壓縮機出口止回閥泄漏量的計算

王 巖，楊 歡

(北京航天石化技術裝備工程有限公司，北京 100176)

壓縮機出口止回閥泄漏量的計算

王 巖，楊 歡

(北京航天石化技術裝備工程有限公司，北京 100176)

以某項目天然氣壓縮機系統為例，分析了壓縮機出口管線止回閥逆流對系統的危害，研究了逆流過程中泄漏量的計算方法及影響泄漏量的主要因素，指導了低壓系統安全閥的設置，保障了壓縮機系統的穩定運行和工藝系統的安全性。

天然氣壓縮機；止回閥；泄漏量；孔板；安全閥

止回閥是石油化工裝置中較常見的閥門類型，主要目的是防止管道內流體介質倒流、保護設備及管道的安全，主要應用于離心泵系統、壓縮機系統、高低壓系統分界等處的工藝管線設計中。常用止回閥根據結構型式主要分為升降式止回閥、旋啟式止回閥、斜盤式止回閥、雙板式止回閥以及軸流式止回閥等，雖然上述止回閥在密封效果、啟閉噪音、壓力降及生產成本等方面各有特點，但止回閥只能在一定程度上緩解流體從高壓系統流至低壓系統，而無法完全避免高壓系統流體至低壓系統的逆流現象[1]。一旦低壓系統為封閉空間，止回閥的泄漏量還會引起低壓系統超壓，形成安全隱患。因此止回閥的逆流泄漏不僅影響工程建設的投資和裝置的正常生產，還會影響管道以及設備系統的安全性。因此，分析止回閥泄漏對工藝系統的負面影響，尋求消除該影響的有效措施是非常重要的。

本文以某項目天然氣壓縮機系統為依托，分析了壓縮機出口管線止回閥逆流對系統的危害，參照規范要求，找到了計算逆流過程中泄漏量的計算方法，計算了逆流泄漏量，指導了低壓系統安全閥泄放工況的設計和選取，維持壓縮機系統穩定運行的同時，保障了低壓系統的安全性。

1 計算基礎

1.1 壓縮機增壓外輸流程描述

來自壓縮機入口管線(物流1)的低壓天然氣經天然氣壓縮機增壓后(物流2)，與來自天然氣氣化外輸管網(物流3)混合后一起進入天然氣外輸總管外輸(物流4)。在天然氣壓縮機出口管線上設置有設定壓力為5000kPaG的安全閥，如圖1所示。

圖1 天然氣壓縮外輸圖

Fig.1 The pressurized nature gas send out drawing

當天然氣壓縮機運行時，物流2的操作壓力為4500 kPaG，同外輸總管的操作壓力相同；當天然氣壓縮機不運行時，由于止回閥密封性能差，來自天然氣外輸總管的天然氣會維持物流2的高壓狀態，當物流3的操作壓力增大時，物流4和物流2的操作壓力會相應的增加，由于物流2管線的設計壓力(5000kPaG)低于外輸總管的設計壓力(7800kPaG)，物流2管線存在安全隱患，必要時應考慮設置壓力高高聯鎖等控制手段，并保證安全閥的泄放量能滿足該工況的止回閥逆流泄漏量。

1.2 主要工藝參數

天然氣增壓機系統物流的主要工藝參數及天然氣的主要物性詳見表1～2所示。

表1 天然氣壓縮機系統物流的主要工藝參數Table 1 The main process parameter of nature gas compressor stream

表2 外輸總天然氣的主要物性Table 2 The main property of nature gas send out header

1.3 止回閥泄漏面積確定

規范[2]提供了估算止回閥微量泄漏的假設和方法，如下所示。

(1)止回閥泄漏面視為孔板截面；

(2)孔板截面積按照止回閥截面積的1%考慮；

(3)流經孔板的流體物性按照實際泄放狀態考慮；

(4)孔板上游按照最大可能操作壓力考慮；下游按照安全閥超壓狀態對應的泄放壓力考慮。

由于此項目中止回閥尺寸為6''，止回閥泄漏面面積約為176mm2，孔板上游最大壓力7800kPaG，下游安全閥的泄放壓力為5500kPaG。

2 孔板的流通量計算公式

2.1 孔板流體的流型號判斷

作為一種節流裝置，孔板的基本原理和其它的截流裝置如調節閥、噴咀、短管都是一致的。對于一定孔徑的孔板，當孔板前后的壓力降超過一定數值(臨界壓力降)，流體通過孔板縮孔處的流速達到音速，不論如何降低出口壓力，只要孔板上游的壓力保持一定，流量將維持一定的數值而不再增加[3-5]。

