安全泄放系統工藝設計要點分析

梁彥鵬

摘 要：目前，大多數化工生產過程都會遇到高壓工況，導致化工裝置設備管道超壓的主要原因包括火災、操作失誤、設備機械故障、電力故障等。為保證化工生產安全、可靠的進行，安全泄放系統的設計必不可少。本文重點介紹了安全泄放系統設計要點，安全泄放系統的范圍，安全泄放設施的種類，安全泄放的計算。

關鍵詞：安全泄放系統;安全閥;爆破片;火炬;背壓;泄放量

石油化工、煤化工、精細化工、醫藥化工生產過程中不可避免會涉及到高溫、高壓工況。如果操作壓力超過設備的設計壓力，會導致設備變形、泄漏、甚至破裂，嚴重的會造成火災、爆炸事故。為了保證化工裝置安全生產，防止發生火災、爆炸事故，必須設計安全泄放系統。在化工生產過程中，非正常情況下可能超壓的設備，都需要進行安全泄放系統的設計。安全泄放系統，作為保護裝置設備的最后一道保護措施，必須引起高度重視?；ぴO計過程中必須對安全泄放設施、安全泄放管道進行嚴格計算，留有足夠余量，保證安全泄放系統穩定、可靠，遇到非正常超壓工況能夠有效保護裝置設備，避免安全事故。

1 安全泄放的分類和組成

安全泄放系統包括安全泄放裝置和后續的泄放尾氣處理。常用的安全泄放設施主要包括：安全閥、爆破片、呼吸閥、泄爆人孔、液壓安全閥。泄放尾氣處理系統主要有：火炬系統、緊急泄放罐和尾氣處理裝置。

①安全閥：安全閥是通過排放部分介質以保護生產設備的安全，防止出現介質泄漏、設備損壞、火災爆炸等安全事故;②爆破片：爆破片是防止設備超壓破壞的另一類重要的安全裝置，可對急劇升高的壓力迅速做出反應。具有泄放面積大、動作靈敏、精密度高、密封性好、耐腐蝕和不宜堵塞等優點，廣泛應用于化工、石油、制藥等部門;③呼吸閥：呼吸閥可以保護常壓設備免受超壓或超真空度破壞的安全設置;④緊急泄壓人孔：緊急泄壓人孔是快速泄壓裝置，其技術性能、主要零部件材料與呼吸人孔相同;⑤液壓安全閥：液壓安全閥是裝設在油罐頂上，保護油罐安全的一個重要附件。當機械呼吸閥發生故障時，液壓安全閥就能代替機械呼吸閥進行排氣或放氣;⑥火炬系統：火炬系統是用來處理石油化工廠、煉油廠、化工廠及其其他工廠或裝置無法回收和再加工的可燃和可燃有毒氣體及蒸汽的特殊燃燒設施，是保證工廠安全生產、減少環境污染的一項重要措施。

2 安全泄放方式的選取

2.1 安全閥適用于清潔、無微粒、粘度不高的氣體或液體

例如：①頂部最高操作壓力不小于0.1MPa的壓力容器;②頂部最高操作壓力大于0.03MPa的蒸餾塔、蒸發塔。

2.2 爆破片適用于以下工況

①壓力會迅速上升;②泄放的介質含有固體顆粒、易結晶、易沉淀、易聚合;③泄放介質具有較大粘度;④泄放介質具有強腐蝕性，使用安全閥成本較高;⑤較大的泄放面積的工況。

但是以下工況不宜使用爆破片作為安全泄壓方式：①經常超壓的工況;②有較大溫度波動的工況。

2.3 安全閥和爆破片組合使用

①對于泄放介質十分昂貴或者泄放介質有劇毒的工況，一般采用爆破片和安全閥串聯，為了減少爆破造成的物料損失，在安全閥的入口處設置一個爆破片;②若泄放總管中存在腐蝕環境，爆破片需設置在安全閥的出口處;③對于特殊工況下設備壓力迅速升高的場所，可以采用爆破片與安全閥并聯使用;④為了增加火災工況下的泄放面積，也可采用爆破片與安全閥串聯使用。

