安全閥的工藝計算

1、安全閥的工藝計算安全閥的工藝計算1 各種事故工況下泄放量的計算1.1 閥門誤關閉1.1.1出口閥門關閉，入口閥門未關閉時，泄放量為被關閉的管道最大正常流量。1.1.2管道兩端的切斷閥關閉時，泄放量為被關閉液體的膨脹量。此類安全閥的入口一般不大于DN25。但對于大口徑、長距離管道和物料為液化氣的管道，液體膨脹量按式（1.1-1）計算。·1.1.3換熱器冷側(cè)進出口閥門關閉時，泄放量按正常工作輸入的熱量計算，計算公式見式（1.1-1）1.1.4充滿液體的容器，進出口閥門全部關閉時，泄放量按正常工作輸入的熱量計算。按式（1.1-1）計算液體膨脹工況的泄放量：V=B·H/(Gl

2、83;Cp)式中：V-體積泄放量流量，m3/h；B體積膨脹系統(tǒng)，l/；H正常工作條件下了大傳熱量，KJ/h；Gl液相密度，kg/m3；Cp定壓比熱，KJ/(·)。1.2 循環(huán)水故障1.2.1以循環(huán)水為冷媒的塔頂冷凝器，當循環(huán)發(fā)生故障（斷水）時，塔頂設置的安全閥泄放量為正常工作工況下進入冷凝器的最大蒸汽量。1.2.2以循環(huán)水為冷媒的其它換熱器，當循環(huán)水發(fā)生故障（斷水）時，應仔細分析影響的范圍，確定泄放量。1.3 電力故障1.3.1停止供電時，用電機驅(qū)動的塔頂回流泵、塔側(cè)線回流泵將停止轉(zhuǎn)動，塔頂設置的安全閥的泄放量為該事故工況進入塔頂器的蒸汽量。1.3.2塔頂冷凝器為不裝百葉的空冷器時，

3、在停電情況下，塔頂設置的安全閥的泄放量為正常工作工況下，進入冷凝器的最大蒸汽量的75%。1.3.3停止供電時，要仔細分析停電的影響范圍，如泵、壓縮機、風機、閥門的驅(qū)動機構(gòu)等，以確定足夠的泄放量。1.4 不凝氣的積累1.4.1若塔頂冷凝器中有較多無法排放的不凝氣，則塔頂設置的安全閥的泄放量與1.2規(guī)定。1.4.2其它積累不凝氣的場合，要分析其影響范圍，以確定泄放量。1.5 調(diào)節(jié)閥故障1.5.1安裝在設備出口的調(diào)節(jié)閥，發(fā)生故障時若處于全閉位置，則所設安全閥的泄放量為流經(jīng)此調(diào)節(jié)閥的最大正常流量。1.5.2安裝在設備入口的調(diào)節(jié)閥，發(fā)生故障時若處于全開位置時：1）對于氣相管道，如果滿足低壓側(cè)的設計壓力小

4、于高壓側(cè)的設計壓力的2/3，則安全閥的泄放量應按式（1.5-1）計算：W=3.171.3（Cv1-Cv2）Ph(Gg/T)1/2式中：W質(zhì)量泄放量流量，kg/h；Cv1調(diào)節(jié)閥的Cv值；Cv2調(diào)節(jié)閥最小流量下的Cv值；Ph高壓側(cè)工作壓力，MPa；Gg氣相密度，kg/m3；T-泄放溫度，K。如果高壓側(cè)物料有可能向低壓側(cè)傳熱，則必須考慮傳熱的影響。2）對于液相管道，安全閥的泄放量為調(diào)節(jié)閥最大通過量與正常流量之差，并且要估計高壓側(cè)物料有無閃蒸。1.6 過度熱量輸入 換熱器熱媒側(cè)的調(diào)節(jié)閥失靈全開、切斷閥誤開，設備的加熱夾套、加熱盤管的切斷閥誤開等工況下，以過度熱量的輸入而引起的氣體蒸發(fā)量或液體的膨脹量來

