液化石油气储运容器罐体安全泄放量的计算

肖学文，张 强，周 森

（荆门宏图特种飞行器制造有限公司，湖北荆门 448000）

液化石油气（LPG）是在石油炼制过程中由多种低沸点气体组成的混合物，目前已经广泛应用到社会生产以及人们的生活中。LPG具有易燃、易爆、有毒等特性，其在储运过程中存在火灾风险、爆炸风险、充装风险、人为风险等[1]。GB11174—2011《液化石油气》[2]按液化石油气的组成和挥发性分为三个品种：商品丙烷（要求高挥发性时使用）、商品丁烷（要求低挥发性时使用）、商品丙丁烷混合物（要求中等挥发性时使用）。安全阀是保证液化石油气储运容器罐体（包括移动式压力容器罐体和固定式压力容器罐体）稳定运行的安全措施之一，在进行安全阀选择时，需要对罐体安全泄放量进行计算，在选择国产安全阀时，对于固定式LPG储罐罐体，可以按照GB150.1—2011《压力容器 第1部分：通用要求》[3]的附录B进行计算，对于移动式LPG罐车罐体，可以按照GB/T 19905—2017《液化气体汽车罐车》[4]中B.2 条“按介质质量法计算罐体安全泄放量及安全阀排放能力的计算”；在选择进口的国际品牌安全阀时，对于移动式LPG罐车罐体，可以按照GB/T 19905—2017《液化气体汽车罐车》中B.3 条“按空气体积法计算罐体安全泄放量及安全阀排放能力”进行计算，而对于固定式LPG储罐，需要进行复杂的转换计算才能进行选择。在NFPA58—2011《液化石油气导则》[5]中，对于液化石油气储运容器罐体的安全泄放量计算提出了简洁明了的要求，本文对其进行推算研讨，得出其与中国的相关标准要求基本是一致的，最后对选用进口安全阀时，提出了罐体安全泄放量计算的推荐方法。

1 国内三种罐体安全泄放量计算方法的比较

根据文献[6]，对于置于地面上无绝热层罐体的安全泄放量，GB/T 150.1中的计算公式（B.3）与ADR[7]中的计算公式是一致的，而GB/T 19905标准中 “按空气体积计算罐体安全泄放量及安全阀排放能力”的计算公式（B.7）是从ADR中的计算公式推导而来的，其与ADR中的计算公式是一致的，GB/T 19905标准中“采用介质质量计算罐体安全泄放量及安全阀排放能力” 的计算公式（B.1）与GB/T 150.1中的计算公式（B.3）完全一致。故对于无绝热层的液化石油气储运容器罐体，采用GB/T 19905中的（B.7）、（B.1）和GB/T 150.1中的（B.3）等三种罐体安全泄放量计算方法实质上是相同的，区别在于（B.7）计算出的罐体安全泄放量是在标准条件（0.1MPa，0℃）下，以每秒标准空气的排放量表示的，单位为m3/s，（B.1）和（B.3）计算出的罐体安全泄放量是以每小时排出的介质质量表示的，其单位为kg/h。

2 NFPA58中罐体安全泄放量计算的介绍

在NFPA58—2011的附录E中，对于地面以上无绝热层容器（储罐及罐车）罐体采用弹簧式安全阀时，其罐体安全泄放量按下列要求进行计算。

2.1 对于半球形封头的圆筒形罐体

2.2 对于非半球形封头的圆筒形罐体

2.3 对于球形容器

2.4 罐体的安全泄放量

其中Q的单位为CFM Air（立方英尺每分钟，空气排量），A的单位为FT2（平方英尺）。

3 NFPA58中罐体安全泄放量计算与国内三种计算方法基本等同的推导

1） 将公式（1）、（2）与GB/T 150.1附录B进行比较，可以看出，公式（1）、（2）与GB/T 150.1附录B的相应公式是一致的；

2） 在GB/T 150.1附录B中，对于球形容器外面积的要求是：“球形容器Ar=1.57Do2或从地面起到7.5m高度以下所包含的外表面积，取两者中的较大值”，可以看出公式（3）的值比GB/T 150.1附录B的相应公式的值大，如果按照公式（3）进行计算，是偏安全的。

