非均匀受热液化石油气储罐压力响应及阀门动作模拟.pdf

第 3 7卷第 6 期 上 海 理 工 大 学 学 报 J ．Un i v e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y Vo 1 ． 3 7 No． 6 2 0 1 5 文章编号 1 0 0 7 6 7 3 5 2 0 1 5 0 6 0 5 4 0 0 6 D OI l 0 ． 1 3 2 5 5 ／ j ． c n k i ． j u s s t ． 2 0 1 5 ． 0 6 ． 0 0 6 非均匀受热液化石油气储罐压力响应及 阀门动作模拟 管屏 ， 单彦广 ， 1 ． 上海第二工业大学 电子与电气工程学院， 上海2 0 1 2 0 9 ； 江伟 ， 曾晨 岗 2 ． 上海理工大学 能源与动力工程学院， 上海2 0 0 0 9 3 摘要建立了火灾环境下液化石油气储罐 内压 力响应及 阀门动作过程的数 学模型， 模拟 了装裁丙 烷的水平圆柱形储罐在装料比为 4 1 ％时非均 匀受热环境下储罐 内的压力变化及 阀门动作过程 ， 预 测了装料比为4 1 ％时储罐装料质量、 阀门泄放率及壁面温度的变化规律． 将计算结果和实验结果 进行 了对比， 吻合良好． 结果表明， 阀门打开期间， 压力的上升及储罐壁经受高温是导致储罐爆炸的 主要 因素． 关键词 液化石油气储罐 ；压力响应 ；阀门动作 中图分类号 T E 8 文献标志码 A Pr e di c t i o n of Pr e s s ur e and Re l i e f Va l v e Re s po ns e of Li q ue f i e d Pe t r ol e um Ga s Ta nk Exp os e d t 0 T 0， I 1n‘1 ‘ 0n- Unl I -Or m上 I ’ i r e nvi r Onm e nt G U A N P i n g ， S H A N Y a n g u a n g ， J I A N G We i ， Z E N G C h e n g a n g 1 ． S c h o o l o f El e c t r o n i c a n d El e c t r i c E n g i n e e rin g ， S h a n g h a i S e c o n d P o l y t e c h n i c U n i v e r s i t y ， S h a n g h a f 2 0 1 2 0 9 ， C t d n a； 2 ． S c h o o l o fE n e r g y a n d P o w e r E n g i n e e r i n g， U n i v e r s i t y o fS h a n g h a i ． f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， S h a n g h a 2 0 0 0 9 3， C h i n a Ab s t r a c t A ma t h e ma t i c a l mo d e l f o r s i mu l a t i n g t h e p r e s s u r e a n d r e l i e f v a l v e r e s p o n s e o f a l i q u e f i e d p e t r o l e u m g a s t a n k i n f i r e e n v i r o n me n t wa s p r o p o s e d ． Th e mo d e l wa s u s e d t o p r e d i c t t h e v a r i a t i o n o f t h e p r e s s u r e ，t o t a l t a n k ma s s r e l i e f ma s s f l o w r a t e， a n d wa l l t e mp e r a t u r e ，i n a h o r i z o n t a l c y l i n d r i c a l tan k wi t h 4 1 ％p r o p a n e e x p o sed t o n o n u n i f o r m h e a t i n g ． Th e c a l c u l a t i o n r e s u l t s a g r e e we l l wi t h t h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s ． