塔系統安全閥若干典型工況的分析和探討

張宇劍

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

1 引言

安全閥在系統中起安全保護作用，其設定壓力一般小于或者等于系統的設計壓力。當系統壓力達到安全閥的設定壓力時，安全閥打開，將系統中的一部分物料排出，從而保證系統不因壓力過高而發生事故（比如壓力容器因壓力過高而破裂后，其中有毒有害、易燃易爆的工藝物料外泄而引起爆炸、中毒等危害）。當系統通過安全閥排出一定量的物料之后，系統內的壓力開始降低，直至降低到安全閥的回坐壓力時安全閥關閉，以避免因過多的物料排出而造成不必要的浪費。

安全閥所需泄放量一般按照API 521 對各種工況進行分析而得到。在API 521-2007 的表格“Table 2 – Guidance for required relieving rates under selected conditions”中，簡要羅列了各工況下液相及氣相所需泄放量的確定[1]。

塔系統，一般包括塔、塔頂回流罐、塔頂冷凝器、塔釜再沸器、進料泵、回流泵、出料泵等設備，屬于較復雜的系統。塔系統安全閥的工況分析不同于一般單元操作設備，有一些其特有的超壓工況，比如塔頂氣相出口閥門關閉、塔頂冷凝器冷卻水故障、回流故障、塔釜過度熱量輸入等，這些工況的分析均需要結合整個塔系統進行分析，而不能只局限于塔本體這個設備。為了更直觀地探討塔系統的這些超壓工況，本文將結合筆者在具體工程項目中遇到的一個塔系統，對塔系統相關的工況進行分析與探討，給出可行的分析思路與計算方法。

2 塔系統安全閥若干工況的分析

2.1 流程簡介

該塔系統的主要流程詳見圖1，主要包括塔T01、進料泵P01、塔頂冷凝器E01、回流罐V01、回流泵P02、塔釜再沸器E02、塔釜出料泵P03 等。

進料物流01 由P01 泵送進塔，控制方案是流量控制（調節閥FV-01，失氣時狀態為FC）。在該塔系統的工藝流程中，塔頂和回流罐頂設有氣相平衡線，整個塔頂氣相部分的壓力由分程調節控制，壓力低時PV-01B 打開補氮增壓，壓力高時PV-01A 打開卸壓?；亓鞴轛01 內的物料由泵P02 送出，一部分由流量控制（調節閥FV-03，失氣時狀態為FO）回流至塔；另一部分送往下游，其流量與V01 的液位串級控制（調節閥FV-02，失氣時狀態為FC）。塔釜出料經P03 送出至下游，其流量與塔的液位串級控制（調節閥FV-04，失氣時狀態為FC）。塔釜再沸器E02 中，熱源蒸汽走殼程，工藝物料走管程。熱源的控制點在蒸汽管線上，由塔的靈敏板溫度串級控制蒸汽流量（調節閥FV-05，失氣時狀態為FC）。

本系統中T01 與E01、E01 與V01 之間分別由氣相管線與氣相平衡管線連接，整個系統的設計壓力相同。系統設置兩個安全閥，分別為T01 塔頂的PSV-01和V01 回流罐頂的PSV-02，設定壓力均設為系統的設計壓力。以下對這些安全閥的工況進行分析與探討。

2.2 塔頂安全閥PSV-01 若干工況分析

2.2.1 塔頂出口閥門關閉工況

根據API 521 規范，此工況的安全閥排放量描述為：“Total incoming steam and vapor plus that generated therein at relieving conditions”，筆者理解為在泄放條件下進料中的氣相以及壓力系統內產生的氣相之和。

圖1 塔系統簡圖

在本系統中，塔頂氣相出口至塔頂冷凝器E01 之間不設閥門，E01 和回流罐V01 之間設有切斷閥。當該切斷閥關閉時，由于其下游的塔頂回流罐V01、回流泵P02 等還在繼續工作，因此在一段時間內，塔的回流還處于正常情況，所以塔內的氣液相負荷也處于正常情況。但由于切斷閥的關閉，E01 所冷凝的液相將從這個切斷閥處開始積聚并逐漸沿著管道向上游阻塞直至將冷凝器E01 浸沒，冷凝器E01 的冷凝作用將逐漸減弱并最終失去，在整個過程中塔內壓力將逐漸上升。由于氣相出口被堵塞，塔內的氣相負荷變為0；而回流還未停，液相負荷還維持在正常流量，這就破壞了塔內正常的氣液傳質過程（多級氣液平衡）。因此可以將超壓泄放工況下的塔T01 簡化為一個底部有熱源輸入的容器（即一級氣液平衡）。