5、計。1.7 易揮發(fā)物料進入高溫系統(tǒng)1.7.1輕烴誤入熱油以及水誤入熱油等工況下，由于產(chǎn)生大量蒸汽，致使容器內(nèi)的壓力迅速上升。1.7.2由于此事故工況下的泄放量無法確定而且壓力升高十分迅速，所以，安裝安全閥是不合適的，應設置爆破片。1.8 換熱器管破裂1.8.1如果換熱器低壓側(cè)的設計壓力小于高壓側(cè)的設計壓力的2/3時，則應作為事故工況考慮。1.8.2根據(jù)1.8.1的條件，安全閥的泄放量按式（1.8-1）計算出的結(jié)果和高壓側(cè)正常流量比較，取二者的較小值。1.8.3熱熱器管破裂時的泄放量W=5.6·d2·(Gl×P)1/2式中：W質(zhì)量泄放流量，kg/h；d管內(nèi)徑，mm；

6、Gl液相密度，kg/m3；P高壓側(cè)（管程）與低壓側(cè)（殼程）的壓差，MPa。本公式適用于高壓流體為液相。1.9 化學反應失控1.9.1對于放熱的化學反應，如果溫度、壓力和流量等自動控制失靈，使化學反應失控，形成“飛溫”，這時產(chǎn)生大量的熱量，使物料急劇大量蒸發(fā)，形成超壓。這類事故工況，安裝安全閥無論在反應時間，還是在泄放速率方面均不能滿足要求，應設置爆破片。1.9.2如果專利所有者能提供準確的化學反應動力學關聯(lián)式，推算出事故工況下的泄放量，則可以在專利所有者和建設方的同意下設置安全閥。1.10 外部火災1.10.1本規(guī)定適用于盛有液體的容器暴露在外部火災之中。1.10.2容器的濕潤面積（A） 容器

7、內(nèi)液面之下的面積統(tǒng)稱為濕潤面積。外部火焰?zhèn)魅氲臒崃客ㄟ^濕潤面積使容器內(nèi)的物料氣化。不同型式設備的濕潤面積計算如下：1）臥立式容器：距地面7.5m或距能形成大面積火焰的平臺之上7.5m高度范圍內(nèi)的容器外表面積與最高正常液位以下的外表面積比較，取兩者中較小值。a)對于橢圓形封頭的設備全部外表面積為：Ae=Do(L+0.3Do)Ae外表面積，m2；Do設備直徑，m；L設備總長（包括封頭），m。b)氣體壓縮出口的緩沖罐一般最多盛一半液體，濕潤表面為容器總表面積的50%。C）分餾塔的濕潤表面為塔底正常最高液位和7.5m高度內(nèi)塔盤上液體部分的表面積之和。2）球型容器：球型容器的濕潤面積，應取半球表面積或距

8、地面7.5m高度下表面積二者中的較大值。3）濕潤面積包括火災影響范圍內(nèi)的管道外表面積。1.10.3容器外壁校正系數(shù)（F）容器壁外的設施可以阻礙火焰熱量傳至容器，用容器外壁校正系數(shù)（F）反映其對傳熱的影響。1）根據(jù)勞動部頒發(fā)的壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程（1991年1月1日施行）中規(guī)定：a）容器在地面上無保溫：F=1.0b）容器在地面下用砂土覆蓋：F=0.3c）容器頂部設有大于10l/（m2·min）水噴淋裝置：F=0.6d)容器在地面上有完好保溫，見式（1.10-4）。2）根據(jù)美國石油學會標準API-520：a）容器在地面上無保溫：F=1.0b）容器有水噴淋設施：F=1.0c）容器在地面

9、上有良好保溫時，按式（1.10-2）計算：F=4.2式中：保溫材料的導熱系數(shù)，kJ/(m·h·)；do保溫材料厚度，mt泄放溫度，。d）容器在地面之下和有砂土覆蓋的地上容器，(F)值按式（1.10-2）計算，將其中的保溫材料的導熱系數(shù)和厚度換成土壤或砂土相應的數(shù)值。另外，保冷材料一般不耐燒，因此，保冷容器的外壁校正系數(shù)（F）為1.0。1.10.4安全泄放量1）根據(jù)勞動部頒發(fā)的壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程（1991年1月1日施行）中規(guī)定：a）無保溫層W=式中：W質(zhì)量泄放量，kg/h； Hl泄放條件下的汽化熱。kJ/kg； A潤濕面積，m2； F容器外壁校正系數(shù)，取1.10.3（1

