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超臨界壓力下火災工況安全閥泄放量的計算

文檔作者：王江峰文檔來源：北京美盛沃利工程技術(shù)有限公司上海分公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年12月07日
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2010，20() 王江峰超臨界壓力下火災工況安全閥泄放量的計算 29
超臨界壓力下火災工況安全閥泄放量的計算
王江峰 北京美盛沃利工程技術(shù)有限公司上海分公司上海200001
摘要 介紹一種動態(tài)計算安全閥泄放量的方法，并與傳統(tǒng)的計算方法進行比較。
關(guān)鍵詞 超臨界安全閥泄放量動態(tài)計算方法
在石油化工生產(chǎn)過程中，為了防止生產(chǎn)系統(tǒng)
壓力超過容器和管道的設(shè)計壓力而發(fā)生爆炸事
故，都會在容器或管道上設(shè)置安全閥。
通常，火災工況下，當容器暴露于火焰時，
由于輻射、對流傳熱和火焰的直接接觸，容器內(nèi)
存儲的物質(zhì)被加熱，壓力升高，直到安全閥開啟
壓力下開始氣化，產(chǎn)生蒸氣的速度為容器吸收的
熱量除該物質(zhì)在泄放壓力下的氣化潛熱，安全閥
的泄放能力應不小于氣化量。
在超臨界壓力下，氣相與液相性質(zhì)相近，氣
化潛熱也接近零，如按照通常的安全閥泄放量計
算方法，此時產(chǎn)生氣相的速度將非常大。但實際
情況并非如此，考慮一個全充滿液體的容器，出
口關(guān)閉，安全閥的設(shè)定壓力大于該物質(zhì)的臨界壓
力。如果發(fā)生火災，大量熱量傳人容器，容器內(nèi)
的液體不會沸騰。
首先，熱量導致液體膨脹并使容器達到泄放
壓力，此時安全閥泄放量可按照液體熱膨脹考
慮；其次，如果熱量持續(xù)傳人容器，容器內(nèi)液體
的溫度和蒸氣壓力同時升高，如果液體蒸氣壓力
大于大氣壓，液體會在安全閥出口管道閃蒸，應
采用兩相流的公式計算安全閥喉徑面積；最后，
持續(xù)傳熱使液體跨過臨界溫度，進入超臨界
狀態(tài)。
容器內(nèi)液體在沒有氣化前，已經(jīng)開始泄放，
隨時間推移，泄放量不斷變化，在某一時間點達
到峰值后逐漸回落。本文介紹一種動態(tài)計算安全
閥泄放量的方法。
1 動態(tài)計算方法的理論推導
假設(shè)在火災工況下，一個裝有安全閥的容器
體積為V，已經(jīng)處于超臨界狀態(tài)，由t。時刻至t
時刻之間，推導安全閥的泄放量公式如下：
時間間隔△t：
△t=t2一tI (1)
t。時刻容器內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量MlI：
l，
。= (2)
l
加熱至t 時刻，容器內(nèi)物質(zhì)受熱膨脹，一
部分物質(zhì)通過安全閥泄放出去，t 時刻容器內(nèi)剩
余物質(zhì)的質(zhì)量iii
： =
V (3)
￡ 時刻至t：時刻之間，安全閥泄放出物質(zhì)的
質(zhì)量為體積膨脹量超出容器體積部分所占總體積
的比例，見式(4)：
而：礬 ! (4)
熱量衡算：
Q 麗At= 。l×( 一H1) (5)
質(zhì)量泄放速度：
×60
m
將式(4)、式(5)代入上式得：
mm =等等瓦 等= ㈤J
體積泄放速度：
=m × (7)
2 火災傳入熱量計算
根據(jù)API 520中規(guī)定，對于有足夠的消防保
護措施和又能及時排走地面上泄漏物料的措施
· 王江峰：工程師。2003年畢業(yè)于清華大學化學工程專業(yè)獲碩士學位。聯(lián)系電話：(021)61060086。
30 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工設(shè)計2010
，20(1)
時，容器的泄放量為：
Q =I．555×10 ×F x sO．。 (8)
式中，F(xiàn)為容器外壁校正系數(shù)，容器置于地面上
時F為1．O，容器用砂土覆蓋時F為0．03。
3 安全閥泄放面積計算
(1)根據(jù)API 520，氣體泄放面積計算
公式：
A ： 麗13160 x W
CK ^ (9)
aP。 M
式中，C為修正系數(shù)，可根據(jù)絕熱指數(shù)k查API
