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气瓶安全泄放量计算方法探讨

文档作者: 喻健良 闰兴清 李岳 胡军 伊军        文档来源: 1.大连理工大学化工机械学院 2.大连理工安全装备有限公司 3.大连市锅炉压力容器检验研究院
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更新时间: 2021年01月08日
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气瓶安全泄放量计算方法探讨 喻健良 。,闰兴清 ,李岳 。,胡军。。伊军 (1.大连理工大学化工机械学院,辽宁大连1 16024;2.大连理工安全装备有限公司,辽宁大连 116012;3.大连市锅炉压力容器检验研究院,辽宁大连116013) 摘要:基于目前国内外标准中对气瓶安全泄放量的计算存在诸多差异的现状,对国内原气瓶用爆 破片标准GB 16918-1997、美国压缩气体协会标准CGAS一1.1—2005、美国石油学会标准API 521 007中气瓶泄放量的计算方法进行了分析。将CGAS一1.1安全泄放量公式中空气的当量 体积排放量推导转化为实际介质的安全泄放质量流量,该成果有助于正确理解和应用CGAS一1.1 标准。分析比较认为:CGAS公式计算结果较API相比,爆破片计算面积差别不大,但泄放阀结果 明显偏大 API 521中对受火引起超压的气瓶泄放面积计算,具有扎实的理论基础,但对因其他原 因导致的超压,适用性有待考证。GB 16918中气瓶安全泄放量公式采用的是CGAS—1.1中适用 于单一压力泄放阀的泄放量公式,因此当泄放装置采用爆破片时,不能采用GB 16918进行计算,建 议补充完善GB 16918中安全泄放相关内容。 关键词:气瓶;安全泄放量;超压;泄放设计标准 中图分类号:TG435;TQ050.2 文献标识码:A 文章编号:1001—4837(2011)11—0036—05 doi:10.3969/j.issn.1001—4837.2011.11.007 Calculation M ethods of Safety Discharge Capacity for Cylinders YU Jian—liang。 ,YAN Xing—qing。 ,LI Yue ,HU Jun ,YI Jun (1.School of Chemical Machinery,Dalian University of Technology,Dalian 1 16024,China;2.Dalian U— niversity Safety Equipment Co.,Ltd.,Dalian 116012,China;3.Dalian Boiler and Pressure Vessel In— speetion Institute,Dalian 1 16013,China) Abstract:Based on the actuality that there iS much diference for the calculation of safety discharge ca— pacity in the various home and abroad standards,standards of cylinders were investigated and analyzed. The comparison was focused on the differentiate of calculation methods among GB 1 691 8- 1 997,CGAS 一1.1—-2o05 and API 521—_2o07.The air equivalent volume discharge capacity in the formula CGAS一 1.1 is changed into the safety discharge quality flux of actual medium,which is benefit to understand and apply the standard CGAS一1.1.The results indicate that compared CGAS with API,there is little difer— ence in the bursting disk calculating area,but the former is bigger for the relied valve value.API 521 has a well—knit theory to calculate the discharge area of cylinder surrounded by fire,but its applicability to calculate the parameters with overpressure derived from other reasons must be estimated further.Safety discharge capacity form ula in GB 16918 is root in the form ula CGAS一1.1 that is fit for the single pres— sure relied valve.Therefore,GB 16918 can t be adopted when the bursting disk is used as discharge de— vice.It is suggested that the content of GB 16918 should be reinforced and perfect. 