空气储罐安全阀排放能力浅析

李隆骏 洪君华 郭黎群 古朋赞

（1.台州市特种设备检验检测研究院 台州 318000）

（2.浙江临东压力容器制造有限公司 临海 317015)

随着空压机成为工业现代化的基础产品之后[1],空压机的附属设备——压缩空气储罐（以下简称储气罐）行业也得到了发展,涌现出许多专业生产储气罐的厂家。目前各个厂家的储气罐均是以压力及容积为单位系列化成规模生产,以配套市场上不同排气压力及排气量的空压机,组成空压机系统,为气动工具提供压缩空气这一清洁能源。储气罐在工作过程中是有可能超压的[2],为保证其使用安全一般都配有安全阀。因市场上相同容积相同压力的储气罐安全阀口径大小不同,则安全阀排放能力就会有差异,如果安装空压机系统时没有对比空压机的排气量和相应储气罐安全阀的排放能力,市场上就有可能出现空压机排气量大于安全阀排放能力的情况,即出现安全阀排放能力不足的隐患。本文通过对储气罐的使用环境、安全泄放量及设计文件中安全阀排量计算现状的分析,指出设计文件中应该标出安全阀的最大排放量,并给出计算方法和数值单位的转化公式,这样在空压机系统选择过程中,对比数值即可有效避免上述隐患,对安全生产具有一定的实际意义。

1 储气罐的使用环境

1.1 空压机系统简介

空压机系统主要包括空压机、储气罐及干燥机等,管道连接方式一般如图1所示。

图1 空压机系统的连接示意图

空压机提供一定流量及压力的压缩空气,储气罐起到储存压缩空气、稳定气压、冷却及过滤空气的作用,储气罐顶部装有安全阀,当空压机压力控制系统失效时,安全阀可以泄放部分气体,确保储气罐工作时不超压。空压机的生产目前已经标准化,相关标准有GB/T 13279—2015《一般用固定的往复活塞空气压缩机》[3]、JB/T 6430—2014《一般用喷油螺杆空气压缩机》[4]及JB/T 10972—2010《一般用变频喷油螺杆空气压缩机》[5],铭牌上均要求注明额定排气压力、公称容积流量（也称排气量,以下同）、配用的驱动电动机功率,其中额定排气压力有0.8 MPa,1.0 MPa和1.25 MPa,而驱动机功率为55 kW的空压机,额定排气压力为0.8 MPa时,公称容积流量因压缩机的种类不同有所区别,为7.3～9 m3/min[3-5]。

储气罐作为空压机的附属设备,其工作压力与空压机排气压力相同,容积常见有0.3～30 m3多个系列,以匹配不同功率不同排气量的空压机,供用户选择。储气罐一般用容积和使用压力表示,如2.0/0.8、3.0/1.0等,前后数字分别代表容积和使用压力,如2.0/0.8即表示容积为2 m3、使用压力为0.8 MPa的储气罐。

1.2 储气罐容积与空压机公称容积流量的对应关系

安装空压机系统时,在储气罐工作压力与空压机额定排气压力相一致的前提下,为保证压缩空气的气流稳定及避免空压机的频繁启动,根据JB/T 8867—2015《固定的往复活塞空气压缩机 储气罐》标准中的推荐,储气罐容积适用的压缩机公称容积流量范围[6]见表1。

表1 储气罐容积适用的压缩机公称容积流量范围

JB/T 8867—2015标准中推荐的储气罐适用的压缩机公称容积流量是一个比较宽的范围,且没有考虑使用压力,各厂家储气罐均没有按此推荐的压缩机容积流量最大值来校核储气罐安全阀排放能力。市场上同样规格的储气罐例如2.0/0.8,所配的安全阀从DN15 mm到DN32 mm不等,设计文件上标注的安全泄放量数值来源也不尽相同,一般均标注的是质量流量,不便与空压机的容积流量做对比,因此对实际安装指导作用有限。

2 储气罐的安全泄放量

2.1 安全泄放量定义

GB/T 150.1—2011《压力容器 第1部分：通用要求》中附录B第B.7.2 a）条规定,压缩机贮气罐的安全泄放量,取该压缩机在单位时间内的最大产气量[8]。如前所述,目前空压机生产已经标准化,储气罐大多成系列化在市场上销售,同一品种储气罐可能搭配的空压机功率和排气量是可以在一定范围内选择的,因此储气罐的安全泄放量按定义就不是一个确定的数值。据了解,终端客户购买储气罐时通常只关注容积及压力,而对于与安全生产直接相关的安全阀的排放能力是否能满足实际要求则没有引起重视。

2.2 储气罐设计文件中的安全泄放量取值现状

以常见的2.0/0.8,进气管口分别为φ57×5 mm和φ133×8 mm的储气罐为例,安全阀口径均为DN25 mm。安全泄放量是按GB/T 150.1—2011中附录B中的公式[8]计算,见式（1）。