520的表8；Kd為排放系數(shù)，初步估算可采用
0．975；K 為背壓修正系數(shù)，傳統(tǒng)安全閥和先導
式安全閥取1．0，波紋管安全閥查表；K 為組合
安裝修正系數(shù)，安全閥串聯(lián)爆破片取0．9；無串
聯(lián)爆破片取1．0。
(2)液體泄放面積計算公式(需要流量認
證)：
A= 1K1d． K7 8 Kxt KQ ,√P t一P 2 (、 10)
式中，K 為排放系數(shù)，初步估算可采用0．65；
l(T為背壓修正系數(shù)，傳統(tǒng)安全閥取1．0，波紋
管安全閥查表；K。為組合安裝修正系數(shù)，安全
閥串聯(lián)爆破片取0．9，無串聯(lián)爆破片取1．0；K
為粘度修正系數(shù)，粘度不高的情況下簡化
取1．0。
4 計算實例
一個容器內(nèi)全充滿液態(tài)飽和偏二氟乙烯，溫
度一5℃ ，安全閥設(shè)定壓力6．5MPa(G)，火災
工況下允許過壓2l％。偏二氟乙烯的臨界溫度
29．65℃，臨界壓力4．46 MPa(A)。
容器尺寸qb219×1000mm，兩端蝶形封頭。
容器的受熱面積S為0．79 m ，全容積V為
0．04 nl。。
假設(shè)容器置于地面上，并有足夠的消防保護
措施，F(xiàn)取1．0。由式(8)計算傳人熱量得：
Q：1．282×10 kJ／h
采用ASPEN PLUS軟件，物性方法選用RK
— SOAVE方程，計算不同溫度條件下的焓值、
比體積，再根據(jù)式(1) 一式(7)計算泄放量，
計算過程如下：
以表1中從初始溫度?5 4'E時間間隔為
例，按照式(2)計算一5℃時刻容器內(nèi)物質(zhì)的
質(zhì)量為：
=
V
=而 =33．49 kg
按照式(3)計算一4'E時刻容器內(nèi)物質(zhì)的
質(zhì)量為：
=
V
= =33．29 kg
從初始溫度一5一一4"C時間間隔內(nèi)，按照式
(6)計算安全閥的質(zhì)量泄放速度為：
O×AV
m —v
2
—
x
— —
,
a—H
1．282×10 × r1．20144—1．19445、
1．20144× (-5353．54203+5355．17431)
=456．95 kg／h
按照式(7)計算體積泄放速度為：
口=m × =456．95×1．20144×10一’=O
． 549 Ill ／h
按照式(5)計算容器內(nèi)物料溫度由一5~C
升至一4~C的時間間隔為：
^ 一絲!蘭 二絲! 蘭
‘‘ Q
一蘭三： 里 【= 三 三： 墊三± 三 ： 2堡三1 2 壘Q 一
1．282×105
=0．026 min
其它溫度時刻的數(shù)據(jù)，計算過程與上述計算
相同，結(jié)果見表1。
質(zhì)量泄放速度與時間關(guān)系曲線見圖1。
，、
／＼
— ／ l————＼ ．．
一 ＼
(rain)
圖1 質(zhì)量泄放速度與時間關(guān)系曲線
體積泄放速度與時間關(guān)系曲線見圖2。
(rain)
圖2 體積泄放速度與時間關(guān)系曲線
2010，20(1) 王江峰超臨界壓力下火災工況安全閥泄放量的計算 31
根據(jù)泄放速度與時間關(guān)系曲線，選取四個極
值點分別計算所需要的安全閥泄放面積，取最大
的面積作為選取安全閥的依據(jù)，其中27cI=、
28'：12為液體泄放，64cc、87~C為氣體泄放。
5 比較
按照傳統(tǒng)方法計算安全閥泄放量，在泄放壓
力下，達到臨界溫度29．65℃ ，偏二氟乙烯由液
相變?yōu)闅庀?超臨界態(tài))，ASPEN PLUS計算該
條件下氣化潛熱為52．45 kJ／kg，按照傳統(tǒng)方法，
安全閥的泄放量為吸收的熱量除以氣化潛熱，即
1．282 X10 +52．45 =2444．2 kg／h
泄放氣經(jīng)安全閥直接排放大氣，選用傳統(tǒng)安
全閥，不串聯(lián)爆破片。應用式(9)和式(1O)
計算安全閥泄放面積，計算結(jié)果見表2。
表2 安全閥泄放面積計算
注：根據(jù)絕熱指數(shù)k=1．172，查API 520的表8得修正系數(shù)C=334．2。
表2中的絕熱指數(shù)、壓縮因子通過ASPEN PLUS軟件模擬獲得，物性方法選用RK—
32 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工設(shè)計2010，20(I)
SOAVE方程。