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r e s s u r e i n c r e a s e d u r i n g t h e p r o c e s s o f o p e n i n g t h e r e l i e f v a l v e a n d t h e h i g h t e mp e r a t u r e e x pe r i e n c e d b y t h e wa l l a r e t wo ma i n f a c t o r s t h a t l e a d t o t h e r a p t u r e o f t h e tan k ． Ke y wo r d s l i q u e f i e d p e t r o l e u m g a s t a n k；p r e s s u r e r e s p o n s e ；r e l i e f v a l v e 收稿 日期 2 0 1 41 00 9 基金项 目 上海市教委科研创新基金重点资助项 目 1 3 Z Z l 1 9 第一作者 管屏 1 9 5 8 一 ， 男， 讲师． 研究方向 热工能源、 电子电气设备热分析、 智能优化研究． E - m a i l g u a n p i n g s s p u e du． c n 通信作者 单彦广 1 9 7 4 一 ， 男， 教授． 研究方向 两相流动与传热． E ma i l s h a n u s s t ． e d u ． c n 5 4 2 上 海 理 工 大 学 学 报 2 0 1 5年 第 3 7卷 面张力 ； C为常数 ． 加热后期 的 E计算式为 窗 5 式中 M。 为液体质量； H 为饱和液体的焓； 。 为可 调节参数 ， 代表液体多于饱 和态 的焓用于液体蒸发 的比率 ． 在 以上计算 中， 需要确定储罐 内壁 以 自然对流 方式传递到蒸气区的热量 Q 、 通过辐射传递给气液 交界面的热量 Q 。 以及液体区和储罐壁的换热量 Q 。 ． 蒸气区内壁可 以用垂直壁面与水平壁 面 热壁 面在上 ， 冷流体在下 两种形式来近似计算 内壁各处 的 自然对流换热系数 ， 从而获得 Q ． Q- 则依据不 同 加热阶段壁面与液体区温差 的大小， 利用大容器沸 腾换热计算获得 ． Q 。 的计算式为 Q 、 V 1 一 6 A、 v￡ 、v ’A F、 v l’ Al ￡ l 式中 T 为气相壁 面的温度 ； T 为液体 自由表 面 温度 ； A ， A 分别为气相壁面的面积和液体 自由表 面的面积 ； F 。 为角系数 ； e ， e 。 分别为气相壁面和 液体 自由表面的发射率． 蒸气区内的温度 T 是规律分布 的， 将蒸气 区 的平均温度看作是蒸气区质量 中心处的温度 ， 假定 在蒸气区内沿高度方 向从气液交界面到容器顶部的 温度呈线性分布． 已知气液交界面温度为 T ⋯ 可求 得容器顶部的温度 T t o p [ T RY c 一T RY i ] ／ Y i Y c 7 式中 y i ， y 分别为液面高度和蒸气 区质量 中心高 度 相对于圆心位置 ， Y 通过平面图形重心坐标公 式确定 ； R 为圆半径． 2 阀门模型 安全阀门的开关取决于储罐内蒸气区的压力变 化 ， 而储罐 内蒸气区压力是 由储罐内传热传质过程 决定的． 为了同实验结果进行 比较 ， 模型中使用了文 献 [ 1 5 1 6 ] 中使用 的两 种 阀 门 ． 从 建 立 数 学 模 型 的 角度出发 ， 这两种阀门可简化为图 2所示的模型． 流 体实际流过阀门的有效面积 | 一 A C d A ／ ／ i 十1 8 ／V 、 1 x／ 式中 A 为垂直方向的阀门流通面积 ； C a 为流量系 数 ； A 为流体沿圆周流经的截面积 ． A l 丌 D 9 式中 D 。 为阀门截面直径； X 为阀门弹簧的压缩距 离 ， 它是随蒸气压力变化的． } - d o l l ●．_l l 幽 2买 验 储 罐 便 用 阀 门简 圈 Fi g ． 2 S c h e ma t i c d i a g r a m o f t h e v a l v e s 在实际计算 中， A。 A一 p 一 1 0 A一 C d A ／ √ 。 1 A 一 ／ √ 式中 A一 为对应弹簧最大压缩距离时的 A ； P为 储罐 内压力． d dA d 而 可从式 8 求得， 可用下式计算 d K 式中 K 为弹簧常数 ； A 为与 D 对应 的面积 见图 2 ； P 为压力 ． P t l P t C 1 ，P f 2 P t C 2 1 3 式中 P 为设定压力 ； P 刚为实 际开启压力 ； P 为 实际关闭压力 ； C 取为 1 ． 1 ； C 取为 0 ． 8 ． 当压力 p p 时， 阀门打开； p p t z 时 ， 阀门 关闭． 