2.4 呼吸閥

對于常壓儲罐，為了減少儲罐內液體揮發而損失，降低環境污染，保護常壓儲罐因超壓而損壞，儲罐頂部通常設置呼吸閥。

2.5 液壓安全閥、緊急泄壓人孔

當選用的呼吸閥不具有防凍措施時，在儲罐上應設置相同口徑的液壓安全閥，防止呼吸閥損壞而造成設備超壓。也可以采用緊急泄壓人孔代替液壓安全閥。

3 安全閥泄放計算

安全閥的計算與選型見下圖：

3.1 常見工況計算泄放量W

3.1.1 精餾塔塔頂

安全閥泄放量為正常工況下塔頂的最大蒸汽量。

3.1.2 地上液體臥罐、球罐利用如下公式進行計算

根據美國石油學會標準API-520：對于有足夠的消防保護措施和有能及時排走地面上泄漏物料措施時，泄放量為：

否則，泄放量為：

其中：H-汽化熱，kJ/kg;A-潤濕面積，m2（計算方法參見HG/T 20570.2安全閥的設置和選用）;-容器外壁校正系數。

3.1.3 儲存氣體容器外部火災下泄放量計算

其中：A1-暴露面積，m2;Tw-金屬壁溫，K，對碳鋼為593℃（866K）;T-泄放溫度，K;M-分子量;P-泄放壓力，MPa。

3.2 根據泄放量計算最小泄放面積

3.2.1 氣體或蒸汽在臨界流動條件下的最小泄放面積

其中：Co-流量系數（由制造廠提供，若無制造廠數據取Co=0.975）;X-特征系數（取值參見HG/T 20570 P48表16.0.1）;Kb-背壓修正系數（取值參見HG/T 20570 P45;臨界流動下，對于彈簧式安全閥Kb=1）;T-泄放溫度，K（注意單位）;Z-壓縮因子（查圖）;M-分子量;P-泄放壓力，MPa。

3.2.2 水蒸汽的最小泄放面積

其中：Ksh-過熱蒸汽校正系數（取值參見HG/T20570）;

KN-Napier系數（取值參見HG/T20570）。

3.2.3 安全閥出口管道的設計

安全閥出口管道的管徑不應小于安全閥的出口直徑。

直接排至大氣的管道，排放管出口馬赫數取值不應大于0.5;對于排入密閉系統的管道，馬赫數取0.5～0.7。馬赫數計算公式如下：

其中：Ma-馬赫數;Ua-聲速，m/s;Pd-物料壓力，MPa;K-絕熱指數;Gg-氣體密度，kg/m3。

對于排入火炬系統的管道，除滿足上述兩條外，還需核算安全閥出口至火炬系統的壓降。

4 安全泄放尾氣系統

安全閥泄放的尾氣去向一般分為兩種，第1種尾氣去火炬系統、第二種去尾氣處理。

當安全泄放尾氣去火炬系統時，安全閥的背壓必須大于安全閥出口管道的阻力降。對于爆破片泄放裝置，泄放氣體一般先經過緊急泄放罐后去尾氣處理裝置，緊急泄放罐用于收集爆破片泄放可能夾帶的液體。由于尾氣處理裝置一般都設有引風機，泄放罐后的尾氣可以不帶壓力，因此這種工況下，爆破片的背壓可以為0。

5 結語

安全泄放系統作為一個安全設施，在化工、石化、醫藥生產領域起著至關重要的作用。安全泄放系統設計的好壞直接關系到安全生產，關系到國家和人民的生命財產安全。因此，安全泄放系統設計必須引起設計師門高度重視，在設計過程中要確保設計安全可靠。

參與文獻：

[1]龔瓏，周文軍.安全泄放裝置的設置、選型與計算[J].化工設計，2009（40）：28-32.