安全閥工藝計算及選型

陳祥歌

(中石化寧波工程有限公司，上海 200030)

1 概述

在化工行業(yè)里，眾所周知安全閥是鍋爐、壓力容器等壓力設備的最后一道保護措施，因此它對化工裝置能否安全運行起著至關重要的作用。當壓力設備由于內(nèi)部(工藝偏離等)或外部(火災等)等原因，造成壓力持續(xù)升高，當壓力高于安全閥設定值時，安全閥將自動起跳進而排放工藝介質(zhì)，直至設備內(nèi)壓力小于某一壓力值時，安全閥將自動回座并保持密封狀態(tài)，以保證裝置能繼續(xù)安全運行。在選用安全閥類型及公稱尺寸問題上，應在充分理解安全閥工作原理基礎上，按照相關標準進行計算，否則容易造成選型不合理。安全閥類型選錯了，會起不到安全泄放的作用；同樣如果公稱尺寸選大了，不但不經(jīng)濟，而且過分高于所需的排量還會對閥門性能帶來不利影響，甚至造成安全閥頻跳，而頻跳容易損傷安全閥，并使設備壓力急劇波動，給設備帶來危險；而如果公稱尺寸偏小時，此時安全閥的額定泄放能力可能小于事故工況的最大泄放量，即工藝介質(zhì)來不及泄放，設備工作壓力將繼續(xù)上升繼而造成設備損壞，同樣起不到保護設備的作用。所以，如何進行安全閥的正確工藝計算并做出合理選型，對保證化工裝置正常運行的重要性是不言而喻的。目前石油化工行業(yè)中，安全閥通常設計步驟如圖1所示。而其中重要步驟為最大泄放量的確定、工藝計算及其選型。

圖1 安全閥設計步驟

2 安全閥的基本要求及選型[1-3]

2.1 安全閥基本要求

正常工況下，壓力設備上的安全閥是處于關閉并且密封狀態(tài)的，當壓力達到設定壓力時安全閥起跳排放介質(zhì)，排放到一定程度壓力減小，安全閥就回座并恢復密封。這是安全閥一個完整的動作過程。每一步驟都對安全閥有一定的要求，否則安全閥就不能正常工作，進而影響裝置的安全性。主要要求有如下幾點：

(1)可靠的密封性。當壓力設備處于正常工作壓力時，安全閥應保持可靠的密封性，這是最基本的，否則就難以保證裝置正常運行。安全閥的關閉件要保持良好的密封比起截止閥類的閥門要比較困難，因為安全閥的密封取決于安全閥的設定壓力與設備工作壓力的差值，而這個值通常是比較小的。因此要使密封面處完全無泄漏是不太可能，但必須將泄漏量控制在規(guī)范允許范圍內(nèi)。

(2)可靠起跳。即當設備工作壓力達到安全閥設定壓力時，安全閥應能及時開啟，即安全閥的開啟壓力對其整定壓力的偏差應控制標準范圍內(nèi)。

(3)穩(wěn)定泄放。當安全閥進口處壓力升高到超過整定壓力一定值(即泄放壓力)時，閥瓣高度應能達到設計的開啟高度，進入完全排放狀態(tài)。排放應是穩(wěn)定的，即沒有頻跳、顫振、卡殼等現(xiàn)象。因為這些現(xiàn)象會導致安全閥排放能力降低，并有可能損壞關密封面，還會引起被保護設備和系統(tǒng)內(nèi)較大的壓力波動，在液體介質(zhì)的場合甚至可能造成水擊，會產(chǎn)生嚴重的后果。

(4)及時回座。當安全閥排放到一定程度，設備壓力降低到一定值時安全閥應能及時關閉即回座。否則會造成物料和能量的浪費，也會對工藝的平衡過程造成破壞。因此回座壓力不能過高也不能過低，應控制在標準規(guī)定的范圍內(nèi)。

(5)回座后的可靠密封。該點與第(1)點是類似的，但此次的密封是起跳回座后的密封，比維持既有的密封要困難得多。因為泄放后有可能存在固定顆粒、結焦顆粒等影響了密封性能。因此也必須采取一些措施確保安全閥能達到回座密封。

