壓力管道安全閥選用計算

1、安全閥選用計算1 選用原則1.1 臨界條件安全閥的選取規(guī)定是，在單位時間內(nèi)需要泄放的氣體流速大于等于達到臨界條件或亞臨界條件時的流速。氣體泄放時，安全閥排口處所能達到的壓力Pc取決于進口壓力Pi與排口背壓Po的比值，即Po/Pi。由理論計算可知，泄放過程開始后，出口處壓力由Pi逐漸下降，流速由0開始逐漸增大；當流速達到當?shù)匾羲贂r，因阻力過大而不再增大，出口處壓力下降至臨界壓力Pc后將不再下降。1這里要求Po/Pi的比值足夠使氣體流速達到當?shù)匾羲伲礉M足：臨界條件：P0PiPcPi=(2k+1)kk-1 2 式中，Po-出口側(cè)背壓，絕對壓力（Mpa），由使用條件決定 Pi -整定壓力，絕對壓力（

2、即，入口側(cè)壓力/Mpa），由熱力計算給定 -臨界壓力比 Pc -臨界壓力，絕對壓力（Mpa），滿足臨界條件時的出口壓力 k -氣體絕熱指數(shù)，由介質(zhì)組份確定 此時，安全閥最小排放截面積： Amin=Ws7.6×10-2CKPdM/(ZTd) ，mm2 2 式中，WS-安全泄放量（kg/h），由標態(tài)流量×標態(tài)密度 C -氣體特性系數(shù) Pd -排放壓力，絕對壓力（即，入口側(cè)氣體絕對壓力/Mpa） Td -排放溫度（即，入口側(cè)氣體溫度/K） M -氣體摩爾質(zhì)量（kg/kmol） K -安全閥的額定泄放系數(shù)，按TSG D 0001-2009壓力管道安全技術監(jiān)察規(guī)程工業(yè)管道·

3、附件E·E2.1的規(guī)定：安全閥一般取其泄放系數(shù)的0.9倍；在沒有參考數(shù)據(jù)時可按如下選取，全啟式安全閥：K=0.600.70帶調(diào)節(jié)圈的微啟式定全閥：K=0.400.50不帶調(diào)節(jié)圈的微啟式定全閥：K=0.250.35 壓縮機用安全閥多為全啟式，一般選取：K=0.65 Z -氣體壓縮性系數(shù)，與氣體排放狀態(tài)和臨界狀態(tài)有關若Po/Pi的比值不足使氣體流速達到當?shù)匾羲?，即滿足：亞臨界條件：P0Pi>PcPi=(2k+1)kk-1 1 此時，安全閥最小排放截面積： Amin=Ws55.85KPdMZTdkk-1P0Pd2k-(P0Pd)k+1k ，mm2 21.2 適用介質(zhì)上述(1.1)所說

4、的臨界條件只適合一般介質(zhì)氣體，不適用于水蒸氣等高沸點的氣體。飽和水蒸氣雖然屬于可壓縮性氣體，但在泄放過程中其絕熱指數(shù)k不能同理想氣體一樣用常數(shù)來表達。所以對其所用安全閥最小排放面積計算公式加以修正，1 這里不過多論述了。 當介質(zhì)為液體時，亦不必論述。2 選用計算當容器壓力超過其最高工作壓力一定比例時，為防止壓力繼續(xù)升高而使容器破壞，需要將能夠引起壓力升高的部分氣體排出容器。理論上講，單位時間需要排出的氣體量，即為安全泄放量。用Ws表示，單位：kg/h 。下面只討論容積式壓縮機工藝管路中各級安全閥的選用計算。2.1 安全泄放量WsGB 150.1150.42011壓力容器·附錄B.超壓

5、泄放裝置·B5.容器安全泄放量的計算，給出了各種容器的安全泄放量的計算公式。對于壓縮機的工藝管路或各級容器的安全泄放量，可按下式計算： Ws=Vt ，kg/h式中， Vt -氣體標態(tài)流量（Nm3/h），一般為壓縮機額定流量 -氣體標態(tài)密度（kg/m3）該公式，適用于一般氣體及水蒸氣介質(zhì)。2.2 排放壓力Pd安全閥的整定壓力，亦稱開啟壓力，在TSG R0004-2009固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程·第3.9.2節(jié)規(guī)定了超壓泄放裝置開始動作的壓力：1）裝有超壓泄放裝置的壓力容器，超壓泄放裝置的整定壓力不得高于壓力容器的設計壓力；2）對于設計圖樣中注明最高允許工作壓力的壓力容器