3） 采用GB/T 19905公式（B.7）推导出与公式（4）的一致性；

GB/T 19905公式（B.7）为

式中：

Qs为在标准条件（0.1MPa，0℃）下，罐体所需安全泄放装置总的排放能力（以每秒标准空气的最小排放量表示），单位为m3/s；

C为气体特性系数，当K＞1时：

k为气体绝热指数；

M为气体的摩尔质量，单位为kg/kmol；

T为额定排放压力下饱和气体绝对温度，单位为K；

Z为额定排放压力下饱和气体的压缩系数；

q为在泄放压力下液化气体的汽化潜热，单位为kJ/kg；

F为系数，无绝热层时，F=1.0，此处只考虑无绝热层，故公式（5）变为；

在NFPA58表D.2.4.4 中，将地面以上无绝热层容器罐体的最大允许工作压力MAWP规定为：MAWP（丙烷）=250psig=1.72MPag，MAWP（丁烷）=125psig=0.86MPag。

当罐体装载介质为丙烷时，

安全阀的排放压力（绝压）pd=1.2MAWP＋0.1=2.169（MPa）；k=1.125[8]，C=329.45，Z=0.69[3]，T=334.63K[9]，M=44.097[8]kg/kmol，q=252.95kJ/kg[10]。

将上述数据代入公式（6）得

公式（7）中Qs的单位为m3/s，Ar的单位为m2，为了便于与公式（4）进行比较，需要将（7）中Qs的单位转换为立方英尺每分钟（CFM），Ar的单位转换为平方英尺（FT2）。

由于

由于1FT=0.304 8m，如需将Ar的单位由m2转换为FT2，则需要将Ar乘以0.304 82，于是根据公式（7）可以推导出：

将公式（9）的系数与公式（4）的系数相比，得到53.44/53.632=0.9964。由此可以看出，公式（4）与公式（9）是基本一致的，即对于储运丙烷的无绝热层容器罐体，采用NFPA58附录E计算得到的罐体安全泄放量与采用GB19905公式（B.7）计算得到的罐体安全泄放量是基本一致的。

当罐体装载介质为丁烷时，

安全阀的排放压力（绝压）pd=1.2MAWP＋0.1=1.132（MPa）；k=1.09，C=325.65，Z=0.8，T=358.53K，M=58.124kg/kmol，q=281.44kJ/kg。

将上述数据代入公式（6）得

按上述方法将公式（10）进行转换得到：

将公式（11）的系数与公式（4）的系数相比，得到47.19/53.632=0.88。由此可以看出，公式（11）的计算结果比公式（4）的计算结果小，即对于储运丁烷的无绝热层容器罐体，采用NFPA58附录E计算得到的罐体安全泄放量是偏安全的。

综上所述，NFPA58中对于地面以上无绝热层容器罐体安全泄放量计算与国内三种计算方法基本等同。

4 当选用进口安全阀时，液化石油气储运容器罐体安全泄放量计算方法的推荐

1） 当选用进口安全阀时，安全阀排量单位一般标注的是立方英尺每分钟空气流量（SCFM Air）[11]。

2） 对于地面以上无绝热层容器罐体，当储运丙烷的罐体设计压力为1.72MPa，储运丁烷罐体设计压力为0.86MPa时，可以按NFPA58附录E 的公式，即本文公式（4）计算罐体的安全泄放量，罐体的外表面积可以分别按本文公式（1）、（2）、（3）进行计算，要注意此方法计算中，需采用英制单位，罐体的外表面积的单位为平方英尺，罐体安全泄放量的单位为平方英尺每分钟空气流量（SCFM Air）。

3） 对于地面以上无绝热层容器罐体，当储运丙烷的罐体设计压力不是1.72MPa，储运丁烷罐体设计压力不是0.86MPa时，可以按GB/T 19905 的公式（B.7）计算罐体的安全排放量，要注意此方法计算中，采用公制单位，罐体的外表面积的单位为平方米，罐体安全泄放量的单位为m3/s，故需将计算结果乘以系数2 118.88，将单位由（m3/s）转换为（SCFM Air）后，进行进口安全阀选型，对于球罐的外表面积，可以按公式（3）进行计算，计算结果相对于国内要求偏安全，满足NFPA 58的要求。