流过阀门的流量 A r √ r 4 式中 lD 为流出阀门流体的密度； 为计算流体流过 阀门的速度的修正系数 ． 需要指出的是 ， 若液面高度接近阀门， 当阀门打 开时， 有可能把液体直接吸出阀门， 这个液面到阀门 的临界距离 h 按下式计算 k 1 5 W2 式 中 k 0 ． 6 8 8 ； W 3 为 气 相 的 流 量 ， N I3 全开时用式 1 4 求得 ， 阀门全开时 W 第 6期 管屏， 等 非均匀受热 L P G储罐压力响应及阀门动作模拟 5 4 3 3 储罐压 力模型 实际储罐内的压力分布是不均匀的， 要考虑液 相介质的质量 。 在实际计算储罐 内压力时， 假定压力 是均匀分布的且等于蒸气 区的压力． 储罐蒸气区压 力可通过修正后的理想气体状态方程获得l 4 ] ． P RT 1 6 式中 为气体压缩因子 ， 其值取决于蒸气 的压力和 温度， 高温时 大于等于 1 0 0 0℃ ， 气体接近理想气 体 ， 可视 1 ， 一般情况下 z l ； P 通过蒸气区传 热传质分析获得 ． 4 模 拟结果及 实验对 比 本文模拟了装料 比为 4 1 ％丙烷 的水平 圆柱形 储罐在非均匀火焰加热下储罐 内的压力变化及 阀门动作过程， 并与英国健康与安全署所做中型现 场实验的结果进行对 比． 计 算 和 实 验 条 件 如 表 1 所示 ． 表 1 英国健康与安全署现场实验参数 Ta b ． 1 Pa r a me t e r s a d o p t e d i n UK h e a l t h a n d s a f e t y d e p a r t me n t fie l d e x p e r i me n t 图 3是装料比为 4 1 ％的储罐内压力随时问的 变化过程 ． 模型预测 的阀门第一次打开时 间以及在 阀门打开后储罐压力的下降过程与实验结果吻合 良 好． 由图 3中的压力变化曲线可 以看 出， 由于外部火 焰对储罐 的持续加热 ， 储罐 内蒸气 区温度不断升高 如图 4所示 ． 根据确定储罐 内压力的方程 1 6 可 知 ， 此时储罐 内压力近似线性地增加 ． 除此之外， 外 部加热还使液相介质通过蒸发进入蒸气空间 ， 导致 压 力 持 续 升 高． 到 达 阀 门 设 定 的 打 开 压 力 时 1 ． 8 7 MP a 阀门打开， 储罐内气液两相混合物经阀 门向外喷出， 导致蒸气区蒸气质量减少 ， 部分液相介 质在喷出阀门时迅速气化 ， 吸收大量热量 ， 所以 ， 蒸 气区温度也有所下降 ． 相应地 ， 储罐 内压力下降． 理 论上 ， 由于气液两相介质持续经阀门向外喷出 ， 储罐 内压力应持续下降 ， 到达阀门关闭压力时阀门关闭． 但从图 3可以看出， 储罐 内压力并未下降到设定 的 关闭压力 1 ． 3 6 MP a ， 即在 阀门打开的情况下 ， 储 罐内压力在下降到 1 ． 7 MP a左右后重新开始上升 ， 这主要是由两方面的原因导致的 一方面， 阀门打开 导致储罐内蒸气区压力迅速下降 ， 使得气液界面处 饱和状态的液相介质处于过热状态 ， 迅速沸腾气化 ， 产生大量蒸气进入蒸气 区， 而蒸气 区通过 阀门喷出 的气体质量小于沸腾气化输送 到蒸气 区的气 体质 量 ， 所以， 导致压力在阀门打开 的情况下 由降转升； 另一方面 ， 液相区上部气液交 界面处 由于过热剧烈 沸腾气化 ， 会形成气液两相混合物， 导致液面快速上 图 3 4 1 ％储罐压 力变化过程 Fi g． 3 Pr e s s u r e v a r i a t i o n p r o c e s s i n t h e LPG t a nk wi t h 4 1 ％ l o a d i n g 时 间 ／ S 图 4 容 器内介质 温度变化 Fi g． 4 Va r i a t i o n o f t h e me d i a t e mp e r a t u r e i n t h e t a nk 升 ， 压缩储罐蒸气 空间， 使储罐 内压力升高． 在以上 两个因素作用下 ， 阀门打开引起 的储罐 内压力下降 小于由于蒸气区气体质量增加和被压缩引起 的压力 上 海 理 工 大 学 学 报 2 0 1 5年 第 3 7 卷 上升 ， 从而导致储罐内压力止降反升． 从 图 3可以看 出， 这种情况下储罐内压力甚至可以上升到超过安全 阀设定 的安全压力 ， 因此 ， 阀门打开情况下压力上升 是外部火灾环境下引起储罐爆炸的重要原因之一 ． 图 5是模型计算及实验所得非均匀受热储罐外 壁面高温侧和低温侧不同位置的温度变化， 图 5中 的数字为实验中储罐外壁各测点的位置 ． 从 阀门处 开始 阀门处为 0 。 按顺 时针方 向分布 图 1 ， 分别 为4 5 ， 9 0 ， 1 3 5 ， 2 2 5 ， 2 7 0 ， 3 1 5 。 ， 光滑实线为对应位置 1 0 0 0 8 0 0 p 6 0 0 赠4 0 0 2 00 1 0 0 0 8 0 0 p 6 0 0 赠4 0 0 2 0 0 0 6 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 时间 ／ S a ] 高温侧 O 6 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 时间 ／ S C o 1 低温侧 图 5 储罐 高温侧 与低 温侧外 壁不 同位 置温度变化 Fi g ． 5 W a l l t e mp e r a t u r e o f t h e t a n k o f h i g h t e mp e r a t u r e s i d e a n d l o w t e mp e r a t u r e s i d e 计算结果 ． 从图 5中可以看出， 暴露在蒸气空间的储 罐壁温度 0 ， 4 5 ， 9 0 ， 2 7 0 ， 3 1 5 。 显著高于被液相介质 覆盖的储罐壁温度 1 3 5 ， 2 2 5 。 ， 这是 由于液体和壁 面之间的对流换热远大于蒸气和壁面之 间的换热 ， 即液相区覆盖储罐壁起到了冷却作用． 从 图 5可知， 实 验 和 计 算 的 蒸 气 区储 罐 壁 最 高 温 度 都 超 过 7 0 0 o C， 而制造储罐 的材料当温度超过4 0 0 o C时， 其 屈服强度会显著降低 ， 因此， 很容易导致蒸气区罐壁 失效而引起储罐爆炸． 图 6是储罐 装料 质量 随 时间 的变化 过程 ． 从 图 6中可以看出 ， 在加热初期 ， 由于储罐 内液相介质 的蒸发 ， 蒸气质量随着加热的进行不断增加 ． 当阀门 第一次打开时 加热进行到 1 2 0 S 左右时 ， 气液两 相介质开始从 阀门排放 ， 储罐装载总质量持续下降， 而蒸气质量刚开始有所下降， 后来又开始回升 ， 这主 要是 因为外部加热及 阀门泄放 导致储罐 内压力 下 降， 使得靠近液面的液体过热气化所致． 对应于图7 储罐阀门泄放率可以看 出， 在阀门打开时 ， 阀门泄放 率 由零突变为对应情况下 的阀门泄放率 ， 并在后续 加热过程中缓慢升高 ， 这与 图 3中阀门打开后压力 回升及图 6中蒸气质量的变化是一致的． 图 6 储 罐装料 质量变化 Fi g ． 6 Va r i a t i o n o f t h e v a p o r a n d t a n k ma s s 4．0 f 墨。 ‘ 婪z 裂 r - - - 建 1 ． 0 6 0 1 2 0 1 8 0 2 4 0 3 0 0 时间 ／ S 图 7 储罐 阀门泄放率变化 Fi g ． 7 Va r i a t i o n o f t h e r e l i e f f l o w r a t e 5 结 论 对非均匀受热火灾环境下装料 比为 4 1 ％丙烷 的水平圆柱形储罐 内的压力响应及阀门动作进行 了 模拟， 预测了储罐内装料质量、 阀门泄放率及壁面温 度变化过程． 模型准确地模拟 了储罐内的压力变化 过程及安全阀打开时问 ， 同时也较好地 预测 了储罐 壁面温度 、 储罐装料质量及阀门泄放率的变化． 计算 结果表明， 阀门打开期间， 压力的上升及储罐壁经受 高温是导致储罐爆炸 的主要因素． 模 拟结果与实验 结果吻合 良好 ， 所建模型可对 L P G储罐安全阀设计 竺 第 6 期 管屏 ， 等 非均匀受热 L P G储罐压力响应及阀门动作模拟 及储罐热防护提供理论参考 参考文献 [ 1 ] [ 2] [3 ] [4 ] [5 ] [ 6] [7] [ 8] 单彦广， 俞昌铭． 液化气在储存与运输过程中的事故 分析及防治 [ J ] ． 劳动保护科学技术， 1 9 9 8 ， 1 8 1 2 73 1 ． 陈思凝， 孙金华， 王青松． 液化石油气泄漏的危险性分 析及其事故后果评价方法[ J ] ． 中国工程科学， 2 0 0 5 ， 7 9 6 16 4． 淮秀兰， 俞昌铭． 盛有液化气 的压力容器在高温环境 下的热响应_ J ] ． 油气储运 ， 1 9 9 3 ， 1 2 4 1 82 2 ． 单彦广， 俞昌铭． 喷射火焰环境下液化气容器的热响 应E J ] ． 燃烧科学与技术， 1 9 9 9 ， 5 4 3 7 5 3 7 9 ． 邢志祥， 赵晓芳 ， 蒋军成． 液化石油气储罐火灾模拟试 验 二 喷射火焰环境下[ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 6 ， 2 6 1 1 3 21 3 3 ． 朱常龙， 蒋军成． L P G饱和蒸气压的估算及分析[ J ] ． 石油与天然气化工， 2 0 1 0 ， 3 9 3 1 8 61 8 8 ． 