化工企業中安全閥設計

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摘要：安全閥是化工生產中起重要保護作用的安全設施，通常用于壓力容器和壓力管道上，通過排放部分介質來保護設備、管道安全，避免出現介質泄露、設備破裂、爆炸等事故。安全閥的合理設計對化工企業來說非常重要。由于工況的復雜性以及條件限制，無法對各種假定超壓工況進行在線試驗，所以在設計階段必須對可能引起超壓的各種工況進行分析、判斷，使安全閥設計在技術、經濟上更加合理。

關鍵詞：安全閥；工況泄放量

1分析安全閥泄放的各種工況

化工生產中造成容器超壓的原因比較復雜，常常會有多種工況出現。這就需要我們在設計時考慮各種可能構成危險的情況，選擇的安全閥要能保證系統中的壓力不超過最大允許蓄積壓力。當容器或管道系統中物料和能量的正常流動出現不平衡或者異常時會產生超壓，超壓將引起物料或能量，或二者同時在系統某部分積聚。可能造成超壓的常見原因有：出口閥門關閉，冷凝器的冷卻水故障，揮發性物質進入高溫環境，液體滿溢，自動控制閥故障，內部爆炸，化學反應失控，液體熱膨脹，外部火災，電力故障，操作人員疏忽造成閥門開啟錯誤，氣體熱膨脹，空冷式換熱器故障，環境條件的變化，止回閥故障，串聯蒸餾系統中失去熱量，回流，再沸器供汽閥開啟失敗。

2確定最大允許蓄積壓力

最大允許蓄積壓力是根據操作和火災意外事故等來確定的。API620《大型低壓焊接儲罐設計與建造》中關于蓄積壓力的設定：最大允許蓄積壓力取值：①正常操作情況下最大壓力（即安全閥的最大泄放壓力=超壓10%的最大允許工作壓力）；②火災或超壓20%緊急泄放時的最大壓力。

3幾種常見工況下安全閥的最小泄放面積計算，安全閥口徑選擇實例

本文按照API520的計算方法來計算。

3.1出口閥門關閉

一臺輸送NaOH的泵，最大流量50m3/h,泄放壓力為400KPa，背壓40KPa，泵入口閥門未關閉，而出口閥門關閉時，計算安全閥的泄放面積、選擇口徑。安全閥的泄放量取泵的最大流量50m3/h。必須的有效泄放面積Ar=11.78*Q/(Kd*Kw*Kc*Kv)*(G/(P1—P2))^0.5)=0.93mm2Ar需要進行粘度校正:雷諾數R=Q*18800*G/μ/A^0.5=385,計算出粘度修正系數Kv’=(0.9935+2.878/R^0.5+342.75/R^1.5)^-1=0.8435,計算最小泄放面積A=Ar/Kv’=1.1mm2按照API526選擇最小的“D”流道，流道面積71mm2。也可選擇更小的流道面積，但是需要用戶同意。式中Q—流量50m3／h，Kd—額定流量系數取0.735，Kw—背壓的修正系數取1，Kc—結合校正因子取1，Kv—粘度修正系數取0.88，G—NaOH溶液比重1.222，P1—泄放壓力取400KPa，P2—背壓取40KPa,μ—粘度取NaOH的粘度4.43cp.

3.2外部火災

一只裝有氨水的儲罐，無保溫，直徑1.6m,直筒體高度5.6m,上下為標準橢圓形封頭，支腿到切線1.5m,設定的泄放壓力為19Barg，計算安全閥的泄放面積、選擇口徑。濕潤面積：A=3.14*D*L+2*Af=34.2m2濕潤表面總吸入熱量Q=43.2*F*(A^0.82)=1282KW需要的氣體泄放速率W=(Q/∆H)*3600=4388.4Kg/h系數C=520*SQRT{k*((2/(k+1))^((k+1)/(k—1)))}=347.91最小泄放面積A=((13160*W/(C*Kb*Kc*Kd*P1))*SQRT(TZ/M)=349.66mm2按照API526選擇最小的“H”流道，流道面積506mm2。1.5+5.6+0.4=7.5m<7.62m,這中情況下設備完全暴露于明火中，濕潤面積就要算整個設備的面積。∆H—氣化潛熱kJ/kg，取1052kJ/kg，F—環境系數，無保溫取1.k—比熱比(Cp/Cv)查得1.31，Kb—容積校正系數取1，Kc—結合校正因子，沒有爆破片時取1，Kd—流量系數取1，P1—泄放壓力(絕壓)，火災工況下超壓取10%，泄放壓力=1.1*19=20.9Barg=2190KPa(a)，T—泄放溫度取323K，Z—壓縮因子取1，M—分子量取17。此時安全閥并不能起到保護作用，需要安裝消防設施和有效的排放系統才能使遠離易燃可燃物料。

