，空氣排量），A的單位為FT2（平方英尺）。

3 NFPA58中罐體安全泄放量計(jì)算與國(guó)內(nèi)三種計(jì)算方法基本等同的推導(dǎo)

1） 將公式（1）、（2）與GB/T 150.1附錄B進(jìn)行比較，可以看出，公式（1）、（2）與GB/T 150.1附錄B的相應(yīng)公式是一致的；

2） 在GB/T 150.1附錄B中，對(duì)于球形容器外面積的要求是：“球形容器Ar=1.57Do2或從地面起到7.5m高度以下所包含的外表面積，取兩者中的較大值”，可以看出公式（3）的值比GB/T 150.1附錄B的相應(yīng)公式的值大，如果按照公式（3）進(jìn)行計(jì)算，是偏安全的。

3） 采用GB/T 19905公式（B.7）推導(dǎo)出與公式（4）的一致性；

GB/T 19905公式（B.7）為

式中：

Qs為在標(biāo)準(zhǔn)條件（0.1MPa，0℃）下，罐體所需安全泄放裝置總的排放能力（以每秒標(biāo)準(zhǔn)空氣的最小排放量表示），單位為m3/s；

C為氣體特性系數(shù)，當(dāng)K＞1時(shí)：

k為氣體絕熱指數(shù)；

M為氣體的摩爾質(zhì)量，單位為kg/kmol；

T為額定排放壓力下飽和氣體絕對(duì)溫度，單位為K；

Z為額定排放壓力下飽和氣體的壓縮系數(shù)；

q為在泄放壓力下液化氣體的汽化潛熱，單位為kJ/kg；

F為系數(shù)，無(wú)絕熱層時(shí)，F(xiàn)=1.0，此處只考慮無(wú)絕熱層，故公式（5）變?yōu)椋?/p>

在NFPA58表D.2.4.4 中，將地面以上無(wú)絕熱層容器罐體的最大允許工作壓力MAWP規(guī)定為：MAWP（丙烷）=250psig=1.72MPag，MAWP（丁烷）=125psig=0.86MPag。

當(dāng)罐體裝載介質(zhì)為丙烷時(shí)，

安全閥的排放壓力（絕壓）pd=1.2MAWP＋0.1=2.169（MPa）；k=1.125[8]，C=329.45，Z=0.69[3]，T=334.63K[9]，M=44.097[8]kg/kmol，q=252.95kJ/kg[10]。

將上述數(shù)據(jù)代入公式（6）得

公式（7）中Qs的單位為m3/s，Ar的單位為m2，為了便于與公式（4）進(jìn)行比較，需要將（7）中Qs的單位轉(zhuǎn)換為立方英尺每分鐘（CFM），Ar的單位轉(zhuǎn)換為平方英尺（FT2）。

由于

由于1FT=0.304 8m，如需將Ar的單位由m2轉(zhuǎn)換為FT2，則需要將Ar乘以0.304 82，于是根據(jù)公式（7）可以推導(dǎo)出：

將公式（9）的系數(shù)與公式（4）的系數(shù)相比，得到53.44/53.632=0.9964。由此可以看出，公式（4）與公式（9）是基本一致的，即對(duì)于儲(chǔ)運(yùn)丙烷的無(wú)絕熱層容器罐體，采用NFPA58附錄E計(jì)算得到的罐體安全泄放量與采用GB19905公式（B.7）計(jì)算得到的罐體安全泄放量是基本一致的。

當(dāng)罐體裝載介質(zhì)為丁烷時(shí)，

安全閥的排放壓力（絕壓）pd=1.2MAWP＋0.1=1.132（MPa）；k=1.09，C=325.65，Z=0.8，T=358.53K，M=58.124kg/kmol，q=281.44kJ/kg。

將上述數(shù)據(jù)代入公式（6）得

按上述方法將公式（10）進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到：

將公式（11）的系數(shù)與公式（4）的系數(shù)相比，得到47.19/53.632=0.88。由此可以看出，公式（11）的計(jì)算結(jié)果比公式（4）的計(jì)算結(jié)果小，即對(duì)于儲(chǔ)運(yùn)丁烷的無(wú)絕熱層容器罐體，采用NFPA58附錄E計(jì)算得到的罐體安全泄放量是偏安全的。

綜上所述，NFPA58中對(duì)于地面以上無(wú)絕熱層容器罐體安全泄放量計(jì)算與國(guó)內(nèi)三種計(jì)算方法基本等同。

4 當(dāng)選用進(jìn)口安全閥時(shí)，液化石油氣儲(chǔ)運(yùn)容器罐體安全泄放量計(jì)算方法的推薦

1） 當(dāng)選用進(jìn)口安全閥時(shí)，安全閥排量單位一般標(biāo)注的是立方英尺每分鐘空氣流量（SCFM Air）[11]。

2） 對(duì)于地面以上無(wú)絕熱層容器罐體，當(dāng)儲(chǔ)運(yùn)丙烷的罐體設(shè)計(jì)壓力為1.72MPa，儲(chǔ)運(yùn)丁烷罐體設(shè)計(jì)壓力為0.86MPa時(shí)，可以按NFPA58附錄E 的公式，即本文公式（4）計(jì)算罐體的安全泄放量，罐體的外表面積可以分別按本文公式（1）、（2）、（3）進(jìn)行計(jì)算，要注意此方法計(jì)算中，需采用英制單位，罐體的外表面積的單位為平方英尺，罐體安全泄放量的單位為平方英尺每分鐘空氣流量（SCFM Air）。

3） 對(duì)于地面以上無(wú)絕熱層容器罐體，當(dāng)儲(chǔ)運(yùn)丙烷的罐體設(shè)計(jì)壓力不是1.72MPa，儲(chǔ)運(yùn)丁烷罐體設(shè)計(jì)壓力不是0.86MPa時(shí)，可以按GB/T 19905 的公式（B.7）計(jì)算罐體的安全排放量，要注意此方法計(jì)算中，采用公制單位，罐體的外表面積的單位為平方米，罐體安全泄放量的單位為m3/s，故需將計(jì)算結(jié)果乘以系數(shù)2 118.88，將單位由（m3/s）轉(zhuǎn)換為（SCFM Air）后，進(jìn)行進(jìn)口安全閥選型，對(duì)于球罐的外表面積，可以按公式（3）進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果相對(duì)于國(guó)內(nèi)要求偏安全，滿足NFPA 58的要求。