赵博， 毕明树． 火灾环境下 L P G储罐压力与温度响应 的数值模拟[ J ] ． 石油学报 石油加工 ， 2 0 1 2 ， 2 8 3 5 1 25 1 6 ． B i M S，Re n J J，Z h a o B，e t a 1 ．Ef f e c t o f f i r e e n g u l f me n t o n t h e r ma l r e s p o n s e o f L P G t a n k s [ J ] ． 上接第 5 3 9页 [ 2] [ 3] [ 4] [ 5] [ 6] [ 7] 刘海刚． 大型管壳式换热器管束动力特性分析及流体 诱导振动研究[ D ] ． 上海 上海理工大学， 2 0 1 2 ． 全国压力容器标准化技术委员会． G B 1 5 11 9 9 9 ． 管 壳式换热器[ S ] ． 北京 中国标准出版社， 2 0 0 0 ． 聂清德， 连华英 ， 侯增英． 多跨管固有频率的计算[ J ] ． 压力容器 ， 1 9 8 4 4 5 1 5 5 ． 聂清德， 谭蔚 ， 吴皓． 多跨 u形管固有频率的计算[ J ] ． 压 力容器 ， 2 0 1 1 9 1 5 2 1 ． 董洁． T E MA管式换热器标准计算实例 -- 1 9 7 8年 第 6版 [ J ] ． 化工设备与管道， 1 9 8 1 6 2 5 4 1 ． 董洁． T E MA管式换热器标准计算实例 二 1_ J ] ． 化工 [ 8] [ 9 ] [ 1 O ] [ 1 1 ] J o u r n a l o f Ha z a r d 0 U S Ma t e r i a l s ，2 0 1 1 ，1 9 2 2 8 7 48 7 9． 弓燕舞， 林文胜， 顾安忠． 分层对液化石油气储罐热响 应的影响[ J ] ． 工业加热， 2 0 0 2 ， 3 1 5 1 41 6 ． 弓燕舞， 林文胜， 顾安忠． 液化石油气储罐分层增压过 程研究J- J ] ． 天然气工业， 2 0 0 4 ， 2 4 1 8 68 8 ． 俞 昌铭， 单彦广， 肖金生， 等． 液化气储罐受热引爆机 理分 析 [ J ] ． 北 京 科 技 大 学 学 报， 2 0 1 3 ， 3 5 4 5 2253 0 单彦广， 俞昌铭． 外焰加热条件下液化气储罐爆炸原 因的定性分析[ J ] ． 劳动保护科学技术， 1 9 9 8 ， 1 8 6 4 04 2． 单彦广， 杨茉 ， 李凌． 火灾时 L P G储罐 内传热传质过 程分析[ J ] ． 工程热物理学报 ， 2 0 0 6 ， 5 4 6 6 46 6 6 ． 曾晨岗， 单彦广． L P G储罐泄漏喷射火灾过程模 拟 [ J ] ． 上海理工大学学报 ， 2 0 1 5 ， 3 7 5 4 7 3 4 7 8 ． R o b e r t T， B e c k e t t H， C o o k e G ， e t a 1 ． J e t f ir e i mp i n g e me n t t r i a l o n a 8 5 ％ f u l l 。 u n p r o t e c t e d ， 2 t o n n e p r o p a n e t a n k r R _ ． B u x t o n S a f e t y E x e c u t i v e ， 1 9 9 5 ． R o ber t T， B e c k e t t H， C o o k e G ， e t a 1 ． J e t fi r e i mp i n g e me n t t r i a l o n a 4 1 ％ f u l l 。 u n p r o t e c t e d ， 2 t o n n e p r o p a n e t a n k [ R _ ． B u x t o n H e a l t h a n d S a f e t y E x e c u t i v e ， 1 9 9 5 ． 编辑 石瑛 设备与管道， 1 9 8 2 1 4 26 4 ． 苏文献， 许伍． 基于 A N S Y S压力容器不等厚过渡区的 强度优化I- J ] ． 上海理工大学学报， 2 0 1 4 ， 3 6 1 8 1 8 5 ． 苏文献， 金玉龙 ， 韩超． 单塔风诱导振动破坏分析[ J ] ． 上海理工大学学报， 2 0 1 3 ， 3 5 4 3 9 1 3 9 6 ． 杜宝江， 丁鹏鹏 ， 于亚君， 等． 基于有限元分析的机油 泵卡死现象设计改进 _ J ] ． 上海理工大学学报， 2 0 1 5 ， 3 7 3 2 6 92 7 3． 程林． 换热器 内流体诱发振动[ M] ． 北京 科学技术出 版社 ， 1 9 9 5 ． 编辑 石瑛 妇 幻 印 口 口 口 口 口 口