萬宇飛，陳建玲，李立婉，朱 睿，王文光，劉英雷

（1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300459；2.中油工程項目管理公司天津設(shè)計院，天津300450）

壓力容器火災(zāi)工況指當(dāng)壓力容器外部由于氣液泄漏蔓延而發(fā)生池火災(zāi)時，熱量源源不斷的被容器吸收，內(nèi)部烴類物質(zhì)持續(xù)升溫氣化或膨脹，引起容器內(nèi)部壓力不斷升高，直至超壓的動態(tài)過程。對于壓力容器內(nèi)含有液烴時，超壓主要源于液烴氣化[1-2]；對于純氣相壓力容器，超壓主要由氣體升溫膨脹引起[3]。因此，一般需要對壓力容器設(shè)置可靠的防護(hù)措施。API RP 14C 中規(guī)定，壓力容器應(yīng)設(shè)置兩級保護(hù)裝置。其中，一級保護(hù)由壓力高高關(guān)斷（PAHH）傳感器提供，及時關(guān)斷容器入口物流；二級保護(hù)由安全閥（PSV）提供，及時泄放超壓部分氣體。根據(jù)API STD 520 與API STD 521 中規(guī)定，在壓力容器火災(zāi)工況下安全閥選型時，其聚集壓力應(yīng)限制在壓力容器的最大允許工作壓力的121%，且泄放閥的設(shè)定壓力不大于最大允許工作壓力[4]。

小型儲氣罐由于體積小，存儲的氣體數(shù)量有限，火災(zāi)工況下罐體溫度和罐內(nèi)氣體溫度隨時間不斷升高。若罐體溫度超過593.3 ℃，會引起儲氣罐坍塌[5]；若罐內(nèi)流體溫度升高引起罐內(nèi)壓力超過設(shè)計壓力，會引起儲氣罐的結(jié)構(gòu)破壞。因此，需要詳細(xì)計算火災(zāi)工況下罐體溫度和罐內(nèi)壓力的變化，以評估設(shè)置安全閥的必要性及安全閥選型。

1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以國內(nèi)某長距離輸氣管線氣液聯(lián)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的小型壓力儲氣罐為例進(jìn)行分析。儲氣罐內(nèi)氣體取自于主干管線內(nèi)天然氣，通過調(diào)壓器（減壓閥）減壓后進(jìn)入執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為啟閉閥門提供動力。主干線最大工作壓力10.0 MPa，設(shè)計壓力12.0 MPa。儲氣罐最大操作壓力10.2 MPa，設(shè)計壓力12.0 MPa。目前該干線和儲氣罐的操作壓力為8.0 MPa，操作溫度25 ℃。該小型儲氣罐直徑為0.365 m，長度為0.765 m，體積約 0.073 2 m3，表面積 0.9 m2，罐材為SA-106 Gr.B（力學(xué)性能與國內(nèi)20#鋼相似），坍塌溫度按593.3 ℃考慮。天然氣組成如表1 所示。

表1 天然氣組分Table 1 Composition of natural gas

API STD 521 中明確給出了對于盛有多相流體的壓力容器，在外部火災(zāi)工況下的熱流量計算公式，它與罐內(nèi)濕周、保溫情況等有關(guān)[6]。但未給出類似于儲氣罐這種單一氣相壓力容器在火災(zāi)工況下熱流量的計算式，僅給出一個熱流密度輸入范圍（50～150 kW/m2）。這里的模擬計算分別選取熱流密度50 kW/m2和70 kW/m2兩種工況予以分析，同時假設(shè)整個過程中熱流量恒定不變。

2 模擬分析

利用計算流體動力學(xué)軟件Ansys Fluent 建立同比例的三維模型，模擬計算在不同工況下罐體溫度和罐內(nèi)壓力隨時間的變化和分布情況。

2.1 數(shù)學(xué)模型

數(shù)值模擬是通過求解流體控制流動的微分方程進(jìn)行計算的，從而獲得流體的流場分布情況。密閉系火災(zāi)工況滿足N-S方程組所描述的流體力學(xué)基本方程組[7]。在湍流描述中，由N-S方程組進(jìn)行雷諾近似，由k-ε封閉方程組構(gòu)成可壓縮黏性流體的計算流體動力學(xué)模型[8]。

基于能量、動量、守恒定律和組分輸運(yùn)方程，可以用一個通用的形式表達(dá)[9]：

其中，t為時間，φ為通用變量，ρ為氣體密度，Γ為系數(shù)，S為源項為速度矢量沿x、y、z方向分量。

湍流流動流型使用k-ε湍流模型，該模型計算量適中，且有較高精度，常用于工程計算[10-11]。

k-ε模型主要求解以下兩個方程：

其中，k為湍流動能，ε為湍流耗散率，Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動能，Gb為由浮力產(chǎn)生的湍流動能，YM代表脈動擴(kuò)散對總耗散率的作用，C1ε、C2ε和C3ε為經(jīng)驗常數(shù)，σk和σε為湍流普朗特數(shù)，μ為黏性系數(shù)，μt為湍流黏度，Sk和Sε分別為源項。

