防火绝热下火灾泄放量计算分析

任帅，陈斌

（华陆工程科技有限责任公司，西安 710065）

1 引言

在化工生产过程中，盛有液体物料的管道、设备在事故火灾下，其内部物料会不断汽化造成系统压力升高[1]。为了避免设备及管道在火灾下损坏引起更多的灾害，需要设置压力泄放装置对系统进行泄压。

伴随着生产设备体积的增大，火灾工况下计算出的设备安全泄也放量越来越大，从而对事故泄放气的处理措施（如高架/ 地面火炬等）带来很大的设计困难。

本文的主要研究方向，即探寻一种合理的方法，有效降低火灾工况下设备的安全泄放量，并通过一种典型的球罐火灾工况探讨减排效果。

2 外部火灾下系统泄放量的计算基础

根据HG/T 20570.2—1995《安全阀的设置和选用》中算法[2]，发生外部火灾的设备/ 系统，安全泄放量主要由式（1）～式（3）进行计算：

式（1）、式（2）中，W 为质量泄放量，kg/h；Hl为泄放条件下汽化潜热，kJ/kg；A 为润湿面积，m2；F 为容器外壁矫正系数。

式（1）用于计算无绝热措施的容器，而式（2）用于计算有足够消防保护措施和有能及时排走地面上泄漏措施时的容器。显而易见，合格的化工生产装置必然设计了足够的消防保护措施，但是在着火事故中，及时排走地上泄漏物料几乎是不可完成的，因此本着从严原则，研究式（1）算法减排的可能性。

1）Hl为整定压力下的流体物性参数，无法更改。

2）A 为润湿面积，按照HG/T 20570.2—1995《安全阀的设置和选用》定义为距着火平面7.5 m 范围内的容器外表面积与最高正常液位以下的外表面积比较，取两者中较小值。在钢格栅框架内只有地面才能形成稳定的着火面，提升设备安装高度就可能减小润湿面积，混凝土框架每层都可形成稳定的着火面，框架高度6～8 m 不可调，造成无法减小A 来减排。

3）F 为容器外壁矫正系数，描述容器外设施阻碍火焰热量传递给容器的定量系数。标准中选取定义为：（1）容器在地面上无绝热：F=1.0；（2）容器在地下用沙土覆盖：F=0.3（受限较大，均无法在化工装置中得到广泛的运用）；（3）容器顶部设有大于10 L/（m2·min）水喷淋装置：F=0.6（由于工艺安全泄放计算会假定消防失效，因此与第（1）情况的最后效果相同）；因此，通过F 值来进行减排效果不理想。

除了式（1）、式（2），容器在地面有完好的保温（绝热），因此，可使用式（3）计算泄放量：

式中，t 为泄放温度，℃；λ 为绝热材料的导热系数，kJ/（m·h·℃）；d0为绝热材料厚度，m。

式（1）和式（2）没有可优化参数，下面重点探讨式（3），通过增加绝热挂载来减少火灾工况下的排放方案。

3 防火保温的容器火灾泄放量

化工领域通常需要对设备进行保温（防止内部热量散逸）、保冷（防止外部热量输入）、双温（变温况设备），常用的绝热材料有如下几种：（1）岩棉；（2）玻璃棉；（3）硅酸铝；（4）气凝胶；（5）聚氨酯；（6）泡沫玻璃。

以上（1）～（4）主要用于保温，（5）～（6）主要用于保冷，对于某些特殊工况（双温、防止结露等），绝热材料使用（5）和（6）。

排除在事故火灾工况下可轻易达到燃/ 熔点的物质，以上各物质中只有硅酸铝和玻璃棉两种材质符合火灾工况使用条件，因此，本文重点探讨使用这两种材料的设备的火灾泄放量。

依据GB 50264—2013《工业设备及管道绝热工程设计规范》[3]，硅酸铝纤维（DN≤100 mm 管壳）导热系数λ 计算见式（4）、式（5）：

式（4）、式（5）中，Tm为绝热材料内外表面温度算术平均值，℃；λ 为绝热材料的导热系数，kJ/（m·h·℃）；Tm≤400 ℃时λ=λL（GB 50264 附录A）。Tm＞400 ℃时λ=λH，λH为式（4）中带入Tm=400 的计算值（GB 50264 附录A）。