36 第28卷第11期 压 力 容 器 总第228期 Key words:cylinder;safety discharge capacity;overpressure;discharge design standard 0 引言 由于气瓶用安全泄放装置使用场合特定,使 用数量巨大,国内外一些国家对其制定了制造与 检验标准,以适应生产需要_l J。在气瓶安全泄 放设计中,正确计算所在工况下气瓶的安全泄放 量,是计算泄放装置泄放面积的前提。但是,笔者 在工作中发现,国内外对于气瓶安全泄放量的计 算方法并不统一,计算结果有较大偏差,甚至有些 标准中的计算方法并不准确。这给气瓶检验人员 和使用单位带来很大困惑。尤其是国外权威气瓶 标准CGAS一1.1中计算得到的泄放量是当量空 气体积排量,许多工作人员更不理解该物理量含 义,且目前还未有公开文献对该物理量如何使用 做出解释。 王红霞等 对钢制无缝压力容器安全泄放 量计算方法进行了探讨,对比了国内外部分标准 规定的内容。任美凤等 分析了国内外设计规 范中火灾工况下盛装液体的压力容器安全泄放量 的计算方法。王运波等 对压力容器安全阀安 全泄放量进行了简单说明。但是,目前还没有文 献对国内外气瓶安全泄放量计算方法进行对比, 并合理解释CGAS标准的计算方法。 文中对国内外现有涉及气瓶用泄放装置安全 泄放量计算的相关标准进行了较为全面的调研, 重点分析比较了国内外标准中气瓶安全泄放量计 算方法,首次通过推导给出了依据CGAS标准计 算盛装任意介质的气瓶安全泄放量方法,对比了 计算结果差异,提出现有气瓶用爆破片标准安全 泄放量计算存在的问题。 1 相关标准 对气瓶安全泄放量的规定,目前主要有以下 标准: (1)GB 150-1998《钢制压力容器》 J:对介 质为易燃液化气体或位于有可能发生火灾的环境 下工作的非易燃液化气体气瓶安全泄放量进行了 规定; (2)GB 16918-1997《气瓶用爆破片技术条 件》 J:对液化气体气瓶和非液化气体(永久气 体,下同)气瓶的安全泄放量做了规定; (3)CGAS一1.1_2005_3 :给出了采用各种 不同安全泄放装置及其组合装置时,气瓶安全泄 放量的计算方法; (4)API 521 007_4 J:对暴露于明火的气瓶 所需的泄放面积做了规定。 2 各标准安全泄放量计算方法比较 2.1 CGAS公式解释及推导 CGAS一1.1 3 对盛装非液化介质的气瓶在安 全泄放时所需的最小泄放量Q。进行了规定。但 标准中Q 为当量空气排量,指空气在一定压力和 温度下的体积排量。根据安全泄放装置设计标 准,泄放装置所需的泄放面积A必须依据实际介 质安全泄放量 (质量流量)求得。因此当量空 气排量Q 无法直接用来计算泄放面积A,必须转 化为质量流量 。下面对CGAS公式进行推导 转化。 (1)采用除压力泄放阀外的泄放装置时, CGAS规定盛装无隔热非液化气体的气瓶安全泄 放量计算如下 J: Q。=60×9.60×10 (1) 式中 Q。——当量空气排量,指空气在690 kPa, 288 K时的体积泄放流量,m /h — — 气瓶中水量,kg,不少于l1.3 kg 假设气瓶体积为 ,单位为in ,由于水的密 度P=1000 kg/m ,则气瓶中水量: =1000Vo (2) 利用理想气体状态方程pV= T推导空 气质量流量 (kg/h)与体积流量Q。的关系: = Q。 (3) J L m J 将压力P=690 kPa,温度T=288 K,空气 =29 kg/kmol,R =8.314 kJ/(kmol·K)以及式 (1),(2)代人式(3)得: Ajr=4.81×10 Vo (4) 37 气瓶安全泄放量计算方法探讨 式(4)为气瓶盛装空气时,泄放需要的质量 流量。当盛装介质并非空气时,需要计算相同条 件、相同泄放面积下空气的泄放量与其他介质泄 放量之间关系。根据安全泄放装置设计标 准 。。,泄放量 与泄放面积A关系如下: . = 7.6×10~CKPdA /— 1 (5) 相同泄放条件下(包括气体特性常数c、气体 绝热指数K、泄放装置动作压力P 泄放面积A、 泄放温度 )不同介质泄放量之比: /M Z胁 ^ir 胁 z (6) 近似认为其他气体介质压缩因子与空气相 同。将式(4)带人式(6),则推导得到气瓶盛装任 意非液化气体时,实际气体泄放质量流量 为: = √ ×4.814×10 Vo V 一, =0.89 X 10 ,/~Vo (7) 式中 ——介质的安全泄放量,kg/h 胁一介质摩尔质量,kg/kmol — — 盛装非液化气体的气瓶容积,m 根据CGAS一1.1,无隔热液化气体气瓶安全 泄放量是非液化气体的2倍。 当得到气瓶内气体所需的安全泄放量后,即 可依据式(5)进行泄放设计,并计算泄放面积A。 (2)采用单一压力泄放阀时,CGAS规定盛装 无隔热非液化气体的气瓶安全泄放量计算公式如 下 : Q。=60×1.395×10 P (8) 式中Q。—— 当量空气排量,指空气在标准状况 下泄放体积量,m /h P——气瓶泄放压力,kPaa — — 气瓶中水量,kg,但不少于5.7 kg 依据标准状态下理想气体摩尔体积为22.4 m /kmol,可得空气质量流量 (kg/h)与体积 流量Q (m /h)的关系,并将式(2)带入,可得: r) Ws = x MA 1.0836PVo (9) 将式(9)带入式(6),可得气瓶盛装任意非液 化气体时,实际气体安全泄放质量流量 计算公 式为: =O.176 面 (10) 式中 ——非液化气体质量泄放量,kg/h — — 气瓶内所装介质的摩尔质量,kg/ kmol 气瓶泄放压力,kPaa — — 气瓶容积,m 采用式(7)和式(1o)即可计算盛装任意压缩 气体和液化气体气瓶安全泄放量。 