10、）中的取值。b）有保溫層W=式中：t泄放溫度，；保溫材料的導熱系數(shù)，kJ/(m·h·)；do保溫材料的厚度，m。1） 根據(jù)美國石油學會標準API-520中規(guī)定：對于有足夠的消防保護措施和有能及時排走地面上泄漏的物料措施時，容器的泄放量為：W=否則，采用式（1.10-6）計算：W=式中符號同式（1.10-3），F(xiàn)取1.10.3（2）中的取值。2 最小泄放面積的計算2.1 計算的最小泄放面積為物料流經(jīng)安全閥時通過的最小截面積。對于全啟式安全閥為喉徑截面積，對于微啟式安全閥為環(huán)隙面積。2.2 根據(jù)勞動部頒發(fā)的壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程（1991年1月1日施行）中規(guī)定：2.2.1對于

11、氣體、蒸汽在臨界條件下的最小泄放面積為：=13.16式中：最小泄放面積，mm2；W質(zhì)量泄放流量，kg/h；X氣體特性系數(shù)；P泄放壓力，MPa；Z氣體壓縮因子；T泄放溫度，K；M分子量。流量系數(shù)（Co）由制造廠提供。若沒有制造廠的數(shù)據(jù)時，對于全啟式安全閥：Co=0.60.7；對于帶調(diào)節(jié)圈的微啟式安全閥：Co=0.40.5；對于不帶調(diào)節(jié)圈的微啟式安全閥：Co=0.250.35。氣體特性系數(shù)（X）見附錄1。氣體壓縮因子（Z）查附錄6。2.2.2根據(jù)計算的最小泄放面積（），計算安全閥喉徑（d1）或閥座口徑（D）1）對于全啟式安全閥= (2.2-2)2）對于平面密封型微啟式安全閥= (2.2-3)3)對

12、于錐面密封型微啟式安全閥=Dh·sin (2.2-4)式中：d全安閥喉徑，mm； h安全閥開啟高度，mm; D安全閥的閥座口徑，mm； 密封面的半錐角，度。2.3 根據(jù)美國石油學會標準API-520中的規(guī)定如下：2.3.1臨界條件的判斷 如果背壓滿足式（2.3-1），則為臨界流動，否則為亞臨界流動。PbPcf=P· （2.3-1）式中：Pb背壓，MPa；Pcf臨界流動壓力，MPa；P泄放壓力，MPa；k絕熱指數(shù)。2.3.2氣體或蒸汽在臨界流動條件下的最小泄放面積 = (2.3-2)式中：最小泄放面積，mm2；W質(zhì)量泄放流量，kg/h;Co流量系數(shù)；X氣體特性系數(shù)；P泄放壓力

13、，MPa；Kb背壓修正系數(shù)；T泄放溫度，K；Z氣體壓縮因子；M分子量。流量系數(shù)（Co）由制造廠提供，若沒有制造廠的數(shù)據(jù)，則取Co=0.975。系數(shù)(X)式（2.3-3）計算或查附錄1。X=520 (2.3-3)背壓修正系數(shù)（Kb）僅用于波紋管背壓平衡式安全閥（查附錄5）臨界流動條件下，對于彈簧式安全閥Kb=1.0。 氣體壓縮因子（Z）查附錄6所示。 部分物料的絕熱指數(shù)（k）見附錄2，若沒有k的數(shù)據(jù)，則X=315。2.3.3氣體或蒸氣在亞臨界條件下的最小泄放面積1）式（2.3-4）適用于導閥式安全閥和彈簧設定時考慮了靜背壓的影響的彈簧式安全閥，在亞臨界流動條件下的最小泄放面積的計算：=1.8&#

14、215;10-2 (2.3-4)亞臨界流動系數(shù)（Kf）查附錄7。流量系數(shù)（Co）值由制造廠提供，若沒有制造廠數(shù)據(jù)時，Co=0.975，其它符合同前。2）簡便計算彈簧式安全閥在亞臨界流動條件下的最小泄放面積時，可先按臨界流動條件下的式（2.3-2）計算，再將計算結(jié)果除以按附錄8查得的背壓修正系數(shù)（Kb），即為亞臨界條件下的最小泄放面積。3）背壓平衡式安全閥在亞臨界流動時的最小泄放面積按式（2.3-2）計算，但背壓修正系數(shù)（Kb）應由制造廠提供。2.3.4水蒸汽=0.19 (2.3-5)流量系數(shù)（Co）值由制造廠提供。若無制造廠數(shù)據(jù)時，Co=0.975。水蒸汽過熱系數(shù)（Ksh）查附錄3，對于飽和蒸