由于塔壓降的作用，塔內的壓力隨塔高變化，塔頂壓力最低，塔釜壓力最高。根據氣液平衡原理，對于一定組成的混合物，如果溫度不變，那么在氣液兩相區域內壓力越低氣相分率越大。在超壓泄放工況下，塔內壓力沿塔高越來越低，到塔頂處壓力最低；所以大體上塔內產生的氣相量沿塔高越來越多，在塔頂處最多。如果忽略塔壓降的影響進行簡化，從壓力與氣相分率關系的角度來說，也足以保證工況分析的結果能覆蓋塔內產生的氣相量最大這一對安全閥來說最苛刻的情況。

如上所述，可以忽略塔壓降的影響，并將超壓工況下的塔T01 簡化為一個底部有熱源輸入的容器（即一級氣液平衡過程），詳見圖2。塔的進料和回流流量維持正常流量不變，熱源通過塔釜的再沸器向塔內輸入熱量。

圖2 塔的簡化

在分析與計算的過程中，需要注意塔內產生的氣相流量以及氣相溫度的合理性。

塔內產生的氣相流量主要包括①塔的進料和回流進入塔時，在設定壓力下閃蒸產生的氣相量；以及②塔釜熱源輸入使塔釜物料部分氣化所產生的氣相量，兩者之和為此時塔內產生的氣相總和。對于其中的第②部分氣相，還需要對塔釜再沸器的換熱面積進行校核。

塔內產生的氣相溫度應小于靈敏板的控制溫度。由于塔釜熱源的流量由塔的靈敏板溫度串級控制（如果塔內溫度過高，受儀表系統的控制，塔釜熱源調節閥會關小），而安全閥的分析不考慮兩種沒有關聯的超壓原因同時發生的可能性，所以在儀表系統調節功能正常運作的狀態下，塔內產生氣相的最大溫度為靈敏板的控制溫度。

以上為一般情況。特殊地，如果塔內進料的溫度本身就大于或等于靈敏板溫度時，塔釜熱源調節閥即使全關（即塔釜無熱量輸入），塔內物料溫度也會大于靈敏板的控制溫度。這時只需考慮進料在設定壓力下閃蒸產生的氣相量即可。

考慮到塔T01 頂部和回流罐V01 頂部氣相聯通，而且在氣相空間壓力過高時系統能夠通過排放閥PV-01A 排放一部分氣體，因此在分析時也需要考慮PV-01A 全開所起到的卸壓作用。計算時需注意PV-01A的入口壓力并不等于安全閥的設定壓力，還應考慮PSV-01 至PV-01A 之間的系統壓降。

將塔內產生的氣相量，減去此時PV-01A 全開所能排出的物料量，其差值即本工況安全閥所需泄放量。

根據上文的分析，本工況安全閥所需泄放量的計算主要步驟如下：

（1）比較塔的進料和回流物料溫度與靈敏板控制溫度之間的高低。如果塔的進料和回流物料溫度更高，轉步驟（2）；反之轉步驟（3）。

（2）在設定壓力下，對進料和回流進行一次閃蒸計算（利用各類流程模擬軟件，經過一次閃蒸計算即可得出涵蓋塔內氣相量兩個產生來源的氣相產生總量），將得到的氣相量減去此時PV-01A 全開所能排出的物料量，其差值即本工況安全閥所需泄放量。計算完畢。

（3）在設定壓力、靈敏板控制溫度下，對進料和回流進行一次閃蒸計算。將計算得到的熱負荷、氣液相物料的流量和物性等已知數據輸入換熱器計算軟件進行換熱面積校核。如果再沸器的換熱面積足夠，轉步驟（4）；反之轉步驟（5）。