根據(jù)表2計算結(jié)果，選用喉徑代號為D的安
全閥，其喉徑面積為71 rnIll2。雖然動態(tài)方法與傳
統(tǒng)方法所選用的安全閥為同一型號，但是采用傳
統(tǒng)方法計算出的安全閥面積比動態(tài)方法大78％，
在某些情況下可導致選用安全閥尺寸升級。
如果泄放壓力接近臨界壓力，氣化潛熱接近
0，采用傳統(tǒng)方法計算得到的泄放量將會非常大，
選用的安全閥也會超過經(jīng)濟上可接受的限度。
6 結(jié)語
(1)應用狀態(tài)方程如RK方程，計算氣相
PⅥ’數(shù)據(jù)，擁有足夠的精度，但當計算液相體積
時就難以達到所需要的準確度，尤其在高溫高壓
條件下，但狀態(tài)方程的選取以及修正并非本文討
論重點。
(2)本文旨在給出一種可操作的動態(tài)方法，
計算超臨界壓力下，火災工況安全閥的泄放量以
及如何選用合適的安全閥。與傳統(tǒng)火災工況下計
算安全閥泄放量的方法相比，傳統(tǒng)方法計算的泄
放面積過大，當泄放壓力接近臨界壓力，氣化潛
熱接近0時，傳統(tǒng)方法計算的泄放面積將會非常
大，超過經(jīng)濟上可接受的限度。
符號說明
△t 時間間隔，rain
tl 初始時間。rain
t2 終止時問，min
面 △I時間間隔內(nèi)泄放出的量，kg
jii。I tI時刻容器內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量，kg
麗。2 t2時刻容器內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量，kg
V 容器的體積，m3
Vl tl時刻容器內(nèi)物質(zhì)的比體積，In’／kg
V2 t2時刻容器內(nèi)物質(zhì)的比體積，nl ／kg
AV At時間間隔內(nèi)容器內(nèi)物質(zhì)的比體積差，m3／kg
Q 傳人的熱量，kJ／kg
Hl tl時刻容器內(nèi)物質(zhì)的焓，kJ／kg
H2 t2時刻容器內(nèi)物質(zhì)的焓，k,J／kg
AH At時間間隔內(nèi)容器內(nèi)物質(zhì)的焓差。kJ／kg
m At時間問隔內(nèi)質(zhì)量泄放速度，kr,／h
v △t時間間隔內(nèi)體積泄放速度，m3／h
Q 傳人熱量，l【J／h
F 容器外壁校正系數(shù)
A 安全閥泄放面積，mm
w 安全閥泄放量，kr／h
c 修正系數(shù)
Pl 泄放壓力，kPa(A)
T 泄放溫度．K
z 壓縮因子
M 平均分子量
Kd 排放系數(shù)
背壓修正系數(shù)
K 組合安裝修正系數(shù)
Q’ 安全閥體積泄放量，L／rain
G 液體相對于標準狀況下水的比重
Pl 泄放壓力，kPa(G)
P2 背壓，kPa(G)
K 背壓修正系數(shù)
K 粘度修正系數(shù)
參考文獻
1 朱自強．超l臨界流體技術(shù)．原理和應用[M]．北京：
化學工業(yè)出版社。2001
2 AP1 Recommended Practice 521，4'h Edition
，
March 1997
3 API Recommended Practice 520，Part l，7 Edition，Janu．
ary 2000
4 Ryan，O．，Cep magazine，August 2002
5 HG／T 20570．2—95，安全閥的設(shè)置和選用[S]．
(修改回稿2009一o7-02)
(上接第45頁)
阜+阜：0 ．25+0—． 了丁 丁 +丁 20 ：0·． 083+0·． 1：0‘． 183
該結(jié)果大于1／6，表示豎向力F的作用點位
于基礎(chǔ)底面核心區(qū)之外，查表1得 為2．099。
將 、F、b、l值代人式(21)得基礎(chǔ)底面最大
壓力p 為244．9 kN／m 。
6 結(jié)語
通過大量工程設(shè)計實踐證明，基底最大壓力
計算圖表使用方便。此圖表也彌補了《建筑地
基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中的空白。
參考文獻
1 GB 50007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[s]
(修改回稿2009一O9—07)

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