AP1000核電項目安全釋放閥額定排量計算的分析與比較*

陳中一，徐陳凱

(國核工程有限公司，上海 200233)

0 引言

安全閥釋放閥(如圖1)是一種安全保護用閥，它的啟閉件受外力作用下處于常閉狀態，當設備或管道內的介質壓力升高，超過規定值時自動開啟，通過向系統外排放介質來防止管道或設備內介質壓力超過規定數值。安全釋放閥是鍋爐、壓力容器和其他受壓力設備上重要的安全附件。當系統壓力超過規定值時，安全閥打開，將系統中的一部分氣體/流體排入大氣/管道外，使系統壓力不超過允許值，從而保證系統不因壓力過高而發生事故。因此，正確的排量計算是安全閥的選用及系統保護設計的關鍵步驟。

圖1 安全釋放閥

1 安全釋放閥額定排量計算

安全釋放閥額定排量計算是選用安全閥選用時一個非常重要的參數，不同的條件、不同物質有不同計算方法，方程參數多，過于復雜，筆者對AP1000項目液體、蒸汽、氣體安全釋放閥額定排量計算標準及公式進行了經驗分析比較。

AP1000項目安全釋放閥設備規范書［1－4］要求廠商按照ASME標準設計，其中核安全級安全釋放閥額定排量計算按照ASME鍋爐及壓力容器規范第三卷(以下簡稱ASME III)計算，非核安全級額定排量計算按照ASME鍋爐及壓力容器規范第八卷(以下簡稱ASME VIII)計算。但在實際的計算標準選用過程中，國內多數廠商仍選用美國石油學會520標準(以下簡稱API 520)進行額定排量的計算。以下將對這三種標準的額定排量計算進行比較。

(1)用于飽和蒸汽介質的排量計算公式［5－7］如表1所列。

表1 飽和蒸汽介質排量計算公式對比表

其中:W為飽和蒸汽的額定排量，lbs/hr;K，Kd為均為排放系數;A為實際排放面積，平方英寸;P為排放壓力，絕壓;該值等于整定壓力+允許超壓+14.7 psi(即一個標準大氣壓);當蒸汽壓力大于1 500 psi且小于3 200 psi時，W應乘以進行修正。Kb為背壓修正系數;Kc為爆破片修正系數;KN為奈培方程修正系數，當P≤1 500 psi時，KN=1.0;當1 500 psi＜P＜3 200 psi時，KSH為過熱修正系數。對于任何壓力下的飽和蒸汽，KSH=1.0。

通過對比可發現，ASME III與ASME VIII公式完全一致，API520公式比ASME公式多了一系列的參數，如 Kb，Kc，KN和 KSH等;其中 KN和 ASME 中定義的修正系數相同，為根據排放壓力不同而進行的修正系數;ASME公式中的蒸汽為飽和蒸汽，因此相當于API520中KSH=1.0;ASME公式計算時未考慮背壓的影響，即只計算常規式安全閥的流量，相當于API520中Kb=1.0(AP1000項目安全釋放閥經常存在背壓工況);ASME公式計算未考慮進口與爆破片組合的情況，即只計算了未帶爆破片時的流量，相當于API520中Kc=1.0(AP1000項目安全釋放閥進口無爆破片組合情況)。因此API520計算公式考慮更為詳盡。

(2)用于氣體介質的排量計算公式［5－7］如表2。

表2 氣體介質排量計算公式對比表

其中:W=額定排量，lbs/hr;C=基于絕熱比Cp/Cv的系數;A=實際排放面積，平方英寸;P=排放壓力，絕壓;該值等于整定壓力+允許超壓+14.7 psi(即一個標準大氣壓);K，Kd=均為排放系數;M=分子量;T=進口絕對溫度，°R。Kb=背壓修正系數(不考慮背壓工況，Kb=1.0);Kc=爆破片修正系數(不帶爆破片時，Kc=1.0);Z=壓縮系數。

通過對比可發現，ASME III與ASME VIII公式完全一致，API520公式中多了Kb，Kc和 Z三個參數;ASME公式未考慮背壓影響、爆破片影響和氣體的壓縮性質，即認為 Kb=1.0，Kc=1.0 和 Z=1.0;但AP1000項目安全釋放閥經常存在背壓及各類氣體工況，其Kb、Z參數應進行相應修正，因此API520計算公式考慮的更為詳盡。

(3)用于液體介質的排量計算公式［5－7］如表3。

表3 液體介質排量計算公式對比表

其中:W=額定排量，GPM;A=實際排放面積，平方英寸;P=排放壓力，絕壓;該值等于整定壓力+允許超壓+14.7 psi(即一個標準大氣壓);Pd=排放背壓;K，Kd=均為排放系數;G=在流動溫度下液體相對于水的密度;w=液體比重。Kb=背壓修正系數(不考慮背壓工況，Kb=1.0);Kc=爆破片修正系數(不帶爆破片時，Kc=1.0);Kv=粘度修正系數。

通過對比可發現，ASME III與ASME VIII公式完全一致，當介質為水、進口不帶爆破片且無背壓時，即G=1，w=62.3058 lbs/ft3，Kb=1.0，Kc=1.0 和 Kv=1.0時，API520的公式轉換為Q=38×A×Kd×(PPd)1/2;而ASME公式則可以轉化為W=4.814×A×Kd×［62.3058×(P －Pd)］1/2=37.9988×A ×Kd×(P－Pd)1/2;可發現兩者完全一致。但AP1000項目安全釋放閥經常存在背壓工況，因此API520計算公式考慮更詳盡。

2 結論

通過對AP1000項目安全釋放閥額定排量標準公式、參數計算的對比，分析了ASME標準與API520標準額定排量計算的特點，得出API520的額定排量計算完全能夠覆蓋ASME標準，為閥門供應商，安全閥評標方提供了滿足規范書［1－4］要求的計算驗證依據，達到了預期目的。

［1］ APP－PV16－Z0－001.核級輔助釋放閥設計規范書［S］.2014.

［2］ APP－PV46－Z0－001.非核級輔助釋放閥設計規范書［S］.2014.

［3］ APP－PV62－Z0－001.穩壓器安全閥設計規范書［S］.2012.

［4］ APP－PV65－Z0－001.主蒸汽安全閥設計規范書［S］.2013.

［5］ ASME VIII.ASME鍋爐及壓力容器規范第八卷［S］.1998.

［6］ ASME III.ASME 鍋爐及壓力容器規范［S］.1998.

［7］ 美國石油學會煉油廠泄壓裝置的設置、選擇和安裝API 520［S］.2000.