一種管殼式換熱器管子斷裂泄放量的計算方法

馬葉勇

（上海利策科技股份有限公司，上海 201103）

一種管殼式換熱器管子斷裂泄放量的計算方法

馬葉勇

（上海利策科技股份有限公司，上海 201103）

根據(jù)API520，介紹了一種管殼式換熱器管子斷裂工況泄放量的計算方法，先求取流體通道內(nèi)單位面積的最大流通量，從而取得最大質(zhì)量泄放量。

換熱器管子斷裂；泄放量；安全閥

管殼式換熱器作為壓力容器時需要考慮超壓保護(hù)措施。管子斷裂是一種典型的超壓事故工況，泄放可能是氣相、液相或兩相流體。國內(nèi)多數(shù)文獻(xiàn)[1]介紹均是針對不同相態(tài)分別計算。本文方法通用于各種相態(tài)泄放量計算。

1 方法介紹

根據(jù)API521描述，換熱管斷裂時，做如下假設(shè)：

（1）換熱器中只有一根管子斷裂；

（2）管子是在管板處斷裂；

（3）高壓側(cè)流體分別從管板斷裂口和長管段流入低壓側(cè)。

參考API520[2]描述，管段內(nèi)的流體流動為等熵過程（isentropic），單位面積的最大流通量公式如下：

其中：G為單位面積最大質(zhì)量流通量，kg/s.m2；v為流體的比體積，m3/kg；ρ為流體密度，kg/m3；p為流體駐點壓力，Pa；0為流體初始條件點；t為流道截面積最小時的條件點。

公式（1）適用于任何均相流體，其積分通過解析法很難求解，但可通過數(shù)值積分法求解，積分簡化如下：

將壓力范圍等份切割，在每個壓力點計算出單位面積的流通量。

流體密度計算如下：

其中：ρ為流體密度；ρV為氣相密度；ρl為液相密度；α為流體中氣相的體積分?jǐn)?shù)。

有文獻(xiàn)[3]闡述：通常通道大于10cm時，流體視為氣液平衡狀態(tài)；通道小于10cm時，發(fā)生液體延時閃蒸現(xiàn)象，流體處于不平衡狀態(tài)。氣液相不平衡狀態(tài)可理解成兩相間發(fā)生了滑動，引入?yún)?shù)“S”——滑動比（slip ratio）。氣液平衡時，S取值為1；氣液不平衡時，S取值1.1到1.5。

α計算如下：

非平衡狀態(tài)下，氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)χ的計算如下：

其中：L為通道的長度，cm；χ0為流體初始χ值；χe為流體計算點的χ值，當(dāng)L＞10時，χe=χ=χ0。

綜上，長管段內(nèi)為均相平衡流動，管板斷裂口內(nèi)為均相非平衡流動。此工況下，安全閥最大泄放量的值即為流體通道內(nèi)（長管段+管板斷裂口）單位面積最大流通量乘以斷裂口的面積。假設(shè)管子斷裂產(chǎn)生銳緣孔口，孔口面積需乘上校正系數(shù)C（C=0.7）。

2 計算實例

案例[1]：管殼式換熱器，其殼程設(shè)計壓力為0.5MPa，介質(zhì)為水；管程操作壓力為5.3MPa，介質(zhì)為空氣，操作溫度為359.6k，管子內(nèi)徑為13mm，大氣壓為0.1MPa(a)。計算此換熱器在管子斷裂工況下的安全閥泄放量。

使用商業(yè)模擬計算軟件（ASPEN Plus或HYSYS等），求出流體在等熵情況下的各壓力切分點的性質(zhì)，帶入上述公式中進(jìn)行計算。計算的最大流通量如下表1所示。

表1　流體性質(zhì)及計算結(jié)果

由表1，流體在長管段和管板斷裂口處的單位面積最大流通量分別為11 680kg/s.m2。計算管子完全斷裂開的開孔面積，乘上校正系數(shù)，換熱器安全閥最大流體泄放量為7 813.6kg/hr。

此結(jié)果和文獻(xiàn)[1]中所用方法計算的數(shù)值（7 954.2kg/hr）相近，證明本文所述方法在工程計算中可行。

另外，此方法還適用于兩相流體泄放量計算，這里不再贅述。

3 結(jié)論

針對管殼換熱器管子破裂工況，運用流體在通道內(nèi)的等熵流動理論，通過數(shù)值積分法，求取流體泄放過程中產(chǎn)生的最大泄放量，適用于氣相、液相和兩相流體泄放量計算，降低了工程計算復(fù)雜程度。

[1] 周海陽.管殼式換熱器安全泄放裝置的計算及選型[J].杭氧科技，2012，（3）：10-14.

[2] API Standard 520，Eighth Edition，December 2008.

[3] Ron Darby.Size Safety-Relief Valves for Any Conditions[J].Chemical Engineering，2005.

A Calculation Method of Leakage Shell and Tube Heat Exchanger Tube Rupture

Ma Ye-yong

A methodology of tube rupture relief load calculation for tube and shell heat exchanger is introduced，based on the theory from API 520. Max mass fl ux is achieved by integral calculation，then max relief load is gained.

tube rupture of heat exchanger；relief load；safety valve

TQ050

A

1003-6490（2016）01-0027-01

2016-01-29

馬葉勇（1981—），男，山東濟(jì)南人，工程師，主要從事石油天然氣領(lǐng)域的工藝研究和設(shè)計工作。