15、汽，Ksh=1.0。Napier系數(shù)（KN）按下述要求選取：P10.44MPa時，KN=1.010.44MPaP22.17MPa時，KN=其余符號意義同前。2.3.5液體=0.19 (2.3-6)超壓修正系數(shù)（KP）查附錄9所示。背壓修正系數(shù)（KW）,對彈簧式安全閥=1.0；對于波紋管背壓平衡式安全閥，KW查附錄10。粘度修正系數(shù)（KV）查附錄11。流量系數(shù)（Co）對于按美國機械工程師協(xié)會ASME第部分第1分篇或國標GB150-89設計的容器上安裝的安全閥，Co=0.65，其它（如管道上）安裝的安全閥，Co=0.62。計算泄放壓力（P）時所用的超壓，對于按ASME第部分第1分篇或國標GB150

16、-89設計的容器，超壓為10%，其它（如管道上）安裝的安全閥，超壓為25%。其余符號同前。2.3.6兩相流體1）氣-液平衡態(tài)的兩相流體，流經(jīng)閥體時部分液體要產(chǎn)生閃蒸，閃蒸現(xiàn)象會降低閥門的質(zhì)量流通能力。泄放量的計算方法如下： a）確定閃蒸量：分別計算液相自泄放壓力經(jīng)絕熱過程至臨界壓力下和至背壓下的閃蒸里量，取小者。 b）用閃蒸的氣量和泄放時混合物中的氣量之和，根據(jù)背壓情況及安全閥的型式等，按照式（2.3-2）或（2.3-4）計算氣相所需的最小泄放面積。 c）根據(jù)式（2.3-6）計算液相所需的最小泄放面積。 d）將b）和c）項的計算結(jié)果相加，即為所需的最小泄放面積。2）背壓對安全閥的上述計算過程有

17、很大的作用，因此： a）應仔細計算泄放管道中兩相流體的壓力降； b）管道壓力降的產(chǎn)生，會使部分液體繼續(xù)氣化； c）來自冷凍（如液化氣的排放）的物料排放系統(tǒng)，在排放管道中有時會產(chǎn)生液滴和低溫； d）對于氣相處于臨界條件下泄放時，計算液相泄放量時背壓到臨界壓力（Pcf）(見式2.3-1)3 儲存氣體容器的安全閥3.1 無濕潤表面的容器在外部火災情況下，容器將在短時間內(nèi)由于金屬材料的軟化而發(fā)生破壞。設置安全閥將不能獨立保護這類容器不受損壞，僅能短時間內(nèi)（金屬軟化之前）起作用。因此要采取其它的辦法如外保溫、水噴淋或自動/手動泄壓系統(tǒng)（安裝控制閥）。3.2 無濕潤表面的容器在外部火災情況下的泄放量W=8

18、.764 (3.2-1) 暴露面積（A1）為距地面或形成大面積火焰的平臺上方7.5m以下的容器外表面。 金屬壁溫（TW）：對于碳鋼為593（866K）。 泄放溫度（T）根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計算。3.3 最小泄放面積=576.7× (3.3-1) 泄放閥因子（F）按式（3.3-2）計算，F(xiàn)的最小值為0.01。如果F沒有足夠的數(shù)據(jù)進行計算，則F取0.045。F= (3.3-2) 上式中流量系數(shù)（Co）由制造廠提供。若沒有制造廠的數(shù)據(jù)時，Co取0.975。氣體特性系數(shù)（X）查附錄1。 上述各式的其它符號同前。2 安全閥出口反力的計算4.1 安全閥出口反力的計算 物料泄放時，流體的流動會對排

19、放管道產(chǎn)生一作用力，并通過排出管道傳至安全閥，進而以力矩的形式通過安全閥入口管道傳至設備接管。這個力和力矩是否對安全閥的進出口管道和設備的接管、法蘭產(chǎn)生不良影響（如容器是否要補強等），需要進行詳細的計算后確定。 作用力的大小與物料泄放至大氣還是泄放到密閉系統(tǒng)有很大關系。4.1.1氣相物料泄放大氣 對于可壓縮流體（氣體或蒸汽）臨界穩(wěn)態(tài)流動，且物料流經(jīng)安全閥后經(jīng)一段水平管、一個90°長半徑彎頭、一段垂直立管排入大氣，如圖4.1-1所示，作用力（f）按式（4.1-1）計算：= 1.02×10-6×W× (4.1-1)式中：泄放反力，N；Ao泄放管出口截面積，m