根據規范[6]要求，流體流經孔板的流動狀態分為臨界流和亞臨界流類別，判別依據如公式(3)所示。

其中：P0——大氣環境壓力(kPaA)，取值101.325kPaA；

P1——安全閥的設定壓力(kPaG)，取值5000kPaG；

P2下游管線的最大操作壓力(kPaA)，取值為5601.325kPaA；

P3上游管線的最大操作壓力(kPaA)，取值為7901.325kPaA；

Pcf臨界流壓力(kPaA)；

k——天然氣的絕熱指數，取值為1.31。

如符合公式(3)，則安全閥泄放過程中流體的流動過程為臨界流，否則為亞臨界流。

將上述數據帶入公式(1)、(2)和公式(3)后計算得到 為4297.7kPaA，小于 ，由此判斷流體流經孔板的為亞臨界流。

2.2 亞臨界流的孔板計算公式

亞臨界流下孔板的流量和孔徑間的關系可采用公式(4)進行計算[7]，如下所示。

其中：w——流體的質量流量(kg/h)；

C——孔板流量系數，由 和 值查規范[7]的附圖可得；

d0——孔板孔直徑(m)，取值0.015；

D——止回閥直徑(m)，取值0.15；

P3——孔板前壓力(PaA)，取值為7901325；

P2——下游管線的最大操作壓力(PaA)，取值為5601325；

M——氣體相對分子量，取值16.04kg/kmol；

Z——壓縮系數，取值0.864；

T——泄放溫度(K)，取值303 K；

K——天然氣的絕熱指數，取值為1.31。

經公式(4)計算流經孔板的最大質量流量為4750kg/h。通常天然氣壓縮機出口管線安全閥泄放工況考慮下游系統堵塞工況，此工況下安全閥的泄放流量為正常流量的1.1倍，泄放流量約為3850kg/h。而出口管線止回閥泄漏量為4750kg/h，大于堵塞工況的泄放量3850kg/h，因此該壓縮機出口管線的安全閥泄放量應考慮止回閥泄漏的工況，才能保證工藝系統的安全。

2.3 影響亞臨界流型的因素分析

通過上述計算可以看出，影響天然氣壓縮機出口管線止回閥逆流泄放量的因素具體如下所示：

(1)天然氣外輸總管的最大允許操作壓力。壓力越高，止回閥逆流泄漏量越大；

(2)天然氣壓縮機出口管線止回閥的直徑。出口管線的直徑越大，止回閥的直徑越大，止回閥逆流泄漏量越大；

(3)壓縮機出口安全閥的設定壓力及超壓。當流體流經孔板為亞臨界流狀態時，安全閥的設定壓力和超壓越大，止回閥逆流泄漏量越小；當流體流經孔板為臨界流狀態時，止回閥逆流泄漏量受安全閥設定壓力和超壓影響較小；

(4)天然氣的組成。天然氣組成中重組分的摩爾分數越多，分子量越大，止回閥逆流泄漏質量流量越大；(5)止回閥的檢維修周期及維護水平。止回閥的檢維修水平越高，止回閥的密封性越能得到保障，止回閥逆流泄漏量越小。

3 結論

針對本項目的天然氣壓縮機系統，分析了壓縮機出口管線止回閥逆流對系統的危害，計算了止回閥逆流泄漏量，指導了低壓系統安全閥泄放工況的設計和選取，結論如下所示：

(1)本系統止回閥泄漏面視為孔板截面；

(2)孔板截面積按照止回閥截面積的1%考慮；

(3)天然氣壓縮機止回閥逆流泄放過程為亞臨界流流型；

(4)天然氣外輸總管的最大允許操作壓力、管線直徑、安全閥設定壓力和超壓、天然氣組成以及止回閥的檢維修等因素均可影響止回閥逆流泄放量。

綜上所述，分析計算天然氣壓縮機出口止回閥的逆流泄漏量是十分必要的。準確合理的計算泄放量不僅可以保障裝置的正常生產和管道設備系統的安全性，還有助于止回閥供貨商和設計人員提高對止回閥泄漏造成后果的認識，為技術的發展進步打下基礎。

[1] 王金富，姜萬軍. 石油化工裝置中止回閥的應用[J].煉油技術與工程. 2016, 46(12):42-45.

[2] The American Petroleum Institute .API 521 Pressure-relieving and depressurng systems[S]. Washington D C : The American Petroleum Institute ,2014.

[3] 胡 毅.放空用限流孔板選型及計算探討[J]. 山東化工，2016, 45(9)：104-105.

[4] 李志勤，邱澤剛，曹 虎. 限流孔板在安全閥泄放量計算中的應用[J]. 化工技術與開發, 2016, 45(7) :58-60.

[5] 李海潤，宋凌燕，張 鵬. 氣田集輸站場火災泄壓放空限流孔板計算解析[J].天然氣與石油， 2014, 32(2)：16-19.

[6] The American Petroleum Institute .API 520 Size, selection, and Installation of pressure-relieving devices in refineries[S]. Washington D C : The American Petroleum Institute ,2003.

[7] 中華人民共和國化工部.HG/T20570.15-1995，管路限流孔板的設置[S].北京：中國化工出版社，1995.

(本文文獻格式：王 巖，楊 歡.壓縮機出口止回閥泄漏量的計算[J].山東化工，2017，46(12)：110-111,114.)

2017-04-18

王 巖(1983—)，河北獻縣人，工程師，2011年畢業于北京科技大學車輛工程專業，現在北京航天石化技術裝備工程有限公司從事閥門市場推廣工作。

TH134; TH45

A

1008-021X(2017)12-0110-02