式中：

d——容器进料管内直径,mm；

ρ——泄放条件（设定温度与设定压力）下的介质密度,kg/m3,按理想气体状态方程求得7.62 kg/m3；

v——容器进料管内的流速,m/s,一般按HG/T 20570.6—95《管径选择》[9]中的管道内平均流速推荐值,如介质为空气,压力范围为0.6～1.0 MPa时,管道平均流速为10～15 m/s,一般取10 m/s；

Ws——容器的安全泄放量,kg/h。

然后再按式（2）校核安全阀泄放面积。

“真”的另一方面是创设情境必须有用。情境创设与新课导入不同，它是教师课堂教学活动的平台，是学生开展自主学习，合作探究的有效载体，是贯穿整个课堂的教学主线。因此，情境创设要对整节课堂的教学内容有直接的作用，学生能依据情境去发现问题和解决问题。

式中：

A——安全阀最小泄放面积,mm2；

C——气体特性系数,空气为356.1；

pf——安全阀的泄放压力（绝压）,MPa,包括设计压力和超压限度2部分,数值为0.84+0.084+0.1=1.024；

K——安全阀的额定泄放系数,一般取0.7；

Z——气体压缩系数,对于空气Z=1.0；

Tf——泄放装置泄放温度,K,空气取323；

M——气体的摩尔质量,kg/kmol,空气为28.97。

安全阀的喉径d0与公称直径DN之比约为0.625,DN25 mm喉径通常按φ15 mm取值,实际泄放面积A为176.63 mm2。容器安全泄放量及安全阀泄放面积校核结果见表2。

表2 安全泄放量及安全阀泄放面积计算结果

比较A0与A,进气管为φ57×5 mm的储气罐A0＜A,校核结果合格,设计文件数据表上显示容器安全泄放量为476.4 kg/h,计算书显示安全阀泄放面积校核合格。但是由表2可以看到,安全泄放量需要的最小泄放面积A0为82.02 mm2,但实际泄放面积A为176.63 mm2,说明安全阀排放能力是有富余的。而假如实际所接的空压机排量大于476.4 kg/h时,也不能判断该安全阀排放能力是否满足泄放要求。同理,进气管为φ133×8 mm的储气罐A0＞A,校核结果应该不合格。但实际设计文件中安全泄放量为2 952 kg/h,技术要求注明管路中需串联一个DN40 mm（安全阀喉径为φ25 mm,安全泄放面积为490.6 mm2）的安全阀。但如果实际所接的空压机排量小于2 952 kg/h,那可能无须在管路中串联一个安全阀。

以上例子说明,设计文件中以第2.2章中的方法计算出的安全泄放量不符合实际,不能为空压机系统选择储气罐提供参考依据。计算中取的流速也只是参考,其逻辑关系是先有流量再根据推荐流速（与压力降有关）选管径。式（1）～式（2）只适合用于有压力源持续输入的储气罐安全泄放量的计算。

2.3 确定储气罐安全阀排放能力的必要性

储气罐是一种产销量大且压力及容积等参数基本形成一定系列的特殊容器,因此根据已知安全阀公称直径来确定其排放能力对安装空压机系统十分必要。

根据GB/T 37816—2019《承压设备安全泄放装置选用与安装》中第A.7.5条要求,已知安全泄放装置的泄放面积时,其排放能力计算按照式（2）将Ws换成W即可[10]。选用的安全阀泄放装置实际排放能力W不小于空压机的排量即能满足泄放要求。[10]由式（2）计算出的是质量流量,为方便选用,可将单位换算成与空压机铭牌上标注的容积流量相一致。标况下的空气密度根据气体状态方程计算为1.21 kg/m3,即可得出容积流量VS=W/(1.21×60)。以储气罐2.0/0.8,安全阀公称直径DN25 mm（喉径φ15 mm）与DN32(喉径φ20 mm)为例,计算出来的容积流量VS见表3。

表3 安全阀排放能力计算结果

通过计算,设计文件可以标出安全阀的排放能力,换算成容积流量分别为14 m3/min和25 m3/min。对比表1的推荐搭配,2 m3储气罐适配10～24 m3/min的空压机,可以看出,实际生产中如果没有注意安全阀的口径大小及排放能力,就很有可能选配小于空压机排气量的储气罐,给安全生产造成隐患。

另外,设计者在设计储气罐的安全泄放装置时,也可以按表1中推荐的最大数值校核安全阀泄放面积,这样可以满足更广泛的需求,但同时也要考虑避免安全阀配置过大,造成浪费。

3 结束语

对于标准化生产市场销售的储气罐,设计文件中应注明安全阀的排放能力,并应把质量流量转化为与空压机排量相一致标况下的容积流量,为空压机系统选配储气罐提供依据。

对于有压力源持续输入的储气罐的安全泄放量,应准确了解使用工况,提供符合实际的安全阀泄放面积校核计算书。