6、，允許超壓泄放裝置的整定壓力不高于該壓力容器的最高允許工作壓力。GB 150附錄B規(guī)定：容器超壓限度P10%×P或20kPa中的較大值（需要可用Pw代替上式中的P）；安全閥整定壓力PsP（需要可用Pw代替上式中的P）。ASME-1規(guī)定：容器超壓限度P10%×Pw或21kPa中的較大值；安全閥整定壓力PsPw 。在壓縮機工藝管路設計時，通常每級管路只安裝1個安全閥。正常工作條件下，安全閥動作壓力必須高于容器工作壓力，安全閥的整定壓力（表壓）通常選取為1.051.10倍各級排氣壓力，即：Pz(1.051.10) Pn 式中， Pz -安全閥整定壓力，表壓（MPa） Pn -容器

7、工作壓力，表壓（MPa）安全閥排放壓力制造要求：Pd 1.10Pz 。為計算簡便，一般取Pd1.10Pz 。3）對于加氣站內(nèi)緩沖罐、壓縮機出口、儲氣瓶組應設置安全閥，應符合固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程的有關規(guī)定。安全閥的整定壓力Pd除應符合固定式壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程的有關規(guī)定外，尚應符合下列規(guī)定： 當P1.8MPa時，P0=P+0.18MPa。 當1.8MPaP4.0MPa時，P0=1.1P 當4.0MPaP8.0MPa時，P0=P+0.4MPa 當8.0MPaP25.0MPa時，P0=1.05P。 注：P-設備最高操作壓力。2.3 氣體特性系數(shù)C氣體特性系數(shù)C，是反應氣體特性的綜合數(shù)值

8、，與氣體絕熱指數(shù)有關?？刹镚B150.1150.4-2011壓力容器·表B1或由下式確定， C=520k(2k+1)k+1k-1 式中， k -氣體絕熱指數(shù)，與介質(zhì)氣體組份的性質(zhì)有關，可查活塞式壓縮機設計·表2-2或按下式確定： k=CpCv 式中， Cp -氣體的定壓比熱，kC/kg·，指每千克氣體在固定壓力時溫度每升高1時所吸收的熱量Cv -氣體的定容比熱，kC/kg·，指每千克氣體在固定容積時溫度每升高1時所吸收的熱量2.4 額定泄放系數(shù)K安全閥的泄放系數(shù)，即我們常說的排量系數(shù)。排量系數(shù)是實際排量與理論排量的比值，即安全閥排放氣體量與按安全閥喉徑計

9、算泄放量的比值。排量系數(shù)越大安全閥設計越合理,但受多種因素制約。一般情況下，同一型號不同口徑排量系數(shù)基本相同。 GB 150.1150.4-2011壓力容器·附錄B·超壓泄放裝置規(guī)定：安全閥的額定泄放系數(shù)K取0.9倍的匯放系數(shù)，泄放系數(shù)由安全閥制造廠提供。 在安全閥泄放量計算時，通常K0.60.7，一般取K0.65。2.5 氣體摩爾質(zhì)量M 3 摩爾是物質(zhì)量的單位，相當于12g12C的原子個數(shù)，大約為6.02×1023。1mol氣體質(zhì)量為其分子量，單位：g/mol，標態(tài)下的體積：22.4L。安全閥計算時所用的氣體摩爾質(zhì)量M，單位：kg/kmol，數(shù)值為氣體分子量。2

10、.6 氣體壓縮性系數(shù)Z 4氣體壓縮性系數(shù)Z，是氣體在相同狀態(tài)（P，V）下，實際氣體的比容同理想氣的比容的偏差。比容，是描述氣體同外界交換熱量時，氣體溫度變化特性的物理量。壓縮性系數(shù)：Z=PVRT式中，為氣體常數(shù)，對于理想氣體：R=848M ，式中M-氣體分子量理想氣體壓縮性系數(shù)：Z1，R=PVT=848M 。實際氣體在壓縮過程中，尤其在其狀態(tài)接近臨界狀態(tài)時，其氣體常數(shù)R將偏離理想氣體常數(shù)很大，此時在工程計算中已經(jīng)不可容忍，所以有必要對根據(jù)理想氣體計算所得的氣體常數(shù)進行修正，這就是給R乘以一個壓縮性系數(shù)Z，即RmZR。壓縮性系數(shù)Z的值與介質(zhì)性質(zhì)和氣體狀態(tài)(P,V,T)有關。按GB150-1998