2.2 安全閥選型

為了確保安全閥的正確選型，應事先分析工藝介質(zhì)的特性，再計算安全閥的背壓，然后據(jù)此可對安全閥做出合理的選型，通常安全閥選型可參考如表1所示。

表1 安全閥選型參考表

3 安全閥的工藝計算

如圖1安全閥設計步驟所示，在進行安全閥的工藝計算時，首先要分析各種可能存在的工況以確定能保證設備安全所需的最大排放量；其次通過最大泄放量來核算最小泄放面積，再者根據(jù)泄放面積來確定噴嘴喉徑或閥座口徑的大小。然后對照美國石油學會標準API-526中規(guī)定，按表向上圓整。最后按照所初步選擇的安全閥尺寸反算安全閥的額定泄放能力，進而根據(jù)安全閥泄放能力的量核算安全閥背壓以驗證安全閥的選型是否合理。

3.1 非火災工況下安全閥泄放量的確定[3]

(1)對于換熱器冷側進出口閥門關閉以及充滿液體的容器，進出口閥門全部關閉時的泄放量為被關閉液體的膨脹量，膨脹量按如下公式計算：

V=B·H/(ρl·CP)

(1)

(2)對以循環(huán)冷卻水為冷卻介質(zhì)的塔頂冷凝器和冷凝液通過電機動力的回流泵工況時，當循環(huán)水中斷、電力故障或兩者同時發(fā)生時，塔頂安全閥泄所需的最大泄放放量為正常工況下進入冷凝器的最大介質(zhì)蒸汽量。

(3)對壓縮機貯氣罐等容器安全閥所需最大泄放量，取該壓縮機可能的最大產(chǎn)氣量，計算公式如下[4]：

Ws=2.83×10-3ρvd2kg/h

(2)

(4)換熱設備等產(chǎn)生蒸汽時的安全泄放量如下：

Ws=H/q kg/h

(3)

(5)對于換熱管破裂工況，如果換熱器高壓側的設計壓力大于等于低壓側設計壓力的13/10時，則應考慮為事故工況。安全閥的泄放量為按下式計算出的結果和高壓側正常流量比較，取二者的較小值：

Ws=5.6·d12· (Gl×△P)1/2kg/h

(4)

3.2 火災工況下安全閥泄放量的確定

(1)對于未進行保溫的壓力設備的所需最大排放量：

Ws=2.55×105F·Ar0.82 /q kg/h

(5)

(2)對于有完好絕熱保溫層的液化氣體壓力設備所需的最大排放量：

Ws=2.61(650-t)λ·Ar0.82 /δq kg/h

(6)

3.3 安全閥最小泄放面積的計算

3.3.1 對于氣體或蒸汽下安全閥最小泄放面積計算(A)[4]

(7)

(8)

3.3.2 對于液體安全閥最小泄放面積的計算

(9)

3.3.3 對于飽和蒸汽安全閥最小泄放面積的計算

飽和蒸汽中蒸汽含量不小于98%，最大過熱度為10℃。

(1)當pd≤10MPa時：

(10)

(2)當10MPa≤pd 22MPa時：

(11)

3.4 安全閥噴嘴喉徑(d1)及閥座口徑(D)的計算

(1)全啟式安全閥：

(12)

(2)平面密封型微啟式安全閥 ：

(13)

(3)錐面密封型微啟式安全閥

(14)

通過以上步驟計算的安全閥噴嘴喉徑面積(直徑或閥座口徑)，根據(jù)API-526，向上圓整，選取合適的喉徑截面積及其代號；再根據(jù)(7)式至(11)式反算泄放能力，以保證安全閥的泄放能力(Ws')大于或等于各種工況下的最大泄放量(Ws)。

3.5 安全閥計算選型實例

例子：某板式塔上的安全閥，基本已知參數(shù)：工藝介質(zhì)為多原子氣體，M=32.8 kg / kmol，冷卻水中斷工況的泄放量最大，4913kg/h；安全閥設定壓力0.53MP(G)；允許超壓10%；背壓Po =0.05MP(G)。

