呼吸阀保温折减因子计算

＊刘春丽

（北京沃利工程技术有限公司 北京 100102）

引言

呼吸阀是一种用于石油、化工、天然气等行业的低压保护设施，可用来保持储罐压力始终处于正常状态。随着外部环境温度的变化，气相空间相应变化，呼吸阀进行热呼入呼出，调节储罐内的压力。热呼入呼出量与保温密切相关，不同的保温形式将产生不同的折减因子，获得不同的呼吸量。在设计实践中，对保温材料对折减因子应用较少，选用较大的呼吸量，增加生产运行的能耗。以乙醇储罐为例，介绍呼吸阀保温折减因子的计算方法和对热呼吸量的影响[1]。

1.保温材料导热系数计算

(1)绝热保温材料岩棉制品

岩棉具有多种型号和规格，以岩棉板为例，最高使用温度550℃[2]。采用式（1）、式（2）计算保温材料随温度的变化。

式中，λ为导热系数（W/m·K）；Tm为操作温度（℃）。

(2)防火保温材料硅酸铝棉

防火型保温材料以硅酸铝棉2#毡为例，最高使用温度1200℃[2]。采用式（3）、式（4）计算保温材料随温度的变化。

式中，λL为低温下导热系数（W/m·K），取Tm=400℃时的值；λH为高温下导热系数（W/m·K）；Tm为操作温度（℃）。

(3)新型气凝胶保温材料

气凝胶是新型的保温材料，具有耐火不燃和超低导热系数约0.02W/m·K，数远低于其他保温材料，其独特的结构可有效阻止热量的传递，且随着温度的升高其导热系数的增加速度缓慢，导热性能稳定。有研究发现，气凝胶的温度传递延迟时间比传统保温隔热材料多出1倍，衰减倍数可增大40%,其导热性能明显优于传统保温隔热材料[3-4]。

2.热呼吸量的计算

(1)热呼出量的计算

采用式（5）计算因为系统升温而导致的热呼出量（即加热的最大热流率）VoT[5]。

式中，VoT为热呼出量（Nm3/h）；Y为纬度因子；Vtk为储罐容积（m3）；Ri为保温折减因子。保温折减因子，如果未使用保温Ri=1；部分保温储罐的Ri=Rinp；完全保温储罐的Ri=Rin；双壁罐Ri=Rc。

(2)热呼入量的计算

采用式（6）计算因为环境温度变化而导致的热呼入量VIT[5]。

式中，VIT为热量呼入量（Nm3/h）；C取决于蒸汽压、平均存储温度和纬度的因子；Vtk为储罐容积（m3）；Ri为保温折减因子。

3.保温折减因子计算

(1)全保温折减因子

加热（热呼出）或冷却（热吸入）的热流率因保温而降低，并取决于保温的特性和厚度。根据式（7）计算完全保温储罐的折减因子Rin。

式中，Rin为全保温折减因子；h为内部传热系数（W/m2·K），取4W/m2·K；lin为保温层的壁厚（m）；λin为保温层的导热系数（W/m·K）。

(2)部分保温折减因子

根据式（8）计算部分保温储罐的折减因子Rinp：

式中，Rinp为部分保温折减因子；Ainp为储罐的保温表面积（m2）；ATTs为储罐总表面积（含壳体和罐顶）（m2）；Rin为全保温折减因子。

(3)双壁储罐保温折减因子

双壁储罐因双壁部分的作用对环境的传热量相应减少，折减因子Rc可使用公式（9）计算。

式中，Rc为双壁储罐保温折减因子；A为储罐总表面积（m2）；Ac为不在壳内的罐表面积。

4.计算实例

乙醇储罐，尺寸ID 6400mm×9000mm，容积298.43m3，表面积213.02m2，操作温度35℃，维度30°维度系数Y=0.32，与蒸汽压储存温度关联的因子C=6.5。采用API标准计算热呼吸量[5]。

(1)岩棉保温折减因子

根据式（1）、式（2）、式（5）、式（6）、式（7）、式（8）、式（9）计算岩棉材料保温折减因子及热呼吸量，保温厚度取0.1m，部分保温比例取0.5，计算结果见表1。

表1 岩棉保温折减计算结果Tab.1 Calculation results of rock wool insulation reduction factors

从表1中可以得出，随着温度的升高材料的导热系数增大，保温折减因子随着增大，热呼出呼入量增大。

(2)硅酸铝棉保温折减因子

根据式（3）、式（4）、式（5）、式（6）、式（7）、式（8）、式（9）计算硅酸铝棉保温折减因子及热呼吸量，保温厚度取0.1m，部分保温比例取0.5，计算结果见表2。

从表2可以得出，随着温度的升高材料的导热系数增大，保温折减因子随着增大，热呼吸量增大。对于防火型保温材料，在高温时保温材料的导热系数成倍数的增加，在火灾温度时已超常温下的十倍。

表2 硅酸铝棉保温折减因子计算结果Tab.2 Calculation results of insulation reduction factor of aluminum silicate cotton

(3)保温厚度对保温折减因子的影响

以岩棉在100℃的导热系数为例，部分保温的比例0.5，考察不同保温厚度对不同保温型式对保温折减因子的影响。

由表3随着保温厚度的增加，保温折减因子减少，热呼吸量减小，保温厚度的增加可以降低运行中的能耗，但相应增加建设投资。

表3 保温厚度对折减因子的影响Tab.3 Influence of insulation thickness on reduction factor

(4)不同保温面积对部分折减因子的影响

以岩棉在以100℃的导热系数，温度厚度0.1m为例，考察不同保温面积对部分保温折减因子的影响。

由表4随着保温面积的增加，保温折减因子减小，呼入呼出量减小，能有效降低生产能耗。

表4 保温面积对折减因子的影响Tab.4 Influence of insulation area on reduction factor

(5)新型材料保温折减因子

因新型保温材料导热系数随温度的变化较小，可以视为定值，保温折减因子只与保温厚度和保温面积有关，其影响见表3、表4。

(6)新型材料保温折减因子

由式（9）得出双壁罐的保温折减因子，只与不在外壁内的非双壁面积有关，与保温材料类型、保温厚度、罐的壁厚无关。随着非双壁面积的增大，保温折减因子增大，热呼吸量增大。计算结果见表5。

表5 双壁储罐保温折减因子计算Tab.5 Calculation for insulation reduction factor of double wall tank

5.结语

以乙醇储罐为例介绍各种不同保温材料下的保温折减因子的计算方法，及不同的保温形式对储罐热呼吸量的影响。随着保温厚度的增加保温折减因子减小，热乎出呼入量减小；随着保温面积的增加，保温折减因子减小，热乎出呼入量减小；不同材料随着温度的增加导热系数增大，保温折减因子增大，热呼出呼入量增大；材料导热系数小，保温折减因子小，热呼吸量小。为在工程设计中，采用经济合适的保温材料、保温厚度、保温面积、保温型式提供数据支持。