2.2 各标准计算公式比较 对各标准中气瓶安全泄放量 的规定进行 了汇总,如表1所示。 表l 不同标准对气瓶安全泄放量规定 液化气体气瓶 非液化气体气瓶 标准 无隔热 有隔热 无隔热 有隔热 GB 150 T.7 2.55×10 FA 跎 2. 61×(650一t) — q ” 一 向 V<450 L, =2 x0.176P~ Vo GB 169l8 >4s。L, 一2.55 x Ar:。 =0.176P~Vo 爆破片、易熔塞: 爆破片、易熔塞: = 2×0.89×1034-M-Vo =0.89 X 10 CGAS—1.1 压力泄放阀: 压力泄放阀: = 2 x0.176P~ Vo =o.176P~ Vo API 521 A: , A ^ = — ,/P 0P 38 注:各公式中符号含义见相应标准内容。 第28卷第11期 压 力 容 器 总第228期 由表1可知,针对液化气体和非液化气体气 瓶安全泄放量计算,国内外标准有很大不同。GB 16918中计算非液化气体采用的是CGAS中适用 于压力泄放阀的公式。GB 16918计算液化气体 的方法,当V>450 L时同样采用的是CGAS中适 用于压力泄放阀的公式,当V<450 L时,采用的 是GB 150中无隔热液化气体气瓶公式,当F=1 时的情形。 CGAS一1.1和API 521计算安全泄放量的方 法截然不同。API不计算气瓶安全泄放量,直接 计算所需泄放面积。根据分析,API 521计算公 式是从容器在火灾情况下通过器壁的吸收热量导 致压力升高推导而来,由于很好地考虑了容器受 火情况,从理论上更适用于火灾情况。对于因其 他原因导致的超压,适用性有待考证。 CGAS是目前对气瓶安全泄放量规定最为详 细的标准,但其公式计算得到的泄放量均为空气 的当量泄放量,在计算时需要转化为其他介质的 安全泄放量。由于没有标准释义,笔者还无法知 道CGAS公式的来源。 3 不同标准计算结果比较 文中以某锅炉压力容器检验研究所提供的计 算实例,比较依据不同标准计算得到的气瓶安全 泄放量和泄放装置泄放面积。 设计计算参数如下: (1)实例1:盛装氢气介质气瓶,容积0.655 m ,外直径0.355 m,气瓶长度7.9 m,公称工作压 力20000 kPa,正常操作温度15℃ ,泄放压力 33500 kPa,泄放压力下气体温度209.4 oC,气瓶 壁承受最高温度593℃。爆破片泄放系数取 0.62,压力泄放阀泄放系数取0.9。气体特性常 数C=356。试确定泄放装置种类及面积。 (2)实例2:一体积为2.25 m 的气瓶,外直 径0.559 m,气瓶长度10.975 m,其他条件与实例 1相同。试确定泄放装置种类及面积。 按照上述不同标准计算0.655 m 及2.25 m 氢气气瓶的安全泄放量 ,以及泄放装置泄放面 积A结果如表2,3所示。 表2 0.655 m 氢气瓶安全泄放装置所需泄放面积计算结果 CGAS一1.1 API 521(火灾情况) GB 169l8—1997 计算标准 爆破片 压力泄放阀 爆破片 压力泄放阀 爆破片 压力泄放阀 /kg·h 824.4 5641.5 ●_—— 5461.5 5461.5 A/mm2 24 . 7 l12.5 21.2 14.6 163.3 112.5 表3 2.25 m 氢气瓶安全泄放装置所需泄放面积计算结果 CGAS一1.1 API 521(火灾情况) GB 16918—1997 计算标准 爆破片 压力泄放阀 爆破片 压力泄放阀 爆破片 压力泄放阀 W,/kg·h一‘ 2832. 0 18758.1 __—— __—— l8758.1 18758.1 A/man 85 386.3 52 35.8 560.8 386.3 由表2,3可知,对两种体积的气瓶,依据 CGAS计算得到的压力泄放阀面积约为爆破片面 积的4.6倍。依据API 521得到的爆破片与压力 泄放阀泄放面积相差不大。GB 16918只适用压 力泄放阀的条件,不合适用来确定爆破片泄放面 积,该标准重新修订时应注意此问题。 对比不同标准,CGAS一1.1和API得到的爆 破片计算结果相差不多,而压力泄放阀的计算结 果相差很多。总体来说,CGAS—1.1对压力泄放 阀泄放面积计算结果偏大。 4 结论 文中有关于对气瓶安全泄放量的国内外标准 39 气瓶安全泄放量计算方法探讨 Vo128.Nol1 2011 进行了分析,主要结论如下: (1)CGAS一1.1中的安全泄放量公式计算的 是空气的当量体积排放量,实际计算时必须转化 为其他介质的安全泄放质量流量。 (2)通过实例计算可知,按API 521中公式计 算,所得爆破片的泄放面积与CGAS中按爆破片 泄放量公式计算的面积相近,但与按压力泄放阀 计算结果相差甚远。因此,建议在气瓶用爆破片 计算时,采用CGAS和API公式均可,但在火灾情 况下,建议采用API公式计算。当采用压力泄放 阀时,CGAS公式将给出较大的计算结果。 (3)GB 16918中气瓶安全泄放量公式采用的 是CGAS一1.1中适用于单一压力泄放阀的泄放 量公式,因此当泄放装置采用爆破片时,不能采用 GB 16918进行计算,建议补充完善GB 16918中 安全泄放的相关内容。 [4] API 521—20o7,Pressure—Relieving and Depressuring Systems[S]. 、 [5] 王红霞,陈奇峰.大容积钢质无缝气瓶压力容器处 于火灾环境时安全泄放量的计算方法的探讨[J]. 化工设备与管道,2007,44(3):16—18. 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