防火絕熱下火災泄放量計算分析

任帥，陳斌

（華陸工程科技有限責任公司，西安 710065）

1 引言

在化工生產過程中，盛有液體物料的管道、設備在事故火災下，其內部物料會不斷汽化造成系統壓力升高[1]。為了避免設備及管道在火災下損壞引起更多的災害，需要設置壓力泄放裝置對系統進行泄壓。

伴隨著生產設備體積的增大，火災工況下計算出的設備安全泄也放量越來越大，從而對事故泄放氣的處理措施（如高架/ 地面火炬等）帶來很大的設計困難。

本文的主要研究方向，即探尋一種合理的方法，有效降低火災工況下設備的安全泄放量，并通過一種典型的球罐火災工況探討減排效果。

2 外部火災下系統泄放量的計算基礎

根據HG/T 20570.2—1995《安全閥的設置和選用》中算法[2]，發生外部火災的設備/ 系統，安全泄放量主要由式（1）～式（3）進行計算：

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

式（1）用于計算無絕熱措施的容器，而式（2）用于計算有足夠消防保護措施和有能及時排走地面上泄漏措施時的容器。顯而易見，合格的化工生產裝置必然設計了足夠的消防保護措施，但是在著火事故中，及時排走地上泄漏物料幾乎是不可完成的，因此本著從嚴原則，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，無法更改。

2）A 為潤濕面積，按照HG/T 20570.2—1995《安全閥的設置和選用》定義為距著火平面7.5 m 范圍內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。在鋼格柵框架內只有地面才能形成穩定的著火面，提升設備安裝高度就可能減小潤濕面積，混凝土框架每層都可形成穩定的著火面，框架高度6～8 m 不可調，造成無法減小A 來減排。

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

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）計算泄放量：

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

式（1）和式（2）沒有可優化參數，下面重點探討式（3），通過增加絕熱掛載來減少火災工況下的排放方案。

3 防火保溫的容器火災泄放量

化工領域通常需要對設備進行保溫（防止內部熱量散逸）、保冷（防止外部熱量輸入）、雙溫（變溫況設備），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，對于某些特殊工況（雙溫、防止結露等），絕熱材料使用（5）和（6）。

排除在事故火災工況下可輕易達到燃/ 熔點的物質，以上各物質中只有硅酸鋁和玻璃棉兩種材質符合火災工況使用條件，因此，本文重點探討使用這兩種材料的設備的火災泄放量。

依據GB 50264—2013《工業設備及管道絕熱工程設計規范》[3]，硅酸鋁纖維（DN≤100 mm 管殼）導熱系數λ 計算見式（4）、式（5）：

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

泡沫玻璃導熱系數λ：

依據API 521 標準Pressure-relieving and Depressuring Systems，在火災工況下容器外殼可以假定溫度為904 ℃。

案例：已知某液態醇烴項目中，使用一個2 000 m3球罐進行液態醇烴的儲存，儲罐示意圖如圖1 所示。

圖1 儲罐示意圖（單位：mm）

儲罐直徑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 ℃。

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

1）根據式（1）計算無絕熱保護時候的泄放量W1（F 取1）：

2）對儲罐使用80 mm 硅酸鋁進行防火保溫，則根據式（4）、式（5）導熱系數λH得：

將上述λH帶入式（3）計算防火保溫儲罐的泄放量W2：

3）對儲罐使用70 mm 泡沫玻璃進行防火保溫，則根據式（6）導熱系數λ 得：

將上述λ 帶入式（3）計算防火保溫儲罐的泄放量W3：

W1遠大于W2和W3，使用防火保溫可以極大地減少火災工況的安全泄放量。

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際生產實踐中有一定的局限性。

1）外部防火保溫的有效性較難驗證：根據API 521 標準，安裝好的防火保溫需要經受消防的高壓水流沖擊[國內消防水操作壓力一般約為1.4 MPa(G)]后，仍不致脫落。保護系統的隔熱層需要耐受904 ℃的溫度，維持2 h 不損壞的能力[4]。大部分現場缺乏檢驗能力。

2）日常維護水平要求較高：實際生產過程中，保溫層實際上經常會小塊剝離，露出設備本體，以方便現場人員巡視檢查，排除隱患，但會破壞保溫層的完整性。

3）泄放量過小，與現場設備尺寸不協調：以案例中2 000 m3大罐舉例，3 種不同計算方案計算的泄放量如表1 所示。

表1 不同做法的儲罐火災泄放量

后兩者數據過小，沒有足夠安全裕量，影響裝置的安全。同時，按照后兩者泄放數據計算得安全閥安裝管徑為DN25 左右，相較于常規2 000 m3球罐的放空管徑過小。

因此，雖然儲罐防火絕熱對于安全泄放量的減排效果顯著，但是不建議直接使用過小的排放量進行最終設計。

對比國內外相關規范，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：“介質為非易爆液化氣體的容器，置于無火災危險的環境下工作時，安全泄放量可根據有、無絕熱保溫層，取不低于計算值的30%”[5]。

API 521 對于制備完好絕熱系統的要求：承受暴露溫度為904 ℃且長達2 h 無影響。

做好絕熱的設備可以假定在足夠時間內無火災危險，因此，按照GB/T 150.1—2011，無火災環境系數修正本文中球罐的泄放量W4=W1×0.3=172 889×0.3=51 866.7 kg/h。

此泄放量從工業角度來看較為合理，因為滿足了以下3點：（1）泄放量超過嚴格絕熱計算的結果，滿足了最低要求；（2）泄放量與無防護設備泄放量處于同一個數量級，有足夠的安全冗余量，增大了安全系數；（3）降低了70%的泄放量，減少了裝置最終排放處理設施的設計壓力。

5 結語

本文通過一系列計算研究，并結合作者的工程設計實踐，證明了防火保溫可以有效減少火災安全泄放量，但是直接根據HG/T 20570.2—1995《安全閥的設置和選用》計算的泄放量過于激進，因此本文不推薦。

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

目前，火災工況下的設備安全泄放量仍處于不斷探索中，仍需繼續研究及不斷完善，等待更為精確的算法，并最終在生產實踐中得到充分驗證。