泡沫玻璃导热系数λ：

依据API 521 标准Pressure-relieving and Depressuring Systems，在火灾工况下容器外壳可以假定温度为904 ℃。

案例：已知某液态醇烃项目中，使用一个2 000 m3球罐进行液态醇烃的储存，储罐示意图如图1 所示。

图1 储罐示意图（单位：mm）

储罐直径15.7 m，支腿高度9.8 m；操作压力0.3 MPa（G），操作温度是50 ℃，安全阀整定压力0.7 MPa（G）。该液态醇烃在泄放工况下汽化潜热Hl=141.7 kJ/kg；泄放温度t=134.9 ℃。Tm=（904+50）/2=477 ℃。

计算7.5 m 受火高度下此球罐的润湿面积A。根据球缺面积计算公式S=2πRH（R 为球缺圆半径；H 为球缺高度），润湿面积为：

1）根据式（1）计算无绝热保护时候的泄放量W1（F 取1）：

2）对储罐使用80 mm 硅酸铝进行防火保温，则根据式（4）、式（5）导热系数λH得：

将上述λH带入式（3）计算防火保温储罐的泄放量W2：

3）对储罐使用70 mm 泡沫玻璃进行防火保温，则根据式（6）导热系数λ 得：

将上述λ 带入式（3）计算防火保温储罐的泄放量W3：

W1远大于W2和W3，使用防火保温可以极大地减少火灾工况的安全泄放量。

4 使用防火保温减排的局限性与解决方案

防火保温减排法在实际生产实践中有一定的局限性。

1）外部防火保温的有效性较难验证：根据API 521 标准，安装好的防火保温需要经受消防的高压水流冲击[国内消防水操作压力一般约为1.4 MPa(G)]后，仍不致脱落。保护系统的隔热层需要耐受904 ℃的温度，维持2 h 不损坏的能力[4]。大部分现场缺乏检验能力。

2）日常维护水平要求较高：实际生产过程中，保温层实际上经常会小块剥离，露出设备本体，以方便现场人员巡视检查，排除隐患，但会破坏保温层的完整性。

3）泄放量过小，与现场设备尺寸不协调：以案例中2 000 m3大罐举例，3 种不同计算方案计算的泄放量如表1 所示。

表1 不同做法的储罐火灾泄放量

后两者数据过小，没有足够安全裕量，影响装置的安全。同时，按照后两者泄放数据计算得安全阀安装管径为DN25 左右，相较于常规2 000 m3球罐的放空管径过小。

因此，虽然储罐防火绝热对于安全泄放量的减排效果显著，但是不建议直接使用过小的排放量进行最终设计。

对比国内外相关规范，其中，GB/T 150.1—2011《压力容器第1 部分：通用要求》有条款B.7.4.2：“介质为非易爆液化气体的容器，置于无火灾危险的环境下工作时，安全泄放量可根据有、无绝热保温层，取不低于计算值的30%”[5]。

API 521 对于制备完好绝热系统的要求：承受暴露温度为904 ℃且长达2 h 无影响。

做好绝热的设备可以假定在足够时间内无火灾危险，因此，按照GB/T 150.1—2011，无火灾环境系数修正本文中球罐的泄放量W4=W1×0.3=172 889×0.3=51 866.7 kg/h。

此泄放量从工业角度来看较为合理，因为满足了以下3点：（1）泄放量超过严格绝热计算的结果，满足了最低要求；（2）泄放量与无防护设备泄放量处于同一个数量级，有足够的安全冗余量，增大了安全系数；（3）降低了70%的泄放量，减少了装置最终排放处理设施的设计压力。

5 结语

本文通过一系列计算研究，并结合作者的工程设计实践，证明了防火保温可以有效减少火灾安全泄放量，但是直接根据HG/T 20570.2—1995《安全阀的设置和选用》计算的泄放量过于激进，因此本文不推荐。

经过探讨，推荐使用GB/T 150.1—2011《压力容器 第1 部分：通用要求》的0.3 倍无防护泄放量算法，即安全泄放量满足了最低要求，也留有足够的安全裕量，同时相比无绝热工况得到了有效降低。

目前，火灾工况下的设备安全泄放量仍处于不断探索中，仍需继续研究及不断完善，等待更为精确的算法，并最终在生产实践中得到充分验证。