火灾工况下储罐放空量的计算

杨 梅

〔中国石油工程建设有限公司华北分公司 河北任丘 062550〕

储存甲B、乙类液体的固定顶储罐和地上卧式储罐，采用氮气或其他惰性气体密封保护系统的储罐，在其通向大气的通气管上应设呼吸阀[1]。在一般情况下，呼吸阀关闭，保持储罐的密闭性，减少液体蒸发损耗；必要时，能自动通气，平衡储罐内外压力，对储罐起到保护作用[2-3]。正常情况下，储罐呼吸量应考虑液体进出的呼吸量与环境温度变化的呼吸量之和[4]。

当储罐暴露于火灾时会导致气相体积在几分钟内剧烈膨胀，液体沸腾，并在几小时后完全蒸发[5-6]。因此，火灾时所需放空量会超出正常呼吸的放空量。根据API650的描述，弱顶连接的固定顶储罐，顶-壁连接会比储罐其他焊缝先损坏。在正常放空量不足时，实现超压泄放[7-8]。对于此类储罐，不必考虑火灾工况下的额外放空量[9]。当储罐不具备弱顶连接结构，应确定其暴露于火灾时所需的放空量。

1 火灾工况放空量

1.1 储罐湿润面积

计算火灾工况下储罐的放空量，首先需要明确储罐的湿润面积(ATWS)。湿润面积，即储罐暴露于内部液体和外部火灾的表面积。湿润面积通常按以下原则确定[5]。

(1)球罐湿润面积等于球罐表面积的55%，或地面以上9.14 m的表面积，两者取较大值。

(2)卧式罐湿润面积等于卧式罐表面积的75%，或地面以上9.14 m的表面积，两者取较大值。

(3)立式罐湿润面积等于地面以上9.14 m的罐壁表面积。对于地上储罐，湿润面积不包含罐底板的面积；对于高架储罐，湿润面积需包含部分罐底板面积，罐底暴露于火灾的面积基于储罐的直径和架空高度确定。

1.2 放空量计算

火灾工况下，储罐放空量按下式计算[5]：

(1)

式中：Q为火灾的热量输入，W，通常按表1确定；F为环境系数，通常按表2确定；L为储存液体在泄放压力和温度下的蒸汽潜热，J/kg；T为泄放蒸汽的绝对温度，K；通常假设该温度为液体在泄放压力下的泡点温度；M为蒸汽的相对摩尔质量。

表1 火灾的热量输入

表2 储罐环境系数

1.3 公式简化

当储存液体的物性与己烷相似时，可对公式(1)进行简化。已知己烷的蒸汽潜热为334 900 J/kg(常压)，相对摩尔质量为86.17，假设蒸汽温度为15.6 ℃。

(1)当湿润表面积<260 m2，设计压力≤103.4 kPa时，可根据表1中公式计算热量输入，再结合公式(1)，计算放空量，如表3所示。表中的紧急放空量还需乘以环境系数F，每次只考虑一种环境系数值。

表3 火灾工况下的紧急放空量(不含环境系数F)

(2)当湿润表面积≥260 m2，设计压力≤7 kPa时，热量输入为定值4 129 700 W，结合公式(1)，储罐放空量为19 910×F。

(3)当湿润表面积≥260 m2，设计压力7～103.4 kPa时，式(1)可以简化为：

q=208.2F·ATWS0.82

(2)

2 紧急放空措施

当储罐暴露于火灾时，用于正常工况的呼吸阀放空能力不足，应提供额外的紧急放空设备，使总放空量至少等于公式(1)的放空量[11]。火灾时可忽略环境温度变化的影响，并假设火灾时没有液体进入储罐[5]。

通常采用以下措施实现紧急放空[12]：①大一级通风口或增加通风口；②大一级呼吸阀或增加呼吸阀；③盖子在非正常内压下能够自动打开的量油口；④在非正常内压下能够打开的人孔盖；⑤弱顶连接结构；⑥爆破片；⑦能够实现压力泄放的其他结构。

3 结束语

当储罐暴露于火灾时，根据不同储罐类型，确定其湿润面积，进而确定其热量输入，结合液体物性与环境系数，计算储罐所需的紧急放空量。参考己烷的物性参数，对计算公式进行简化，对于物性与己烷相似的液体，可利用简化公式进行计算。火灾时，可忽略环境温度变化的影响，并假设没有液体进入储罐。当呼吸阀放空量不足时，需增加紧急放空设备，以满足火灾时储罐的放空要求。