火災工況下儲罐放空量的計算

楊 梅

〔中國石油工程建設有限公司華北分公司 河北任丘 062550〕

儲存甲B、乙類液體的固定頂儲罐和地上臥式儲罐，采用氮氣或其他惰性氣體密封保護系統(tǒng)的儲罐，在其通向大氣的通氣管上應設呼吸閥[1]。在一般情況下，呼吸閥關(guān)閉，保持儲罐的密閉性，減少液體蒸發(fā)損耗；必要時，能自動通氣，平衡儲罐內(nèi)外壓力，對儲罐起到保護作用[2-3]。正常情況下，儲罐呼吸量應考慮液體進出的呼吸量與環(huán)境溫度變化的呼吸量之和[4]。

當儲罐暴露于火災時會導致氣相體積在幾分鐘內(nèi)劇烈膨脹，液體沸騰，并在幾小時后完全蒸發(fā)[5-6]。因此，火災時所需放空量會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罐，頂-壁連接會比儲罐其他焊縫先損壞。在正常放空量不足時，實現(xiàn)超壓泄放[7-8]。對于此類儲罐，不必考慮火災工況下的額外放空量[9]。當儲罐不具備弱頂連接結(jié)構(gòu)，應確定其暴露于火災時所需的放空量。

1 火災工況放空量

1.1 儲罐濕潤面積

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

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

1.2 放空量計算

火災工況下，儲罐放空量按下式計算[5]：

(1)

式中：Q為火災的熱量輸入，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為泄放蒸汽的絕對溫度，K；通常假設該溫度為液體在泄放壓力下的泡點溫度；M為蒸汽的相對摩爾質(zhì)量。

表1 火災的熱量輸入

表2 儲罐環(huán)境系數(shù)

1.3 公式簡化

當儲存液體的物性與己烷相似時，可對公式(1)進行簡化。已知己烷的蒸汽潛熱為334 900 J/kg(常壓)，相對摩爾質(zhì)量為86.17，假設蒸汽溫度為15.6 ℃。

(1)當濕潤表面積<260 m2，設計壓力≤103.4 kPa時，可根據(jù)表1中公式計算熱量輸入，再結(jié)合公式(1)，計算放空量，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 火災工況下的緊急放空量(不含環(huán)境系數(shù)F)

(2)當濕潤表面積≥260 m2，設計壓力≤7 kPa時，熱量輸入為定值4 129 700 W，結(jié)合公式(1)，儲罐放空量為19 910×F。

(3)當濕潤表面積≥260 m2，設計壓力7～103.4 kPa時，式(1)可以簡化為：

q=208.2F·ATWS0.82

(2)

2 緊急放空措施

當儲罐暴露于火災時，用于正常工況的呼吸閥放空能力不足，應提供額外的緊急放空設備，使總放空量至少等于公式(1)的放空量[11]。火災時可忽略環(huán)境溫度變化的影響，并假設火災時沒有液體進入儲罐[5]。

通常采用以下措施實現(xiàn)緊急放空[12]：①大一級通風口或增加通風口；②大一級呼吸閥或增加呼吸閥；③蓋子在非正常內(nèi)壓下能夠自動打開的量油口；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

當儲罐暴露于火災時，根據(jù)不同儲罐類型，確定其濕潤面積，進而確定其熱量輸入，結(jié)合液體物性與環(huán)境系數(shù)，計算儲罐所需的緊急放空量。參考己烷的物性參數(shù)，對計算公式進行簡化，對于物性與己烷相似的液體，可利用簡化公式進行計算。火災時，可忽略環(huán)境溫度變化的影響，并假設沒有液體進入儲罐。當呼吸閥放空量不足時，需增加緊急放空設備，以滿足火災時儲罐的放空要求。