另外，模型設(shè)置中考慮重力作用和浮動操作壓力對氣體膨脹的影響[12]。

2.2 幾何模型與求解方法

利用ANSYS ICEM 軟件建立三維密閉系統(tǒng)儲氣罐幾何模型，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。經(jīng)試算，網(wǎng)格數(shù)分別為 50 萬、65 萬、80 萬時，平均溫度值分別為604.52、607.13、607.13 ℃。儲氣罐內(nèi)平均溫度在網(wǎng)格數(shù)為65 萬與網(wǎng)格數(shù)為50 萬時差異較大，而與網(wǎng)格數(shù)為80 萬時一致，即說明網(wǎng)格數(shù)為65 萬可以達(dá)到網(wǎng)格無關(guān)解。儲罐安裝高度（儲罐中心點距離地面高度）為1.7 m，發(fā)生火災(zāi)時，整個儲罐完全被火焰包圍，即上端面、圓柱壁面和下端面均有熱量輸入，熱流密度分別設(shè)置50 kW/m2和70 kW/m2兩種工況。采用混合初始化方法，給定（Patch）罐內(nèi)氣體溫度和壓力初值，分別為25 ℃和8.0 MPa。采用基于壓力的壓力-速度耦合求解算法(coupled)，該求解器適用于大多數(shù)單相流動，比壓力基分離式求解器效果更好，但占用內(nèi)存更多[13]。單元中心處結(jié)果變量的梯度采用Green-Gauss Cell-Based 方法得到。壓力插值格式采用PRESTO!，用QUICK 格式進(jìn)行對流項插值。利用Patch 對系統(tǒng)內(nèi)壓力和溫度進(jìn)行區(qū)域初始化[14]。

2.3 結(jié)果分析

2.3.1 達(dá)到儲氣罐設(shè)計壓力 初始條件下，罐內(nèi)壓力8.0 MPa，溫度25 ℃，隨著不同熱流密度的輸入，罐內(nèi)壓力不斷升高，直至達(dá)到12.0 MPa，罐內(nèi)壓力和溫度分布如圖1 所示。

圖1 罐內(nèi)壓力12.0 MPa 時壓力與溫度分布Fig.1 Pressure and temperature distribution in vessel after different time of fire when the pressure in vessel reaching 12.0 MPa

由圖1 可知，在熱流密度50 kW/m2時，系統(tǒng)壓力達(dá)到12.0 MPa 僅需20 s，此時罐體最高溫度約為447.0 ℃。在熱流密度70 kW/m2時，系統(tǒng)壓力達(dá)到12.0 MPa 僅需14 s，此時罐體最高溫度約為486.0 ℃。即，在儲氣罐外部發(fā)生火災(zāi)時，罐體溫度和罐內(nèi)壓力急劇升高，在很短的時間內(nèi)就能夠達(dá)到儲氣罐的設(shè)計壓力12.0 MPa，此時的罐體溫度未超過罐體的坍塌溫度593.3 ℃。

2.3.2 達(dá)到儲氣罐坍塌溫度 當(dāng)鋼制儲氣罐溫度達(dá)到593.3 ℃時，儲罐會出現(xiàn)坍塌，即儲氣罐出現(xiàn)失效，氣體可能會發(fā)生爆炸或者燃燒，可能引起更大的事故，因此需要評估當(dāng)達(dá)到坍塌溫度時罐內(nèi)壓力大小。同樣，初始條件下，罐內(nèi)壓力8.0 MPa，溫度25 ℃，隨著不同熱流密度的輸入，罐內(nèi)溫度不斷升高，直至達(dá)到鋼制儲氣罐坍塌溫度，罐內(nèi)壓力和溫度分布如圖2 所示。

由圖2 可知，在熱流密度50 kW/m2時，罐體溫度達(dá)到593.3 ℃僅需30 s，此時罐內(nèi)壓力約為14.0 MPa。在熱流密度70 kW/m2時，罐體溫度達(dá)到593.3 ℃僅需20 s，此時罐內(nèi)壓力約為13.6 MPa。即，在儲氣罐外部發(fā)生火災(zāi)時，罐體溫度和罐內(nèi)壓力急劇升高，在很短的時間內(nèi)就能夠達(dá)到鋼制儲氣罐坍塌溫度593.3 ℃，此時的罐內(nèi)壓力超過儲氣罐的設(shè)計壓力12.0 MPa。

圖2 罐體溫度593.3 ℃時壓力與溫度分布Fig.2 Pressure and temperature distribution in vessel after different time of fire when the temperature of vessel reaching 593.3 ℃

綜上所述，在兩種熱流密度下，當(dāng)儲氣罐外部發(fā)生火災(zāi)時，罐體溫度和罐內(nèi)壓力急劇升高，在很短的時間內(nèi)就能夠達(dá)到鋼制儲氣罐坍塌溫度和罐體設(shè)計壓力，但達(dá)到鋼制儲罐坍塌溫度的時間滯后于達(dá)到儲氣罐設(shè)計壓力的時間。若該儲罐設(shè)置安全閥，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到安全閥設(shè)定壓力（一般不大于儲氣罐的設(shè)定壓力）時，通過安全閥和相應(yīng)的泄放裝置安全泄放一部分氣體，即使儲罐發(fā)生坍塌，也有助于降低事故發(fā)生的危害程度。

