板式換熱器安全閥的計算及其管路設計要點

白二亮，許 磊，徐蘇華，彭言峰

（南通遠洋船舶配套有限公司，江蘇 南通 226013）

0 引言

常規船上使用的安全閥一般都是廠家自帶的，比如鍋爐安全閥、壓縮空壓機安全閥和空氣瓶安全閥等。船廠設計師對于它的計算選型和安裝要求并不熟悉。但是對于像FPSO（浮式生產儲油缷油平臺）這類有特殊功能的船，其管路和設備上安裝的安全閥很多，這些安全閥需要船廠設計師自己計算并初步選型，把計算結果發給安全閥廠家，廠家根據自身設備特點，調整某些計算系數，然后重新計算并確定安全閥型號。

以南通中遠船務于2017 年交付的圓筒式FPSO 為例，管路系統安全閥初始設計并不成熟，因為前期設計時設備尺寸、工作溫度和壓力設定點都是預估值，所以安全閥及其進出管路的管徑尺寸也沒有最終確定，影響了生產設計的進度。

1 建立計算模型

被保護設備為貨油加熱器，材質為不銹鋼316L，設計壓力2 Mpa（即為安全閥設定壓力），最大設計溫度 180℃。該板式換熱器安裝在半敞開式的主甲板區域，如圖1 所示。主甲板區域大致劃分為4 個區域，其中位于貨油艙上部的區域被劃定為危險等級1 級區域，該處被定義為在正常情況下，爆炸性氣體混合物有可能出現的場所。貨油加熱器正處于該區域，所以安全閥的計算需要考慮該因素，如圖1 所示。

圖1 主甲板布置圖

常溫下的貨油粘度很大，為了保持貨油艙里貨油的流動性，以備隨時可以轉運到穿梭油輪上，44℃的貨油會被貨油泵輸送到貨油加熱器里被150℃的乙二醇水溶液加熱到66℃，然后再返回到貨油艙。

2 計算與分析

2.1 計算安全閥的流量和有效泄放面積直徑

加熱流體管路安全閥的計算工況見表1。

表1 計算工況

外部火災因素下，貨油加熱器總的吸收熱量計算公式[3]為：

其中：Q 為總吸收熱量，95 kW；C1為常數43200，但是根據船東要求，選取100000；F 為環境系數，取1；AWS為總浸水面積，0.94 m2

汽化速率計算公式為：

其中：W 為汽化速率，280.6 kg/h；Q 為總吸收熱量，95 kW；λ 為汽化潛熱，由石油化工工藝流程模擬軟件（即HYSYS）模擬得到1218.8 kJ/kg。

臨界流體狀態下，安全閥有效孔徑計算公式[1]：

其中：A 為有效孔徑，17.8 mm2，0.028 平方英尺；W 為汽化速率，280.6 kg/h；C 為臨界方程系數，計算得0.0253；Kd為有效泄放系數，0.975；P1=進口釋放壓力，2521.3 kPa；Kb為背壓校正系數，1；Kc為聯合校正系數，1；T 為進口釋放溫度，606.75 K；Z 為可壓縮系數，0.902；M 為釋放氣體摩爾重量，35.35。

由結果可知，安全閥有效孔徑至少為17.8 mm2，經查標準可得，安全閥型號選型為“1D2”，即進口法蘭尺寸為DN25，出口法蘭尺寸為DN50，安全閥標準有效泄放面積為71 mm2，應用到此處，此安全閥額定流量為1120 kg/h。

2.2 計算安全閥進出口管路管徑及壓降

由HYSYS 軟件模擬得出的釋放氣體參數見表2。

表2 釋放氣體參數

根據API520 標準要求，安全閥進口管路壓降不超過安全閥設定壓力的3%[2]，所以進口管道壓降最大為0.06 MPa，據此計算，選用DN25 的管道最長可允許5 m，考慮管道和安全閥布置需要，一般建議管道長度不要少于10 m；計算出選用DN40 的管道最長可允許50 m，較為適合。

2.3 分析

對比安全閥在不同釋放因素下的流量，對于同樣的設備和同樣的流體（安全流體），若布置于安全區域（不會發生火災），安全閥可以選擇更小的尺寸，或者可以不用安裝安全閥。

表3 流量對比

因為實際計算的貨油加熱器，一側流動的是貨油，不能排除著火的可能性，所以需要按照最嚴格設計方案設計安全閥。

若安全閥選擇偏小，壓力不能及時釋放，被保護設備超壓，遭到損壞。若安全閥選擇偏大，閥盤會隨著進口管道內的壓力變大變小而頻繁開啟和關閉，降低閥門壽命，而且導致安全閥進出口管路偏大，浪費材料。

3 安全閥管路設計要點

3.1 管路設計難點

安全閥背壓偏大，主要由以下幾個方面引起：

1）管路堵塞。雨水或者冷凝水進入管路后，遇寒冷天氣，結冰，管路完全堵塞；或者安全閥上下游的隔離閥意外關閉。

2）管路積水。雨水或者冷凝水進入管路，以液態形式存在管路中，安全閥釋放需克服水柱阻力后才能排出。

3）管路過長。有一定粗糙度的管道表面與釋放流體摩擦，損耗釋放流體能量，加上更多的彎頭等管附件，總的管道壓力損失變大。

3.2 管路設計要點

安全閥釋放管路，設計時要避免出現存水彎，并有逐漸下降的趨勢，方便冷凝水或者殘留水及時排出。可以把安全閥布置到較高的位置。如果做不到，需在管路中有可能存水的地方安裝泄放閥，船員需定期去排放。

因為安全閥需要定期拆下后校正，為避免管路系統中流體溢出，安全閥進出口可能都安裝隔離閥。該隔離閥需要在系統正常工作下保持開啟狀態，一般用專用鎖止裝置把該隔離閥鎖定在開啟狀態。

4 結語

1）通過計算安全閥和其選型，了解火災是布置在危險區域安全閥的主要影響因素，可以幫助優化設備布置，把設備盡量布置在安全區域，以便簡化設備在安全方面的設計，降低設計風險和成本。

2）通過了解安全閥進出管路壓降和布置要點，可以規避一些設計上的誤區。

3）本文論述了引起安全閥頻繁啟動的直接原因，但是要探究其根本原因，則比較復雜。需要根據船用系統設計要求，并綜合考慮水泵壓力、加熱來源、閥門及各種傳感器的控制邏輯、設備安裝區域、設備包覆絕緣和消防設施等，確定合適的安全閥開啟壓力設定點，或者安裝設定壓力不等的多個安全閥，從而避免安全閥頻繁開啟。