外部火災(zāi)事故工況下安全泄放量計(jì)算

王緒建 重慶紫光國(guó)際化工有限責(zé)任公司 重慶 401220

2020年，國(guó)務(wù)院安委會(huì)印發(fā)了《全國(guó)安全生產(chǎn)專項(xiàng)整治三年行動(dòng)計(jì)劃》，多地要求化工生產(chǎn)企業(yè)對(duì)在役化工裝置進(jìn)行安全設(shè)計(jì)診斷。在相關(guān)工作推進(jìn)中發(fā)現(xiàn)，有些化工生產(chǎn)企業(yè)在裝置設(shè)計(jì)建設(shè)或?qū)ρb置進(jìn)行改造時(shí)，對(duì)獨(dú)立壓力系統(tǒng)事故工況的判斷和安全泄放裝置的計(jì)算與選型存在缺失、錯(cuò)誤的情況，給安全生產(chǎn)埋下了隱患，阻礙了安全生產(chǎn)的高質(zhì)量發(fā)展。

化工裝置中，為了防止人的誤操作、設(shè)備設(shè)施故障、物料累積、能量變化、化學(xué)反應(yīng)失控、外部火災(zāi)等引起系統(tǒng)壓力過(guò)高而發(fā)生安全事故，應(yīng)設(shè)置防止超壓用的安全泄放裝置，使系統(tǒng)及時(shí)將風(fēng)險(xiǎn)泄放到可接受風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域，并及時(shí)控制，防止風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步擴(kuò)大。本文結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[1-2]、工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和生產(chǎn)管理經(jīng)驗(yàn)，對(duì)化工裝置外部火災(zāi)事故工況的安全泄放量計(jì)算進(jìn)行簡(jiǎn)單說(shuō)明。

1 概述

安全泄放裝置一般分安全閥和爆破片兩種，獨(dú)立的壓力系統(tǒng)(有切斷閥與其他系統(tǒng)分開(kāi))應(yīng)設(shè)置安全閥、爆破片或這兩者的組合裝置。不論采用哪種安全泄放裝置或組合，都要首先計(jì)算不同事故工況下的安全泄放量，然后根據(jù)最大安全泄放量計(jì)算安全閥、爆破片或這兩者組合裝置的最小泄放面積，最后結(jié)合制造廠家的實(shí)際型號(hào)確定安全泄放裝置的詳細(xì)規(guī)格參數(shù)。

2 外部火災(zāi)事故工況下安全泄放量計(jì)算

此處所稱的外部火災(zāi)事故工況是指盛有介質(zhì)的容器及管道暴露在外部火災(zāi)中的事故工況。對(duì)于液體壓力容器，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，外部火災(zāi)傳入的熱量通過(guò)容器內(nèi)的潤(rùn)濕面積使內(nèi)部物料氣化，其安全泄放量的計(jì)算分三步：

2.1 步驟一：受熱潤(rùn)濕面積(A)計(jì)算

容器受熱潤(rùn)濕面積指容器內(nèi)液面以下，受外部火災(zāi)傳入熱量影響而可能引起相變或壓力變化的容器外表面積。獨(dú)立壓力系統(tǒng)的受熱潤(rùn)濕面積(A)為容器受熱潤(rùn)濕面積與管道受熱潤(rùn)濕面積之和。管道受熱潤(rùn)濕面積為受外部火災(zāi)影響的管道外表面積之和，需根據(jù)管道布置的實(shí)際管道長(zhǎng)度和外徑來(lái)計(jì)算。

根據(jù)容器類型，容器受熱潤(rùn)濕面積計(jì)算可大致歸納為四種類型，見(jiàn)圖1。

圖1 典型容器類型

圖中，Do為容器外徑，mm；TT為容器兩端封頭切線間距，mm；L為容器內(nèi)正常最高液位，mm；H為容器離地或離平臺(tái)高度，mm。

依照?qǐng)D1中1#臥式容器、2#帶裙座立式容器、3#不帶裙座立式容器、4#球型容器四種容器類型和圖中的尺寸數(shù)據(jù)，即可運(yùn)用不同形狀(圓柱體、球體、旋轉(zhuǎn)橢球體、圓等)的表面積公式計(jì)算容器受熱潤(rùn)濕面積。需要說(shuō)明的是：

(1)因火災(zāi)火焰高度不可能無(wú)限高，故往往從安全技術(shù)經(jīng)濟(jì)性上認(rèn)為，距地面或距能形成大面積火焰的平臺(tái)之上7.5m高度，是有效的火焰高度，即H+L≤7.5m。如H+L>7.5m，則L=7.5m-H，而不是容器內(nèi)實(shí)際的正常最高液位。其中，4#球型容器的上半球體不計(jì)入潤(rùn)濕面積計(jì)算，潤(rùn)濕面積應(yīng)取半球表面積或距地面、平臺(tái)7.5m高度下表面積二者中的較大者。

(2)1#臥式容器的潤(rùn)濕面積由罐壁潤(rùn)濕面積和封頭潤(rùn)濕面積兩部分組成。罐壁潤(rùn)濕面積由罐壁潤(rùn)濕面弧度和圓柱筒體外表面積計(jì)算得來(lái)。封頭潤(rùn)濕面積依照標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭、半球形封頭、平封頭等不同封頭形式，分別運(yùn)用旋轉(zhuǎn)橢球體、球體、圓等的表面積計(jì)算公式計(jì)算得來(lái)。

(1)

式中，h為橢圓封頭直邊長(zhǎng)度，mm；Ho為橢圓封頭總長(zhǎng)度(封頭外壁橢圓的短半軸長(zhǎng)度=Ho-h)，mm。

(3)2#帶裙座立式容器的下封頭面積不需計(jì)入潤(rùn)濕面積，3#不帶裙座立式容器的下封頭面積則需計(jì)入潤(rùn)濕面積。對(duì)于立式容器，液位L起始線為下封頭切線。

