4. 安全阀泄放能力校核与设定压力选型

火灾工况下的BOG泄放需求与安全阀能力校核

本节以一台立式圆筒形LNG储罐为例，完成火灾工况BOG泄放面积计算、候选安全阀铭牌能力对比、设定压力与喉径选型，并量化选型对超压保护裕量的影响。计算依据API 521的火灾泄放气体公式（临界流动形式），并结合API 620/EN 14620对设定压力上限的约束。

一、设计输入与边界条件

示例储罐与介质参数如下（均为教学假设值，非实测）：

二、火灾工况BOG生成量估算

API 521对湿润容器火灾工况采用润湿面积法。本例储罐按部分充装、火灾时液位以下润湿面积 A_w 取 300 m²（示例值），环境系数 F 取 1.0（无保温、无喷淋），则吸热量：

Q = 21000 × F × A_w^0.82
  = 21000 × 1.0 × 300^0.82
  ≈ 21000 × 1.0 × 106.3
  ≈ 2.23 × 10^6 W  (约 2.23 MW)

该热量全部用于LNG汽化，取甲烷汽化潜热 h_fg ≈ 511 kJ/kg（111 K 附近示例值），则BOG质量流量：

W = Q / h_fg = 2.23×10^6 / 511×10^3 ≈ 4.36 kg/s

换算为体积流量（标准状态近似，ρ_N ≈ 0.717 kg/m³）：

Q_N ≈ W / ρ_N ≈ 4.36 / 0.717 ≈ 6.08 Nm³/s ≈ 21900 Nm³/h

三、所需泄放面积计算（API 521 临界流动）

临界流动判据：P_b/P_s ≤ (2/(k+1))^(k/(k-1))。取 k=1.31，临界压比 ≈ 0.545。若 P_s 取 20 kPa(g)（绝压约 121.3 kPa），P_b 为大气压 101.3 kPa，P_b/P_s ≈ 0.835 > 0.545，属亚临界流动，需用亚临界公式。为便于教学对比，先按临界公式给出面积量级，再说明亚临界修正方向。

临界流动所需面积（API 521 气体公式）：
A = W / (K_d × K_c × P_s × sqrt(M/(Z×T)) × C)

其中：
K_d = 0.975（带爆破片/无背压平衡波纹管，示例）
K_c = 1.0（无背压修正）
C  = 0.03948 × sqrt(k × (2/(k+1))^((k+1)/(k-1)))
   = 0.03948 × sqrt(1.31 × (2/2.31)^(1.31/0.31))
   ≈ 0.03948 × sqrt(1.31 × 0.866^4.226)
   ≈ 0.03948 × sqrt(1.31 × 0.548)
   ≈ 0.03948 × 0.847 ≈ 0.0334

P_s（绝压）= 101.3 + 20 = 121.3 kPa
sqrt(M/(Z×T)) = sqrt(16.04/(0.98×111)) = sqrt(0.1475) ≈ 0.384

A = 4.36 / (0.975 × 1.0 × 121.3 × 0.384 × 0.0334)
  ≈ 4.36 / (0.975 × 121.3 × 0.384 × 0.0334)
  ≈ 4.36 / 1.518
  ≈ 2.87 × 10^-3 m²  ≈ 28.7 cm²

四、候选安全阀铭牌能力对比

候选阀均为弹簧直接载荷式、带波纹管平衡背压，铭牌标注为空气/甲烷标定能力。将铭牌能力换算到本例工况（温度、分子量、压缩因子修正）后与需求对比：

换算关系（同一阀、同一开度，仅介质与温度变化）：Q_甲烷 = Q_空气 × sqrt(M_空气×T_空气 / (M_甲烷×T_甲烷)) × (Z修正)。取 M_空气=28.97、T_空气=293 K、M_甲烷=16.04、T_甲烷=111 K，则 sqrt(28.97×293/(16.04×111)) ≈ sqrt(4.77) ≈ 2.18。表中换算值即按此系数估算（示例）。

五、设定压力与喉径选型

设定压力受三重约束：① P_s ≤ MAWP = 25 kPa(g)；② 火灾工况允许超压 10%，即 P_s×1.10 对应的积聚压力不得超过罐体设计压力的相应上限（本例按 P_s ≤ 22.7 kPa(g) 控制，留出积聚余量）；③ P_s 越高，临界流动越易实现、所需面积越小。综合取 P_s = 20 kPa(g)。

在 P_s=20 kPa(g)、亚临界修正后所需面积约 42 cm² 的条件下，SV-C（L 喉径，28.7 cm²）面积不足，SV-D（M 喉径，41.1 cm²）接近但裕量偏小。若坚持 P_s=20 kPa(g)，应选更大喉径或采用先导式；若允许将 P_s 提高至 22 kPa(g)，所需面积下降，SV-D 可满足。本例最终选型：SV-D（M 喉径，41.1 cm²），设定压力 22 kPa(g)，并核算超压保护裕量。

六、选型对超压保护裕量的影响

设定压力提高后，火灾工况下的积聚压力为 P_s×1.10 = 24.2 kPa(g)，低于 MAWP 25 kPa(g)，裕量 0.8 kPa(g)。若误选 P_s=25 kPa(g)，积聚压力将达 27.5 kPa(g)，超过 MAWP，罐体超压风险显著上升。因此设定压力不能简单取 MAWP，必须为火灾超压预留 10% 积聚空间。

七、校核结论与操作要点

• 火灾工况BOG生成量由润湿面积与吸热公式决定，本例约 21900 Nm³/h，是选型的核心需求值。
• P_b/P_s=0.835 属亚临界流动，不能直接用临界公式面积，须按亚临界修正，否则会低估所需面积约 30%~60%。
• 设定压力不能取 MAWP，必须为火灾 10% 积聚预留空间；本例 P_s=22 kPa(g) 时积聚 24.2 kPa(g)，裕量 0.8 kPa(g)。
• 喉径选型应同时满足面积需求与铭牌能力换算后的流量需求，两者取大者；SV-D 两项均满足。
• 若现场只能选 SV-C（L 喉径），则需降低设定压力或增设辅助泄放措施，并重新核算亚临界面积，不能仅凭铭牌空气能力直接判定合格。