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压力容器/储运容器 |
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低温绝热储运容器气液平衡与安全泄放关系的探讨 |
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摘要：根据密闭容器内低温液体气液两相的平衡关系，讨论了低温绝热储运容器在储运液氮、液氧、液氩介质的过程中，低温液体升温、膨胀、满溢的问题，提出了设置低压满溢安全泄放装置的设计方案，使低温绝热储运容器的设计更合理、使用更安全。
关键词：低温绝热储运容器、气液平衡、液体满溢、安全泄放
1、引言
众所周知，低温绝热储运容器，是以保存低温液化气体的方式来储运气体的，这种方式与用高压液化气体和高压压缩气体的方式比较，具有储运压力低、安全性高、储运量大的特点。近年来随着国内气体市场的迅猛发展，国家在低温绝热压力容器的安全技术方面也提出了更高的要求，在1999年版的《压力容器安全技术监察规程》中，将容积大于等于5M3的低温储存容器划归到第三类压力容器的安全监察范围。但是目前市场上不少低温绝热储运容器产品的设计，并没充分体现出低温液化储运的特点，特别是在安全性和经济性方面，设计工作还需做进一步的细致工作，使产品的设计更合理、更完美。
2、问题的提出
通常低温绝热储运容器的内容器的安全泄放装置，是安装在内容器的气相管路上，由安全阀和爆破片装置组成的并联双重安全泄放系统，其动作压力大于等于最高工作压力。低温绝热储运容器的最高工作压力，一般是取低温液体的加注压力，根据设备的使用工艺要求，最常见的是0.8Mpa和1.6Mpa两种加注压力。这一由加注时的最高工作压力来确定动作压力的安全泄放装置，可以解决以下两种工况的安全泄放问题：（1）在真空夹层的真空度完全丧失时，低温液体急剧汽化，及时泄放大量汽化的气体,防止内罐超压。（2）采用外压气源或汽化器增压加注时，当加注突然停止而增压仍继续时，及时泄放增压气体，防止内罐超压。
但是内容器上只设置由加注时的最高工作压力来确定的安全泄放装置的设计，存在着以下问题：
（1）没有充分体现低温绝热储运容器的低压储运的特点。
容器绝大部分时间是在储运工况中工作的，加注过程是短时间的操作。在目前的设计中，没有针对储运工况来设定储运压力和相应的安全泄放装置，只是简单地借用加注时的最高工作压力来作为储运压力，使内容器在储运过程中，长时间的在高压、高应力的条件下无意义的工作。
（2）存在实际充装重量远大于设计充装重量的问题。
按《压力容器安全技术监察规程》的规定，液化气体的装量系数通常取0.9，其充装重量是由设计压力对应温度下的液体密度确定。而实际充装液体时，是在标准状态（放空）下，将标准状态密度的低温液体装到0.9的装量系数，其充装重量是设计值的117%-138%，超出了设计的允许值。
（3）忽略了液体温升、膨胀、满溢的安全泄放问题。
在储运过程中，随着外界热量的缓慢漏入，液体温度将升高，体积也会膨胀。当容器在接近额定储量下储存，且长时间不排液时，低温液体膨胀后的装量系数会很容易超过设计值，甚至在整个内容器的容积被全部充满后仍继续膨胀。
3、分析与认识 表1 低温液体气液平衡点的物理参数[1]
 从表1中我们可以清楚的看到，低温液体升温时气液平衡的变化过程.在标准状态下，按0.9的装量系数向容器充装低温液体,气液平衡后，此时液体在密闭容器中处于标准状态，温度、密度、饱和蒸气压分别为T1、ρ1、Ρ1，当外界向内容器传入热量Q时,液体温度将升高△T到温度T2，密度减小到ρ2，体积相应膨胀,装量系数增大,液体表面分子的逸出功降低，饱和蒸气压升高到P2 ,此时气液两相达到一个新的暂时的平衡点。当容器气相空间的饱和蒸气压由开始的标准状态升高到表压0.32Mpa-0.44Mpa时，液体体积将膨胀10％，内容器被全部充满，而此时由最高工作压力确定的安全泄放装置还未到其泄放的动作压力。内容器满液后，液体膨胀压力的增长速度较之未满液时温升产生的饱和蒸气压的增长速度大数十倍至百倍，容器内的压力将急速升高[2]。只有当液体的膨胀压力到达或略高于设计压力值时，才能由爆破装置进行排液泄放，液体排出后迅速汽化成大量的气体，而安全阀此时则很可能因低温冻结而不能正常开启。
如果按设计压力对应温度下的液体密度来限定实际的充装重量，当装量系数取0.9时，其充装重量只有标准状态时的72%-86%，在使用上很不经济。虽然有的产品上注明0.8Mpa和1.6Mpa为加注压力,但在设计中并未设定储运压力以及相应的满溢安全泄放装置，没有从根本上解决这一问题。
对于低温绝热储运容器在储运工况中的液体满溢问题，在设计中应设定储运压力上限值，并用增设低动作压力的满溢安全泄放装置的办法，来解决低温液体满溢的问题，不但大大提高了低温绝热储运容器的使用安全性，而且使使用更经济。表2 加注、储运工况的设计参数对应表
 从表2可以看到，满溢安全泄放装置的动作压力是由设定的最大允许膨胀装量系数φmax确定的，即通过控制φmax对应的（气液平衡点）饱和蒸气压的压力值，来控制液体膨胀的最大限度。根据表1的数据，当φmax取0.95时，满溢安全泄放装置的动作压力基本在表压0.16Mpa左右，远远低于0.8Mpa和1.6Mpa的最高工作压力。在原内容器双重安全泄放系统的基础上，增设这一低压的满溢安全泄放装置具有以下优点：
（1）在解决低温液体满溢问题的同时，还解决了实际充装重量和设计充装重量之间的矛盾，使设计更合理，使用更经济、更安全。特别是对于长期在接近额定储量下储运且不排液的低温绝热储运容器。
（2）大幅度的降低了低温绝热储运容器在储运工况中的工作压力，充分体现了低压储运的特点，提高了容器的使用安全性。
（3）在储运过程中，当气相压力增加时，可以实现低压少量
排放汽化气体，避免了高压时突然的大量排放，提高了超压气体排放的安全性。特别是对于储运具有一定危害性的液化气体的低温绝热压力容器，如在储运液氧、液氢、液化天然气等介质时。
满溢安全泄放装置可在双重安全泄放系统的同一气相管路上，设置一个降压调节阀或微启式安全阀，因其动作压力远小于最高工作压力，在储运过程中呈间断低压排放状态。当容器加注时，用其前设置的截止阀隔离满溢安全泄放装置，使其不起作用。在国外的同类产品上也有类似的低压安全泄放装置，称作Economizer regulator或是 Road relief regulator, set。其动作压力值应该也是以开始的装量系数和设定的最大膨胀装量系数为基础来确定的，如有必要，可能还会考虑某种危害介质在周围环境中的允许浓度。
4、 结论
（1）对于长期在接近额定储量下储存低温液体且不排液的低温绝热储运容器，为防止低温液体的满溢，应设置一个动作压力远低于最高工作压力的满溢安全泄放装置。
（2）满溢安全泄放装置的低压泄放，大幅度降低了内容器在储运过程中的工作压力，提高了低温绝热压力容器的使用安全性。
（3）溢满安全泄放装置的低压少量泄放，提高了低温绝热储运容器在储运过程中，排放危害性超压汽化气体的安全性。
满溢安全泄放装置从设计和使用上，保证了低温绝热储运容器可以进行大储量的储运工作，提高了容器使用经济性。(end)
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(12/6/2004) |
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