兩相流安全閥計算實例討論

楊錦祥(杰瑞(天津)石油工程技術有限公司，天津 300457）

1 概述

安全閥是防止設備或系統因超壓而引起爆炸事故發生的泄壓設施，正確地計算和選用安全閥，對保證裝置長周期安全運行是十分重要的。選型過大，會產生顫振現象，不僅讓設備或系統的壓力產生較大波動，也會使安全閥機械性能下降，造成安全隱患；選型過小，一旦事故發生，系統的超壓無法有效地釋放，設備或系統便失去了保護作用。

在實際生產中，經常會遇到排放氣-液兩相介質的安全閥。關于兩相流的安全閥，HG/T-20570.2-95 介紹了一種簡化的方法，即利用氣相、液相安全閥泄放面積計算公式，分別計算氣相、液相所需的泄放面積并求和，即為兩相流安全閥所需的泄放面積。這種方法最大的一個假設是液相和氣相分別流經安全閥，氣相、液相互不干擾，流型要么是層流，要么是分離流，這樣假設并不被熱力學理論所支持。

HEM模型作為均相平衡模型，其設定條件是兩相介質為均勻流體氣、液兩相在安全閥噴嘴內流動時呈平衡狀態，并具有相同的流速。該模型能較好地反映出氣、液兩相流在安全閥噴嘴內復雜的流動特性，假設更真實。

API RP 520第七版推薦使用Leung提出的ω參數法進行兩相流安全閥的計算，此方法可以認為是基于HEM 模型的一個簡化方法。2008年正式發布的API STD 520第八版，RP升級為STD，根據最新的研究成果進行了更新。下面就對該方法進行介紹。

2 計算方法

在API STD 520 第八版附錄C 中，將泄放兩相流介質的安全閥分為以下四類，采用不同的公式計算泄放面積：

2.1 兩相系統（氣液混合物，包括飽和液體）進入安全閥并出現閃蒸；

2.2 兩相系統（高度過冷液體帶不可冷凝氣體或可冷凝氣體或者兩者都有）進入安全閥，但不出現閃蒸；

2.3 兩相系統（安全閥入口的氣體包含不可凝氣體，液體飽和或者過冷）；

2.4 過冷(包括飽和的)液體進入安全閥并出現閃蒸。

以第（4）類情況為例，計算步驟如下：

a、第一步計算飽和的歐米伽參數ωs。

課的最后，介紹了各種量角工具，甚至是有別于量角工具但又與角有關的經緯度，意在給學生開拓眼界，進一步激發學生的學習興趣。

ρlo=安全閥入口處的液體密度，kg/m3；

ρ9=用對應于安全閥入口溫度T0的飽和蒸汽壓Ps的90%所估算的密度，kg/m3。

b、確定過冷區域

如果Ps≥ηstP0，低過冷區域；反之，高過冷區域。

P0=安全閥入口處壓力，Pa（A）；

Ps=介質在泄放溫度下的飽和蒸汽壓，Pa（A）。

c、確定介質流是臨界流還是次臨界流。

對高過冷區域，如果Ps≥Pa，臨界流；反之，次臨界流。

Pa=下游背壓，Pa（A）；

Pc=臨界壓力=ηCP0，Pa（A）。其中ηC為臨界壓力比。當ηs≤ηst，ηC=ηs；當ηs＞ηst，ηC用下式計算：

其中，ηs=Ps/ P0。

d、計算質量通量。

在低過冷區域，用公式（1）。如果介質為臨界流，用ηC代替η；如果介質為次臨界流，用ηa代替η。在高過冷區域，用公式（2）。如果介質為臨界流，用Ps代替P；如果介質為次臨界流，用Pa代替P。其中，ηa=Pa/P0。

e、計算安全閥需要的泄放面積。

A 為所需有效泄放面積，mm2；

G 為質量通量，kg/s·m2；

Q 為體積流率，L/min；

Kd為有效排放系數；

Kb為背壓修正系數；

Kv為粘度校正系數。

3 應用實例

已知安全閥泄放壓力為3226kPa（A），泄放溫度為246℃，泄放量10278kg/h，有效排放系數Kd取0.65，背壓修正系數Kb取1，粘度校正系數Kv取1，計算安全閥泄放面積需要的物性數據如 下：ρlo為548.5 kg/m3，ρ9為547.3 kg/m3，Ps為1638300Pa（A），Pa為190000 Pa（A）。

經計算得ωs為0.0184，ηst為0.0354。由此可得ηstP0=114206＜Ps，在低過冷區。ηs=0.5078＞ηst，由公式計算得Pc=391500＞Pa，介質流為臨界流。

由公式（1）可得G=37676 kg/s·m2，最后可得出A=117 mm2。

在同樣的工況下，用HG/T-20570.2-95介紹的簡化方法，分別計算氣相、液相所需的泄放面積之和為225 mm2。

4 結語

對于泄放兩相流介質的安全閥，目前只有API 520 上有詳細的計算過程。作為被廣泛采用的標準規范，API 520 對計算兩相流安全閥的泄放面積具有重要的意義，其假設更真實，以此方法計算的安全閥泄放面積，結果可靠，更符合實際。

[1]周保國.安全閥兩相流計算方法討論[J].石油化工設計，2011，28（2）：39-40.

[2]HG/T 20570.2-95，安全閥的設置和選用[S].

[3]API STD 520 PartⅠ，Sizing，Selection and Installation of Pressure-relieving Devices in Refineries，Eighth Edition，Dec.2008[S].