11、鋼制壓力容器·附錄B·超壓泄放裝置·圖B1，查氣體壓縮性系數(shù)。其中，需要計算兩個數(shù)值：對比溫度： Tr=TTc 式中， Tc-氣體的臨界溫度，K T -氣體的泄放溫度，K對比壓力： Pr=PPc式中， Pc-氣體的臨界壓力，Mpa（A） P -氣體的整定壓力，Mpa（A）3 設計算例本例是某型壓縮機的一級排氣安全閥的選用計算。3.1 工作條件混合氣體分子量： M2.46絕熱指數(shù)： K1.404密度： I0.1098 kgf/m3排氣量： Vt23.5 Nm3/min混合氣體假臨界壓力：Pc'=13.0259 MPa混合氣體假臨界溫度：Tc'=34.

12、702 °K一級排氣壓力： Pc0.315 MPa (G)安全閥排口壓力： P00.1 MPa (A)一級排氣溫度： Td406 °K3.2 計算參數(shù)1）安全泄放量 Ws=60IVt=60×0.1098×23.5=154.82(kg/h)2）整定壓力 Pz1.10 Pc1.10×0.3150.35 (MPa) (G) 排放壓力 Pd1.10 Pz1.10×0.350.39 (MPa) (G) Pd0.49 (MPa) (A)3）氣體特性系數(shù) C=520×1.404×(21.404+1)1.404+11.404-1=

13、356.44）氣體壓縮性系數(shù) 對比溫度：Tr=TdTc'=40634.702=11.7 對比壓力：Pr=PdPc'=0.4913.0259=0.0376 查GB 150.1150.4-2011壓力容器·附錄B·超壓泄放裝置·圖B1，得混合氣體壓縮性系數(shù)，Z1 。5）額定泄放系數(shù) 在安全閥泄放量計算時，通常K0.60.7，一般取K0.65。3.3 最小排放面積1）臨界條件 P0Pd=0.10.49=0.204 ，(2k+1)kk-1=(21.404+1)1.4041.404-1=0.528 所以，滿足臨界條件：P0Pi(2k+1)kk-1 。2）計算

14、最小排放面積 Amin=Ws7.6×10-2CKPdM/(ZTd) =154.827.6×10-2×356.4×0.65×0.49×2.46/(1×402) =224(mm2)3）計算所需喉頸 d0=4Amin=4×2243.1416.9(mm)選用安全閥為：A42Y-16C-DN32；喉頸：d020mm。4 安全閥設置1） 安全閥適用于清潔、無顆粒、低粘度流體。凡下列情況之一的必須安裝安全閥：獨立壓力系統(tǒng)（有切斷閥與其它系統(tǒng)分開）；容器壓力物料來源處沒有安全閥的場合；設計壓力小于壓力來源處的壓力容器及管道；容積式

15、泵和壓縮機的出口管道；由于不凝氣的累積產(chǎn)生超壓的容器；升壓系統(tǒng)出口管道上，如設有切斷閥、止回閥或控制閥時，在該閥上游應設置安全閥。 其它應設置安全閥的地方。52）安全閥應設置在容器本體或其連接管線上容易安裝、檢查、維護的部位，閥體應在容器或管線頂部并垂直向上。安全閥應設置在靠近容器壓力源的位置。若用于氣體介質(zhì)，應設置在氣相空間；若用于液體介質(zhì)，應設置在正常液面以下。容器與安全閥之間一般不宜設置中間截斷閥。對于連續(xù)操作的容器，可在容器與安全閥之間設置截斷閥專供檢修用。容器正常工作期間，截斷閥應處于全開的位置并鉛封。安全閥支撐結(jié)構應有足夠的強度，以保證能承受泄放時產(chǎn)生的反力。23）壓縮機級間安全閥應設置在冷卻器入口前。6參考文獻1 李世玉. 壓力容器設計工程師培訓教程. 第1版. 北京：新華出版社，2005年10