（4）將步驟3 計算得到的氣相量減去此時PV-01A全開所能排出的物料量，其差值即本工況安全閥所需泄放量。計算完畢。

（5）利用換熱器計算軟件反算此時塔釜內所能產生的氣相量，減去此時PV-01A 全開所能排出的物料量，其差值即本工況安全閥所需泄放量。計算完畢。

可見塔的安全閥工況分析必須考慮各方面條件的約束才能得到較為準確的結果。

2.2.2 冷卻水發生故障

當發生冷卻水停水故障時，由于冷凝器失去功能，氣相堵塞，壓力上升。類似“出口閥門關閉工況”，塔內的氣相負荷為0，而液相負荷在一段時間內維持正常狀態。本工況產生原因與“出口閥門關閉工況” 雖然不同，不過泄放狀態下塔內發生的過程與“出口閥門關閉工況”基本相同，因此本工況的安全閥所需泄放量的計算可參照“出口閥門關閉工況”。

2.2.3 回流發生故障

當塔的回流發生故障時，塔內精餾段的液相負荷為0，提餾段的液相負荷最多相當于進料01 的流量。（因提餾段液相負荷取決于進料的熱狀態，物料01 進塔后閃蒸，氣相進入精餾段，液相進入提餾段。極端工況為全液相，所有進料進入提餾段。）

此工況發生時，精餾段幾乎不會發生氣液傳質；塔釜熱源僅用于氣化進料中的液相，因此塔內僅提餾段的各塊塔板（或填料）中可能還會發生氣液傳質（如果進料為過熱氣相，且過熱度較大，以致提餾段液相負荷為0，則提餾段也不發生氣液傳質）。所以塔內氣相負荷在提餾段可能會有變化，而在精餾段將基本維持不變（即精餾段可以簡化為一個閃蒸罐）。

為了簡化處理，將此工況下的塔T01 簡化為一個閃蒸罐進行計算，計算步驟類似“出口閥門關閉工況”，僅需修改塔的回流量為0 即可。

2.2.4 塔釜過度熱量輸入

根據API 521 規范，此工況的安全閥排放量描述為：“Estimated maximum vapor generation including noncondensables from overheating”，筆者理解為在泄放條件下壓力系統內產生的最大蒸汽量。

在塔正常運行過程中，塔釜熱量突然發生過量輸入，即熱源調節閥FV-05 開大，此時塔內的氣相負荷增加，而液相負荷不變（進料01 不變；回流由泵和流控閥FV-03 控制，也不變），塔的正常操作被破壞。因此塔釜的熱量將加速把塔釜儲存的液相氣化成氣相，導致壓力升高。類似于“回流發生故障工況”，將此工況的T01 簡化成一個閃蒸罐。分析步驟如下：

第一步：計算進料01 和回流08 進入T01，在泄放壓力下的泡點溫度。然后將這個泡點溫度與塔釜熱源進行比較。

（1）如果泡點溫度高于塔釜熱源溫度，意味著在泄放壓力下，塔內物料即使由熱源加熱至極限溫度（即熱源溫度），塔內物料也不會氣化（未達到泡點溫度），因此不會造成安全閥起跳。

（2）如果泡點溫度低于塔釜熱源溫度，說明塔釜熱源的輸入會導致塔內物料在泄放壓力下產生一定量的氣相（即需要泄放的氣量）。此時需要繼續計算。

第二步：計算進料01 和回流08 進入T01，在泄放壓力、極限溫度（即塔釜熱源溫度。因塔釜熱源調節閥FV-05 全開，靈敏板溫度控制失靈）下產生的氣相量。

塔釜蒸汽的產生通過塔釜再沸器實現，對于熱虹吸式再沸器，熱虹吸的動力源是塔釜液位和再沸器液位的位差，塔釜依靠這個位差來克服熱虹吸過程的流動阻力。隨著塔釜氣化量的增加，流動阻力增加，因此塔釜再沸器產生的蒸汽量有個極限值，即位差正好克服流動阻力從而維持熱虹吸過程。