3 安全閥最小口徑及選型

安全閥作為壓力容器、管道等承壓設(shè)備的最后一道保護(hù)裝置，在當(dāng)容器或管道內(nèi)壓達(dá)到設(shè)定壓力（最大允許工作壓力）時，可自動開啟，及時排出聚集的流體，保證設(shè)施安全。這種方式屬于一種被動保護(hù)方式。安全閥計算工況的合理分析，對泄放量的計算、安全閥尺寸的選型和緊急工況下容器的保護(hù)至關(guān)重要。安全閥的計算選型要綜合考慮堵塞、火災(zāi)等工況[15]。

由于主干管線的最大操作壓力和設(shè)計壓力均不超過儲氣罐的最大操作壓力和設(shè)計壓力，即堵塞工況下不會出現(xiàn)超壓現(xiàn)象。因此，該儲氣罐的安全閥設(shè)計計算主要取決于火災(zāi)工況。

火災(zāi)過程是一個動態(tài)過程，需要隨時追蹤和捕捉外部發(fā)生火災(zāi)時，熱流量隨時間輸入后罐內(nèi)壓力的變化，得到發(fā)生火災(zāi)后罐內(nèi)流體溫度與壓力隨時間的響應(yīng)情況。另外，安全閥的起跳和關(guān)閉又是一個動態(tài)過程，若系統(tǒng)內(nèi)壓力超過安全閥設(shè)定壓力時，安全閥根據(jù)超壓幅度開啟相應(yīng)的開度，泄放流體，當(dāng)壓力降低后又自動關(guān)閉，直到下次超壓開啟。在這個過程中得到最大泄放量，進(jìn)而選擇合適的安全閥型號。目前，安全閥最小口徑的計算主要采用穩(wěn)態(tài)的計算方式，即公式法，但這種方法不能精確計算和捕捉泄放過程。

采用Aspen Hysys 軟件建立同比例計算模型。首先在穩(wěn)態(tài)環(huán)境中搭建工藝流程并收斂。然后輸入各設(shè)備的表征參數(shù)，如儲氣罐的直徑、長度，閥門的Cv 值，安全閥的設(shè)定壓力、最大泄放壓力等。添加進(jìn)口流量、分離器壓力和液位的PID 控制回路；利用Strip Charts 工具記錄儲氣罐壓力、流量、輸入的熱量和安全閥開度、泄放流量、泄放壓力等關(guān)鍵參數(shù)；利用Event Scheduler 工具，建立火災(zāi)工況事故的控制邏輯；最后轉(zhuǎn)向動態(tài)模擬環(huán)境，運(yùn)行、觀測各變量的變化情況。建立的動態(tài)模型如圖3 所示。

圖3 動態(tài)模擬模型Fig.3 Dynamic model of PSV

分別以不同口徑安全閥計算火災(zāi)熱量持續(xù)輸入條件下，安全閥的泄放情況，結(jié)果如圖4 所示。由圖4 可知，當(dāng)安全閥口徑為0.02 cm2時，最大瞬時泄放量為62.5 kg/h，儲氣罐壓力為14.60 MPa，超過設(shè)計壓力的121%，即14.52 MPa；當(dāng)安全閥口徑為0.03 cm2時，最大瞬時泄放量為86.7 kg/h，儲氣罐的壓力為13.35 MPa，未超過14.52 MPa，即口徑為0.03 cm2時在火災(zāi)工況下安全閥及時泄放一定氣體，儲氣罐不會超壓。因此，確定的安全閥最小口徑為0.03 cm2。根據(jù)API STD 521，建議安全閥的工作效率介于30%～95%，若按非規(guī)格產(chǎn)品考慮，建議安全閥的口徑不低于0.05 cm2。

圖4 不同口徑安全閥下儲氣罐壓力和泄放流量Fig.4 Pressure of gas tank and discharge flow of different PSV

4 結(jié) 論

利用計算流體動力學(xué)軟件模擬在不同工況下發(fā)生火災(zāi)后罐內(nèi)溫度和壓力隨溫度的變化和分布情況，利用全動態(tài)工藝流程模擬軟件模擬火災(zāi)工況下所需的最小安全閥口徑和安全閥選型，得到以下結(jié)論：

（1）當(dāng)儲氣罐外部發(fā)生火災(zāi)時，罐體溫度和罐內(nèi)壓力急劇升高，在很短的時間內(nèi)就能夠達(dá)到鋼制儲氣罐坍塌溫度和儲罐設(shè)計壓力。

（2）達(dá)到鋼制儲罐坍塌溫度的時間滯后于達(dá)到儲氣罐設(shè)計壓力的時間。

（3）建議設(shè)置安全閥，安全有效地泄放氣體，即使儲罐發(fā)生坍塌，也有助于降低事故的風(fēng)險程度。

（4）確定的安全閥最小口徑為0.03 cm2，若按非規(guī)格產(chǎn)品考慮，建議安全閥的口徑不低于0.05 cm2。