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超臨界壓力下火災(zāi)工況安全閥泄放量的計(jì)算

文檔作者：王江峰文檔來(lái)源：北京美盛沃利工程技術(shù)有限公司上海分公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年12月07日
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2010，20() 王江峰超臨界壓力下火災(zāi)工況安全閥泄放量的計(jì)算 29
超臨界壓力下火災(zāi)工況安全閥泄放量的計(jì)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(dòng)態(tài)計(jì)算安全閥泄放量的方法，并與傳統(tǒng)的計(jì)算方法進(jìn)行比較。
關(guān)鍵詞 超臨界安全閥泄放量動(dòng)態(tài)計(jì)算方法
在石油化工生產(chǎn)過(guò)程中，為了防止生產(chǎn)系統(tǒng)
壓力超過(guò)容器和管道的設(shè)計(jì)壓力而發(fā)生爆炸事
故，都會(huì)在容器或管道上設(shè)置安全閥。
通常，火災(zāi)工況下，當(dāng)容器暴露于火焰時(shí)，
由于輻射、對(duì)流傳熱和火焰的直接接觸，容器內(nèi)
存儲(chǔ)的物質(zhì)被加熱，壓力升高，直到安全閥開(kāi)啟
壓力下開(kāi)始?xì)饣a(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(yīng)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(jì)
算方法，此時(shí)產(chǎn)生氣相的速度將非常大。但實(shí)際
情況并非如此，考慮一個(gè)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(zāi)，大量熱量傳人容器，容器內(nèi)
的液體不會(huì)沸騰。
首先，熱量導(dǎo)致液體膨脹并使容器達(dá)到泄放
壓力，此時(shí)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(shí)升高，如果液體蒸氣壓力
大于大氣壓，液體會(huì)在安全閥出口管道閃蒸，應(yīng)
采用兩相流的公式計(jì)算安全閥喉徑面積；最后，
持續(xù)傳熱使液體跨過(guò)臨界溫度，進(jìn)入超臨界
狀態(tài)。
容器內(nèi)液體在沒(méi)有氣化前，已經(jīng)開(kāi)始泄放，
隨時(shí)間推移，泄放量不斷變化，在某一時(shí)間點(diǎn)達(dá)
到峰值后逐漸回落。本文介紹一種動(dòng)態(tài)計(jì)算安全
閥泄放量的方法。
1 動(dòng)態(tài)計(jì)算方法的理論推導(dǎo)
假設(shè)在火災(zāi)工況下，一個(gè)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(shí)刻至t
時(shí)刻之間，推導(dǎo)安全閥的泄放量公式如下：
時(shí)間間隔△t：
△t=t2一tI (1)
t。時(shí)刻容器內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量MlI：
l，
。= (2)
l
加熱至t 時(shí)刻，容器內(nèi)物質(zhì)受熱膨脹，一
部分物質(zhì)通過(guò)安全閥泄放出去，t 時(shí)刻容器內(nèi)剩
余物質(zhì)的質(zhì)量iii
： =
V (3)
￡ 時(shí)刻至t：時(shí)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(jiàn)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(zāi)傳入熱量計(jì)算
根據(jù)API 520中規(guī)定，對(duì)于有足夠的消防保
護(hù)措施和又能及時(shí)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(xué)化學(xué)工程專(zhuān)業(yè)獲碩士學(xué)位。聯(lián)系電話：(021)61060086。
30 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工設(shè)計(jì)2010
，20(1)
時(shí)，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(shí)F為1．O，容器用砂土覆蓋時(shí)F為0．03。
3 安全閥泄放面積計(jì)算
(1)根據(jù)API 520，氣體泄放面積計(jì)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(dǎo)
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(wú)串
聯(lián)爆破片取1．0。
(2)液體泄放面積計(jì)算公式(需要流量認(rèn)
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(wú)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(jiǎn)化
取1．0。
4 計(jì)算實(shí)例
一個(gè)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(zāi)
工況下允許過(guò)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(hù)
措施，F(xiàn)取1．0。由式(8)計(jì)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(jì)算不同溫度條件下的焓值、
比體積，再根據(jù)式(1) 一式(7)計(jì)算泄放量，
計(jì)算過(guò)程如下：
以表1中從初始溫度?5 4'E時(shí)間間隔為
例，按照式(2)計(jì)算一5℃時(shí)刻容器內(nèi)物質(zhì)的
質(zhì)量為：
=
V
=而 =33．49 kg
按照式(3)計(jì)算一4'E時(shí)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(shí)間間隔內(nèi)，按照式
