外部火災事故工況下安全泄放量計算

王緒建 重慶紫光國際化工有限責任公司 重慶 401220

2020年，國務院安委會印發了《全國安全生產專項整治三年行動計劃》，多地要求化工生產企業對在役化工裝置進行安全設計診斷。在相關工作推進中發現，有些化工生產企業在裝置設計建設或對裝置進行改造時，對獨立壓力系統事故工況的判斷和安全泄放裝置的計算與選型存在缺失、錯誤的情況，給安全生產埋下了隱患，阻礙了安全生產的高質量發展。

化工裝置中，為了防止人的誤操作、設備設施故障、物料累積、能量變化、化學反應失控、外部火災等引起系統壓力過高而發生安全事故，應設置防止超壓用的安全泄放裝置，使系統及時將風險泄放到可接受風險的區域，并及時控制，防止風險進一步擴大。本文結合相關標準規范[1-2]、工程實踐經驗和生產管理經驗，對化工裝置外部火災事故工況的安全泄放量計算進行簡單說明。

1 概述

安全泄放裝置一般分安全閥和爆破片兩種，獨立的壓力系統(有切斷閥與其他系統分開)應設置安全閥、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，都要首先計算不同事故工況下的安全泄放量，然后根據最大安全泄放量計算安全閥、爆破片或這兩者組合裝置的最小泄放面積，最后結合制造廠家的實際型號確定安全泄放裝置的詳細規格參數。

2 外部火災事故工況下安全泄放量計算

此處所稱的外部火災事故工況是指盛有介質的容器及管道暴露在外部火災中的事故工況。對于液體壓力容器，發生火災時，外部火災傳入的熱量通過容器內的潤濕面積使內部物料氣化，其安全泄放量的計算分三步：

2.1 步驟一：受熱潤濕面積(A)計算

容器受熱潤濕面積指容器內液面以下，受外部火災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。獨立壓力系統的受熱潤濕面積(A)為容器受熱潤濕面積與管道受熱潤濕面積之和。管道受熱潤濕面積為受外部火災影響的管道外表面積之和，需根據管道布置的實際管道長度和外徑來計算。

根據容器類型，容器受熱潤濕面積計算可大致歸納為四種類型，見圖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為容器內正常最高液位，mm；H為容器離地或離平臺高度，mm。

依照圖1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據，即可運用不同形狀(圓柱體、球體、旋轉橢球體、圓等)的表面積公式計算容器受熱潤濕面積。需要說明的是：

(1)因火災火焰高度不可能無限高，故往往從安全技術經濟性上認為，距地面或距能形成大面積火焰的平臺之上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，而不是容器內實際的正常最高液位。其中，4#球型容器的上半球體不計入潤濕面積計算，潤濕面積應取半球表面積或距地面、平臺7.5m高度下表面積二者中的較大者。

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

(1)

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

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

(4)塔設備潤濕面積為塔釜正常最高液位與7.5m高度內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高度內的塔盤上液體部分的液位之和，其潤濕面積計算公式為：

(2)

(5)氣體壓縮機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，可根據實際情況另行計算其受熱潤濕面積。

2.2 步驟二：容器外壁校正系數(F)計算

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

(1)a#容器有水噴淋設施，F=1.0；

(2)b#容器有保冷，F=1.0；

(3)c#容器在地面上無保溫，F=1.0；

(4)d#容器在地面上有保溫，容器外壁校正系數可用以下公式計算：

(3)

式中：λ為保溫材料的導熱系數，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#中保溫材料的導熱系數和厚度換成土壤或砂土的相應數值，進行容器外壁校正系數計算。

2.3 步驟三：安全泄放量(W)計算

根據美國石油學會標準API 520[2]中的規定，安全泄放量計算公式為：

(4)

式中：W為質量泄放量，kg/h；K為危險系數，如有足夠的消防保護措施和有能及時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；A為受熱潤濕面積，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，對于寬沸點混合物，計算誤差較大。

(2)按輕組分的汽化熱計算，計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算，計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算，計算得到的泄放量可能過大。

(5)通過流程模擬軟件對混合物進行泄放壓力下的多級閃蒸，計算出每級閃蒸的“表觀汽化熱”等，由此計算出每級閃蒸需要的最大泄放面積，再來確定用于計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)較準確。

2.4 氣體(蒸汽)壓力容器安全泄放量(W)計算

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

(5)

式中，W為質量泄放量，kg/h；Tw為金屬壁溫，℃；T1為泄放條件下的溫度，℃，可根據理想氣體狀態方程計算得出；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

需要單獨說明的是，在安全閥入口處有爆破片的情況下，標準API-520[2]認為，爆破片將降低10%的安全閥泄放能力，而標準HG/T 20570.3—95[1]認為，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，需要對安全泄放量進行111%或125%的放大計算，才能計算并選出符合泄放要求的安全泄放裝置。

3 結語

安全泄放量的正確計算是安全閥、爆破片正確計算與選型的前提。本文僅對外部火災事故工況的安全泄放量計算進行了說明，為安全泄放裝置的工程設計、診斷變更及安全設置提供參考。由于化工裝置情況復雜，且可能的事故工況較多，因此需要工程設計、制造安裝、生產使用各方根據具體情況對事故工況和安全泄放裝置進行綜合考慮、科學設計和正確使用，以保障化工裝置的經濟性和安全性。