某銅冶煉廠蒸汽管網放空閥和安全閥設計

孫彥文

(礦冶科技集團有限公司,北京 100160)

隨著我國對節能要求的不斷提高，現有冶煉廠均不同程度地開始進行冶煉余熱回收并加以利用，新建冶煉項目設計時就要求節能審查。煙氣節能方式主要以余熱回收為主，采用余熱鍋爐產生蒸汽。科學合理的蒸汽管網設計需要滿足工藝生產過程的所有工況，為工藝裝置安全、平穩、高效地連續運行，應對整個蒸汽管網的工況調節與安全運行等綜合考慮，全面設計。蒸汽管網安全設計時，最常用的方法是設置安全閥和放空閥[1]。放空閥一般是按照管網蒸汽壓力專門設置的用于蒸汽排空的閥門，是保證蒸汽管網穩定運行的第一手段。在蒸汽管網超壓時，安全閥能夠自動開啟，是確保安全的最后保障。對整個蒸汽系統而言，調節蒸汽管網上的閥門，在各種工況下確保蒸汽管網壓力穩定和安全極為重要。本文以某大型新建銅冶煉項目蒸汽管網系統的設計為例，探討蒸汽管網放空閥和安全閥的選型計算。

1 工藝流程

以某銅冶煉項目為例，其冶煉產能為年產15萬噸陰極銅。項目火法工藝采用側吹熔煉+底吹吹煉+回轉式陽極爐精煉技術生產粗銅，側吹熔煉爐和底吹吹煉爐各有一臺余熱鍋爐用于余熱回收產生4.5 MPa飽和蒸汽。余熱鍋爐蒸汽通過蒸汽管網輸送到動力車間供汽輪機發電，當汽輪機停機或故障時，切換到旁通管路，接減溫減壓裝置，經減溫減壓后送入0.6 MPa分氣缸供全廠低壓用汽，中壓蒸汽流程圖如圖1所示。

圖1 中壓蒸汽流程圖

一般來說，依據余熱發電機組的凝汽量來確定蒸汽管網放空閥流量。本項目放空閥額定流量為55 t/h。當汽輪機出現故障或者臨時停機，并且廠區無低壓蒸汽使用時，蒸汽將不通過減溫減壓裝置而通過放空閥全量放空，以保證在汽輪機故障工況下，剩余蒸汽不會對中壓管網的安全造成危害。設計時要考慮以下幾點：

(1)當汽輪機臨時停止運行時，必須考慮兩點：①中壓蒸汽通過減溫減壓后送入低壓進入分氣缸；②蒸汽通過放空閥排空處理，此時聯鎖控制系統，通過控制系統調節余熱鍋爐負荷，降低中壓蒸汽供氣量，同時開啟減溫減壓裝置，直至中壓放空閥關閉，以確保中壓管網系統安全。

(2)當放空閥故障或開啟遲緩時，造成大量蒸汽無法泄放，此時需要安全閥來排放蒸汽。當蒸汽管網超壓時，安全閥能夠自動開啟排放蒸汽，從而降低管網壓力，確保管網的安全運行。因此，余熱鍋爐的蒸汽母管安全閥排放量設計為全容量排放。

(3)蒸汽母管上設置的安全閥是最后一道保安措施。本項目中壓蒸汽管網上安全閥和放空閥的最大流量為55 t/h，設計時應考慮在一臺安全閥故障時，總排放量仍然能滿足最大連續排放量的要求并有一定的安全裕量。

2 放空閥、安全閥選型設計

2.1 開啟壓力值選取

《蒸汽鍋爐安全技術監察規程》2012版中對安全閥最低、最高開啟壓力做了相應規定，放空閥的開啟壓力可以選取安全閥的最低開啟壓力。蒸汽管網放空閥和安全閥開啟壓力[3]見表1。

表1 放空閥及安全閥的開啟壓力

2011版《化工廠蒸汽系統設計規范》中有關放空閥開啟壓力的規定略低于《蒸汽鍋爐安全技術監察規程》，增大了放空閥和安全閥的壓差。放空閥開啟壓力和安全閥整定壓力[4]見表2。

表2 放空閥開啟壓力和安全閥整定壓力

余熱鍋爐出口中壓蒸汽母管飽和蒸汽壓力為4.5 MPa，通過蒸汽管網輸送到動力車間入口時，蒸汽有壓力損失，約0.2 MPa，在動力車間入口位置蒸汽管道的工作壓力為4.3 MPa，因此將4.3 MPa作為動力車間入口蒸汽管道的額定壓力較為可靠。本設計取蒸汽母管設計壓力為安全閥開啟壓力，按《化工蒸汽系統設計規定》2011版的原則，將管網工作壓力降低2%設為放空閥開啟壓力，既能夠保證放空閥優先起跳，也可保證安全閥開啟時，蒸汽管網仍然能夠安全運行。放空閥和安全閥開啟壓力取值見表3。

表3 放空閥和安全閥開啟壓力

2.2 管徑選型計算

安全閥的最小泄放面積[4]應根據安全泄放量、最大泄放壓力、泄放流體溫度、額定泄放系數以及流體的物理性質計算。安全閥的泄放面積應不小于最小泄放面積。最小泄放面積可按照《壓力管道規范 工業管道 第6部分：安全防護》附錄A的規定進行計算。

(1)安全閥泄放面積[4-5]計算。

(1)

將泄放量55 t/h，K=0.7，pd=4.56+0.1=4.66 MPa代入公式(1)可得dτ≥64，為安全起見，可取安全閥內徑為80 mm，因此選擇DN80的飽和蒸汽全啟式安全閥即可，安全閥出口配相同規格的蒸汽消音器。

(2)放空閥管徑選型計算。閥門出口流速過高時容易產生噪聲，其程度用流體流速的馬赫數M來判別[6]，當M<0.33時，噪聲小，可忽略；當M>1時，噪聲過大，應加大口徑。蒸汽介質的馬赫數可按照下式[7]確定：

(2)

其中，M為蒸汽流體的馬赫數，正常下可取0.875；Ws為系統的安全泄放量，kg/h；pr為放空閥的出口壓力，kPa；d為放空閥內徑，mm。

將蒸汽的工藝參數代入公式(2)，可得d為43.75 mm，因此可以選擇DN50的蒸汽放空閥，放空閥出口外接同規格的蒸汽消音器。

3 結 語

本文對某銅冶煉廠蒸汽管網安全閥、放空閥進行了設計計算。蒸汽管網的安全設計需要綜合考慮整個蒸汽系統的開停車、負荷變動、突發狀況等生產要求，確保其安全運行。