(6)計(jì)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(jì)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(jì)算容器內(nèi)物料溫度由一5~C
升至一4~C的時(shí)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(shí)刻的數(shù)據(jù)，計(jì)算過(guò)程與上述計(jì)算
相同，結(jié)果見(jiàn)表1。
質(zhì)量泄放速度與時(shí)間關(guān)系曲線見(jiàn)圖1。
，、
／＼
— ／ l————＼ ．．
一 ＼
(rain)
圖1 質(zhì)量泄放速度與時(shí)間關(guān)系曲線
體積泄放速度與時(shí)間關(guān)系曲線見(jiàn)圖2。
(rain)
圖2 體積泄放速度與時(shí)間關(guān)系曲線
2010，20(1) 王江峰超臨界壓力下火災(zāi)工況安全閥泄放量的計(jì)算 31
根據(jù)泄放速度與時(shí)間關(guān)系曲線，選取四個(gè)極
值點(diǎn)分別計(jì)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(jì)算安全閥泄放量，在泄放壓
力下，達(dá)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(jì)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(yīng)用式(9)和式(1O)
計(jì)算安全閥泄放面積，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。
表2 安全閥泄放面積計(jì)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(guò)ASPEN PLUS軟件模擬獲得，物性方法選用RK—
32 CHEMICAL ENGINEERING DESIGN 化工設(shè)計(jì)2010，20(I)
SOAVE方程。
根據(jù)表2計(jì)算結(jié)果，選用喉徑代號(hào)為D的安
全閥，其喉徑面積為71 rnIll2。雖然動(dòng)態(tài)方法與傳
統(tǒng)方法所選用的安全閥為同一型號(hào)，但是采用傳
統(tǒng)方法計(jì)算出的安全閥面積比動(dòng)態(tài)方法大78％，
在某些情況下可導(dǎo)致選用安全閥尺寸升級(jí)。
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(jì)算得到的泄放量將會(huì)非常大，
選用的安全閥也會(huì)超過(guò)經(jīng)濟(jì)上可接受的限度。
6 結(jié)語(yǔ)
(1)應(yīng)用狀態(tài)方程如RK方程，計(jì)算氣相
PⅥ’數(shù)據(jù)，擁有足夠的精度，但當(dāng)計(jì)算液相體積
時(shí)就難以達(dá)到所需要的準(zhǔn)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(diǎn)。
(2)本文旨在給出一種可操作的動(dòng)態(tài)方法，
計(jì)算超臨界壓力下，火災(zāi)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(zāi)工況下計(jì)
算安全閥泄放量的方法相比，傳統(tǒng)方法計(jì)算的泄
放面積過(guò)大，當(dāng)泄放壓力接近臨界壓力，氣化潛
熱接近0時(shí)，傳統(tǒng)方法計(jì)算的泄放面積將會(huì)非常
大，超過(guò)經(jīng)濟(jì)上可接受的限度。
符號(hào)說(shuō)明
△t 時(shí)間間隔，rain
tl 初始時(shí)間。rain
t2 終止時(shí)問(wèn)，min
面 △I時(shí)間間隔內(nèi)泄放出的量，kg
jii。I tI時(shí)刻容器內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量，kg
麗。2 t2時(shí)刻容器內(nèi)物質(zhì)的質(zhì)量，kg
V 容器的體積，m3
Vl tl時(shí)刻容器內(nèi)物質(zhì)的比體積，In’／kg
V2 t2時(shí)刻容器內(nèi)物質(zhì)的比體積，nl ／kg
AV At時(shí)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(shí)刻容器內(nèi)物質(zhì)的焓，kJ／kg
H2 t2時(shí)刻容器內(nèi)物質(zhì)的焓，k,J／kg
AH At時(shí)間間隔內(nèi)容器內(nèi)物質(zhì)的焓差。kJ／kg
m At時(shí)間問(wèn)隔內(nèi)質(zhì)量泄放速度，kr,／h
v △t時(shí)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(duì)于標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)
1 朱自強(qiáng)．超l臨界流體技術(shù)．原理和應(yīng)用[M]．北京：
化學(xué)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(yè))
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(diǎn)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(yǔ)
通過(guò)大量工程設(shè)計(jì)實(shí)踐證明，基底最大壓力
計(jì)算圖表使用方便。此圖表也彌補(bǔ)了《建筑地
基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的空白。
參考文獻(xiàn)
1 GB 50007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[s]
(修改回稿2009一O9—07)

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07-22