液化气储存容器中充装量的探讨

李为民

（山西阳煤化工机械有限公司，山西 太原 030032）

液化气储存容器的设计没有专门的行业设计标准，一般参照 GB150.1－4《压力容器》设计。但是，该压力容器设计与一般压力容器设计有不同之处。所以，为保证液化气储存容器的安全运行，要求设计中明确给出其充装量。TSG R004－2009《固定式压力容器安全技术监察规程》3.13条要求“储存液化气体的压力容器应当规定设计储存量，装量系数不得大于0.95”。此条款只原则上规定了装量系数，没作具体规定。可是，液化气的储存量却直接影响容器的工作压力，关系到容器的设计与使用安全，应予以高度重视。

1 液化气储存容器工作压力与充装量的关系

众所周知，液化气是将气体加压或降温后，液化成液体，液化气在压力作用下，大部分应呈液态，但实际上是气液并存的饱和状态。液化气按照临界点可分为2类：一类是低临界点的液化气，如乙烯、乙炔等；另一类是高临界点的液化气，如氨、氯等。液化气容器充装量。对其工作压力的影响分析如下：

1）容器内盛装低临界点液化气，容器内介质设计温度若按50℃考虑，容器内液体全部气化成气

式中：P为容器内气体压力，MPa；Z为气体压缩系数；R为气体常数；T为气体温度，K；V为容器体积，m3；M为气体相对分子质量；m为容器内液化气质量，kg。

由式（1）可知，容器内的压力P与其充装质量m成正比。在设计此类容器时，其设计压力的大小是根据容器中介质的充装量来确定的。在使用时，容器的实际充装量不应超过设计充装量。否则，会导致容器的实际工作压力大于其设计压力，甚至造成破坏。

2）液化气容器充装量过大时，对工作压力的影响。盛装低临界点液化气，容器内介质温度50℃以下，在安全设计充装量内，容器内为气液两态并存，其工作压力始终是液体的饱和蒸汽压。但是，充装过量，会出现容器内实际压力大于设计压力。因为液态液化气的密度随温度变化比较大，同样质量的介质在不同温度下有不同的体积。若使用时不注意温度引起的密度变化，就有可能造成超装，达到一定温度后，容器将会全部被液体充满。此时，温度再升高，液体则要继续膨胀，由于液体的压缩性很小，往往会造成容器内压力的急剧增高，甚至造成容器破裂。例如，过量充装的液氯钢瓶满液时，温度每升高1℃，瓶内压力增加1MPa～2MPa；当温度再升高，就会导致爆炸，发生所谓“蒸汽爆炸”或称“爆沸”现体。此时，气体压力值由气态方程式（1）计算：象，这时所释放的能量要比盛装一般气体大得多。液化气体过量充装是这类压力容器发生爆炸的主要原因之一。

综上所述，液化气体过量充装十分危险，合理确定设计充装量对容器的使用安全非常重要。

2 液化气储存容器充装量的计算与确定

液化气储存容器安全设计储存量不得超过式（2）计算值：

式中：W为液化气储存量，kg；φ为设计装量系数（一般取0.90，不得大于0.95）；ρt为设计温度下的饱和液体密度，kg／m3；其余参数同前。

由式（2）可看出，该式计算的设计储存量，在设计温度下液体所占体积不会超过容器体积的90%或95%，可确保容器在设计温度下仍有5%～10%的气相空间。即，液化气储存容器使用过程中，只要实际储存量不超过式（2）计算的设计充装量，就不出现在设计温度下容器被液体充满的现象，保证了设备的安全运行。

但为了计量方便，有不少液化气储存容器在使用中通常用液位计观察介质的体积充装量，并非按式（2）计算充装量。同时，也不可以直接按图样中标注的装量系数进行充装。因为由前述可知，一定质量的液化气，其体积随温度的不同而变化。图样中所标注的为设计装量系数，是在设计温度下充装时的装量系数。实际装量系数应以式（3）修正计算为宜。

式中：φ′为实际充装温度下的装量系数；ρ′为实际充装温度下的饱和液体密度，kg／m3；其余参数同前。

例如，一台液氨储罐，其设计温度为50℃，设计装量系数为0.9，装料时的温度为10℃。如果操作过程中不了解温度对液化气体积的影响，仍按设计装量系数0.9充装，那么，当温度升为设计温度时，容器则会被液体完全充满乃至超压。由相关资料可查得，液氨密度10℃时ρ10℃＝624kg／m3、50℃时ρ50℃＝562kg／m3，当φ＝0.9时，则导致在设计温度50℃下，φ50℃＝（ρ′／ρt）φ′＝（624／562）×0.9＝1＞φ＝0.9，显然不符合设计要求。

如果已知设计装量系数φ＝0.9，由相关资料查得在设计温度（50℃）下液氨密度ρt＝526kg／m3，装料温度为10℃、0℃、－10℃时，液氨密度ρ′分别为625、638、652kg／m3。然后按式（3）计算。

在10℃充装时，φ′＝（526／624）×0.9＝0.84；0℃充装时，φ′＝（526／638）×0.9＝0.82；－10℃充装时，φ′＝（526／652）×0.9＝0.80。

即，在液氨为10℃充装时，只可充装容器的84%；在0℃充装时，允许充装容器的82%；在－10℃充装时，则更少，装量不可超过容器体积的80%。只有这样，才能保证容器在设计温度（50℃）下仍有10%的气相空间。

3 结论

1）液化气储存容器设计图样或使用说明书中最好直观地给出容器的允许充装量。

2）当按体积装量系数表达充装量时，建议设计者按式（3）分别计算出可能出现的各装料温度下的装量系数值（间隔可为5℃～10℃），且在图样技术要求或使用说明书中注明，以指导使用者正确操作，确保容器的安全运行。