因此對第二步計算所得的氣相量，需要進行熱虹吸流動阻力的校核。

（1）如果計算所得的氣相量產生的熱虹吸流動阻力小于位差提供的推動力，那么這部分氣相量再減去此時PV-01A 全開所能排出的物料量以及塔頂冷凝器E01 能夠液化的物料量，其差值即本工況的安全閥所需泄放量。

（2）如果計算所得的氣相量產生的熱虹吸流動阻力大于位差提供的推動力，那就需要反算位差正好克服熱虹吸流動阻力時的氣相量，再減去此時PV-01A 全開所能排出的物料量以及塔頂冷凝器E01 能夠液化的物料量，其差值即本工況的安全閥所需泄放量。

2.2.5 進料閥FV-01 故障開大的工況

在本系統中，進料為液相，靈敏板在提餾段。本工況發生時，進料量增加，而回流量不變，所以提餾段的液相負荷增大，靈敏板溫度降低，由靈敏板溫度串級控制的塔釜熱源調節閥FV-05開大，塔釜熱源增加，塔釜有更多的液相被氣化成氣相，塔內氣相負荷增大，可能引起超壓。

此工況的分析與計算類似“塔釜過度熱量輸入工況”，不過需要把“塔釜過度熱量輸入工況”中的進料01 的流量由正常流量改為本工況下由調節閥全開時的CV 值算出的FV-01 全開工況的流量。

2.2.6 火災工況

火災工況下，考慮距地面7.5 m 或距能形成大面積火焰的平臺之上7.5 m 高度范圍內、在設備最高操作液位以下的外表面積作為受熱面，詳細計算過程本文不做贅述，可參照API 521-2007 的5.15 節。

2.3 回流罐頂安全閥PSV-02 若干工況分析

2.3.1 氣相泄放工況

由于本系統中，塔T01 和回流罐V01 氣相聯通，而且PSV-01 與PSV-02 的設定壓力也相同，因此對于壓力源在上游設備的氣相超壓工況，當上游安全閥PSV-01設計泄放量大于所需泄放量時，僅PSV-01 會起跳泄放，而PSV-02 不起跳泄放。但須注意，有如下例外：

（1）本設備的火災工況；

（2）氮氣閥PV-01B 故障，在全開位置。此時從壓力源分析，V01 在T01 的上游，因此如果此工況時發生安全閥起跳，則應該是PSV-02 起跳。在不考慮兩種非正常工況同時發生的原則下，此工況發生時儀表系統的控制功能正常，PV-01A 也會打開以泄壓。此時需要計算PV-01A 和PV-01B 在泄放壓力下的全開流量，再進行比較。如果排放閥PV-01A 的全開流量更大，安全閥不會起跳；如果氮氣閥PV-01B 的全開流量更大，那么兩個調節閥全開流量的差值為此工況安全閥PSV-02 的泄放量。

需注意，如果塔頂氣相中有無法被E-01 冷凝的不凝氣，則上述各工況的安全閥所需排量計算都需要疊加這部分不凝氣的量。

2.3.2 液相泄放工況

引起液相排放的工況一般是由于液相出口閥門關閉或者停泵等原因。根據API 521-2007 的5.4 描述，操作工能夠在10～30 min之內對不正常工況進行響應。因此，需要計算罐內正常液位至滿罐之間的緩沖時間，判斷操作工是否有足夠的響應時間，進而判斷是否需要考慮液相泄放的工況。

此外還需要注意，除了這些一次原因（直接原因）引起的排放工況之外，也需要考慮二次原因（間接原因）是否可能引發安全閥的起跳。同時，也需結合操作工的響應時間，綜合分析與判斷這些工況。

3 總結

任何工藝系統都應該視作一個整體，因而對安全閥各排放工況的分析也應系統地進行：不但要充分考慮工藝過程的操作參數、工藝流程、控制方案、管道與設備布置等各種直接的條件和限制，還要充分考慮間接因素引起超壓的可能性。

本文結合某項目的工程實例，對塔系統安全閥的幾個典型工況進行了較為詳細的分析，提供了可行的分析思路和計算方法，對常見塔系統安全閥的工況分析具有一定的指導和參考作用。

[1] API 521-2007, Pressure-relieving and Depressuring Systems [S].