表2 安全閥計算結果

對于化工設計院來說，設計工程師一般只需要提供安全閥的相關工藝參數(shù)，而安全閥的選型更多是讓專業(yè)廠家去做。但通過對安全閥的工藝計算和選型，能更好地理解整個安全閥的工作過程，還能校核廠家選型的正確性，更加確保了工藝過程的安全性。從安全閥工藝計算結果與廠家返回資料對比，安全閥的計算結果與專業(yè)安全閥廠家的選型一致。通過裝置實際運行情況，反饋安全閥選型合理。

4 結論

綜上可知，對于安全閥等壓力設備的保護附件，不僅需要工程師提供準確的工藝參數(shù)，還應掌握安全閥的工藝計算及選型，再加上安全閥專業(yè)廠家選型雙向校核，這樣方能確保安全閥的最準確選型，以確保整個化工工藝過程的安全，作為高危行業(yè)的化工，安全重于泰山。

[1] 張德江，王懷義，劉紹葉．石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊第一篇設計與計算[M]．北京：中國石化出版社，1994．

[2] 章日讓.石化工藝及系統(tǒng)設計實用技術問答[M]．北京：中國石化出版社，1999．

[3] 化學工業(yè)部.HG/T 20570安全閥的設置和選用[S]．北京：化學工業(yè)出版社，1996.

[4] 李君明，滕艷華.淺析壓力容器安全閥的計算[J].機械與電子，2009，29:102-103.

[5] 壽比南，秦曉鐘，鄭津洋，等.壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程[M].國家質(zhì)量技術監(jiān)督局，1999,74-76.

[6] 中華人民共和國工業(yè)和信息化部.SH/T 3007-2014石油化工儲運系統(tǒng)罐區(qū)設計規(guī)范[S].北京：中國石化出版社，2014.

[7] 張德姜，王懷義.石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊第一篇設計與計算[M].北京：中國石化出版社，2009:323-325.

符號說明：

V——體積泄放流量，m3/h；

B——體積膨脹系數(shù)，l/℃；

H——正常工作條件下最大傳熱量，kJ/h；

ρl——液相密度，kg/m3；

Cp——定壓比熱，kJ/(kg℃)；

Ws/Ws'：壓力設備所需泄放量/安全閥額定排放能力，kg/h；

ρ：泄放工況入口側介質(zhì)密度，kg/m3；

v：進口管線氣體的流速，m/s；

d：進料管的內(nèi)直徑，mm；

q：在泄放壓力下液化氣體的汽化潛熱，kJ/kg;

d1:換熱器的內(nèi)徑，mm；

△P:高壓側(管程)與低壓側(殼程)的壓差，MPa;

F：容器外壁校正系數(shù)，在地下用沙土覆蓋時取F=0.3；在地上無保溫取F=1.0；當設置噴淋裝置時取F=0.6,具體詳見相關資料[3];

Ar：壓力容器的受熱面積(濕潤面積)，m2;

λ：保溫材料的導熱系數(shù)，kJ/(m·h·℃)；

δ：保溫層厚度，m;

t： 泄放溫度，℃；

Po：背壓即安全閥出口側壓力(絕壓)， MPa；

Pd：安全閥排放壓力(絕壓)，pd =1.1ps +0.1，MPa；

Ps： 安全閥的整定壓力(開啟壓力，設定壓力)MPa；

k：氣體絕熱指數(shù)k=Cp /Cv ，可作粗略估算：多原子氣體k=1.33，雙原子氣體k=1.40，單原子氣體k=1.67；

A：安全閥最小排放截面積，mm2；

C:氣體特性常數(shù)[3]

K：安全閥額定排放系數(shù)，K取0.9倍泄放系數(shù)(泄放系數(shù)通常由安全閥制造廠提供),全啟式K=0.6～0.7[7]；

M：摩爾質(zhì)量，kg / kmol；

T：安全閥進口側氣體溫度，K；

Z： 氣體操作溫度、壓力下的壓縮系數(shù)[5]；

d1：安全閥噴嘴喉徑, mm；

D：閥座口徑, mm；

φ：密封面的半錐角，度。