(4)塔設(shè)備潤(rùn)濕面積為塔釜正常最高液位與7.5m高度內(nèi)的塔盤上液體部分的外表面積之和。

以橢圓封頭不帶裙座精餾塔為例，即圖1類型3#，封頭類型為EHB，液位L為塔釜正常最高液位與7.5m高度內(nèi)的塔盤上液體部分的液位之和，其潤(rùn)濕面積計(jì)算公式為：

(2)

(5)氣體壓縮機(jī)出口緩沖罐液位最多按一半的高度考慮。

(6)圖1中1#、2#、3#、4#四種容器類型，不僅限于指儲(chǔ)罐，而是指可大致歸納為這四種類型的容器類型。不同于以上四類的容器，可根據(jù)實(shí)際情況另行計(jì)算其受熱潤(rùn)濕面積。

2.2 步驟二：容器外壁校正系數(shù)(F)計(jì)算

容器壁外的保溫保冷設(shè)施可以阻礙火焰熱量傳至容器，用容器外壁校正系數(shù)(F)反映其對(duì)傳熱的影響。需要進(jìn)行外壁校正的容器可大致歸納為五種類型：

(1)a#容器有水噴淋設(shè)施，F(xiàn)=1.0；

(2)b#容器有保冷，F(xiàn)=1.0；

(3)c#容器在地面上無(wú)保溫，F(xiàn)=1.0；

(4)d#容器在地面上有保溫，容器外壁校正系數(shù)可用以下公式計(jì)算：

(3)

式中：λ為保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)，kJ/(m·h·℃);d0為保溫材料厚度，mm；t為泄放溫度，℃。

(5)e#容器在地面之下或有砂土覆蓋的地上容器，可將d#中保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)和厚度換成土壤或砂土的相應(yīng)數(shù)值，進(jìn)行容器外壁校正系數(shù)計(jì)算。

2.3 步驟三：安全泄放量(W)計(jì)算

根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API 520[2]中的規(guī)定，安全泄放量計(jì)算公式為：

(4)

式中：W為質(zhì)量泄放量，kg/h；K為危險(xiǎn)系數(shù)，如有足夠的消防保護(hù)措施和有能及時(shí)排走地面上泄漏物料的措施，K=1.555，反之，K=2.55；F為容器外壁校正系數(shù)；A為受熱潤(rùn)濕面積，m2；Hl為泄放條件下的汽化熱，kJ/kg。

多組分混合物的汽化熱取值方法[4]如下：

(1)泄放條件下，飽和蒸氣的焓與飽和液體的焓的差值，對(duì)于寬沸點(diǎn)混合物，計(jì)算誤差較大。

(2)按輕組分的汽化熱計(jì)算，計(jì)算得到的泄放量可能偏大，也可能偏小。

(3)按主要組分的汽化熱計(jì)算，計(jì)算得到的泄放量可能偏大，也可能偏小。

(4)按汽化熱最小的組分的汽化熱計(jì)算，計(jì)算得到的泄放量可能過(guò)大。

(5)通過(guò)流程模擬軟件對(duì)混合物進(jìn)行泄放壓力下的多級(jí)閃蒸，計(jì)算出每級(jí)閃蒸的“表觀汽化熱”等，由此計(jì)算出每級(jí)閃蒸需要的最大泄放面積，再來(lái)確定用于計(jì)算安全閥泄放量的汽化熱值、氣體分子量、壓縮因子、安全閥喉徑大小等。

相比前四種方法，方法(5)較準(zhǔn)確。

2.4 氣體(蒸汽)壓力容器安全泄放量(W)計(jì)算

正常工況下，容器內(nèi)的介質(zhì)物性狀態(tài)為氣體、蒸汽或超臨界流體，但在泄放條件下為全氣相的情況，安全泄放量計(jì)算公式為：

(5)

式中，W為質(zhì)量泄放量，kg/h；Tw為金屬壁溫，℃；T1為泄放條件下的溫度，℃，可根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計(jì)算得出；p1為泄放壓力，MPa(A)，即安全閥或爆破片的泄放壓力；A為受熱潤(rùn)濕面積，m2；M為分子量。

2.5 安全閥入口處有爆破片的情況

需要單獨(dú)說(shuō)明的是，在安全閥入口處有爆破片的情況下，標(biāo)準(zhǔn)API-520[2]認(rèn)為，爆破片將降低10%的安全閥泄放能力，而標(biāo)準(zhǔn)HG/T 20570.3—95[1]認(rèn)為，爆破片將降低20%的安全閥泄放能力。故如選擇安全閥入口處配爆破片的組合裝置，需要對(duì)安全泄放量進(jìn)行111%或125%的放大計(jì)算，才能計(jì)算并選出符合泄放要求的安全泄放裝置。

3 結(jié)語(yǔ)

安全泄放量的正確計(jì)算是安全閥、爆破片正確計(jì)算與選型的前提。本文僅對(duì)外部火災(zāi)事故工況的安全泄放量計(jì)算進(jìn)行了說(shuō)明，為安全泄放裝置的工程設(shè)計(jì)、診斷變更及安全設(shè)置提供參考。由于化工裝置情況復(fù)雜，且可能的事故工況較多，因此需要工程設(shè)計(jì)、制造安裝、生產(chǎn)使用各方根據(jù)具體情況對(duì)事故工況和安全泄放裝置進(jìn)行綜合考慮、科學(xué)設(shè)計(jì)和正確使用，以保障化工裝置的經(jīng)濟(jì)性和安全性。