3.3液體熱膨脹

一個換熱汽冷卻水出口管道上設置一只安全閥，冷卻水流量為914Kg/h,進入換熱器最大熱負荷5948KW，計算安全閥的泄放面積、選擇口徑。流動溫度下的流量gpm=BH/500GC=4.09gal/min(U.S.)=0.9m3/h所需蒸汽釋放速率W=gpm*G=914kg/h流量Q=W/G/60=15.36L/min必須的有效泄放面積Ar=11.78*Q/(Kd*Kw*Kc*Kv)*(G/(P1—P2))^0.5)=10.42mm2Ar需要進行粘度校正:雷諾數R=Q*18800*G/μ/A^0.5=35452.4,計算出粘度修正系數Kv’=(0.9935+2.878/R^0.5+342.75/R^1.5)^-1=0.9912,計算最小泄放面積A=Ar/Kv’=10.51mm2,按照API526選擇最小的“D”流道，流道面積71mm2。也可選擇更小的流道面積，但是需要用戶同意。式中B—膨脹系數查表取0.0001，H—總的傳熱量Btu/h取5948*3412.1412=20295416Btu/h，G—正常操作溫度時液體比重取0.992，C—液體的比熱容Btu/Ib•°F。Q—流量L/min，Kd—額定流量系數取0.735，Kw—背壓的修正系數取1，Kc—結合校正因子取1，Kv—粘度修正系數取1，P1—泄放壓力取550KPa，P2—背壓取0,μ—粘度取水的粘度0.72cp.

3.4自動控制閥故障

用高壓氮氣作為動力源輸送催化劑的出口管道上設置安全閥，設定的泄放壓力為5.5Barg，高壓氮氣管路上的控制閥全開時流量為336.5kg/h，計算安全閥的泄放面積、選擇口徑。所需氣體釋放速率W=336.5kg/h系數C=520*SQRT{k*((2/(k+1))^((k+1)/(k—1)))}=356.06最小泄放面積A=((13160*W/(C*Kb*Kc*Kd*P1))*SQRT(TZ/M)=63.87mm2按照API526選擇最小的“D”流道，流道面積71mm2。式中k—比熱比(Cp/Cv)查得1.4，Kb—容積校正系數取1，Kc—結合校正因子，沒有爆破片時取1，Kd—流量系數取0.878，P1—泄放壓力(絕壓)，泄放壓力=1.1*5.5=6.05Barg=705KPa(a)T—泄放溫度取293K，Z—壓縮因子取1，M—分子量取29。

4計算安全閥進出口管道直徑

入口管道的直徑不小于安全閥入口直徑。管道的壓降不大于整定壓力（表壓）的3%。如果采用先導式安全閥，可不受3%的限制，但需要兩個連接管分別連到主閥和導閥上。出口管道的管徑需要大于等于安全閥出口的口徑。對于普通的彈簧式安全閥，出口管道總的背壓值（動背壓、靜背壓兩者之和）小于等于整定壓力（表壓）的10%，對于平衡波紋管式安全閥不大于30%。

參考文獻：

[1]API520.煉油廠壓力泄放裝置的尺寸確定、選擇和安裝.

[2]API521.壓力釋放和降壓系統.

[3]GB150.壓力容器.

[4]API620.大型低壓焊接儲罐設計與建造.

[5]英國CRANE公司編寫FLOWOFFLUIDS.

作者:王鳳 單位:上海百前化工技術服務有限公司