20、m2；P2泄放管出口靜壓力，MPa（表）；k絕熱指數(shù)。其余符號意義同前。4.1.2氣相物料泄放至密閉系統(tǒng) 泄放至密閉系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)流動，在排出管中一般不會產(chǎn)生大的作用力和力矩，僅計算管徑突然擴大位置的作用力。如果需要計算泄放至密閉系統(tǒng)的作用力，則應采用復雜的非穩(wěn)態(tài)分析方法，可從專門資料中查閱。4.1.3液相物料的泄放反力 液體泄放時在安全閥出口中心線處的水平反力（f）按式（4.1-2）計算：=0.694×P× (4.1-2)式中： 泄放反力，N； P泄放壓力，MPa； -安全閥喉徑面積，mm2(喉徑代號與喉徑截面關系，見附錄4)。4.2 出口管道由于泄放時的作用力、振動和自重、

21、熱脹冷縮等原因，應設支架支撐。5 附錄 附錄1 氣體特性系數(shù)表 附錄2 部分物料的物性表 附錄3 水蒸汽過熱系數(shù)（Ksh） 附錄4 喉徑代號與喉徑截面積關系表 附錄5 波紋管背壓平衡式安全閥的背壓修正系數(shù)（Kb）圖 附錄6 氣體壓縮因子（Z）值圖 附錄7 亞臨界流動系數(shù)（Z）值圖 附錄8 彈簧式安全閥背壓修正系數(shù)（Kb）圖 附錄9 液體超壓修正系數(shù)（Kp）圖 附錄10 波紋管背壓平衡式安全閥超壓25%時的背壓修正系數(shù)（KW）（液體用）圖 附錄11 液體粘度修正系數(shù)（KV）圖附錄1氣體特性系數(shù)表 PS301(T01)kXkXkXkX1.013171.313481.613731.913951.02

22、3181.323491.623741.923951.033191.333501.633751.933961.043201.343511.643761.943971.053211.353521.653761.953971.063221.363531.663771.963981.073231.373531.673781.973981.083251.383541.683791.983991.093261.393551.693791.994001.103271.403561.703802.004001.113281.413571.713811.123291.423581.723821.133301.4

23、33591.733821.143311.443601.743831.153321.453601.753841.163331.463611.763841.173341.473621.773851.183351.483631.783861.193361.493641.793861.203371.503651.803871.213381.513651.813881.223391.523661.823891.233401.533671.833891.243411.543681.843901.253421.553691.853911.263431.563691.863911.273441.573701.

24、873921.283451.583711.883931.293461.593721.893931.303471.603731.90394附錄2部分物料的物性表表PS301(T02)物料分子量比 重臨界壓力MPa臨界溫度K 絕熱指數(shù)氣相液相醋酸60.052.0711.0495.78594.81.15丙酮#NAME?-0.7914.72508.7-乙炔26.040.898-6.243091.26空氣28.971-3.761321.4氨17.030.5870.81711.28405.51.33氬39.941.3811.654.91511.67苯78.112.890.8794.925621.121,3

25、-丁二烯54.091.9220.6214.334251.12丁烷58.122.0070.5793.8425.21.094異丁烷58.122.0070.5573.65408.11.094二氧化碳44.011.531.1017.393041.30二硫化碳76.132.6281.2637.95461.21一氧化碳280.9670.8143.51341.40氯70.92.451.567.714171.36環(huán)己烷84.162.9050.7794.055531.09癸烷142.284.910.734-6191.03乙烷30.071.050.5464.88305.51.22乙醇46.071.590.7896

26、.385161.13氯乙烷64.522.220.9035.274601.19乙烯28.050.9970.5665.07282.41.26氟得昂11137.374.7421.4944.374691.14氟得昂12120.924.1741.4864.1153851.14氟得昂2286.482.9851.4194.943691.18氟得昂114170.935.91.5383.264191.09物料分子量比 重臨界壓力MPa臨界溫度K絕熱指數(shù)氣相液相氦4.000.14-0.235.301.66己烷86.172.970.663.03507.901.06氯化氫36.501.27-8.263241.41氫2

27、.020.0700.07091.2933.31.41硫化氫34.071.19-9.0273.61.32煤油-0.815-甲烷16.040.560.4154.64191.11.31甲醇32.041.110.7927.955131.20丁烷72.152.490.633.334611.08氯甲烷50.491.740.956.684161.20天然氣19.000.66-1.27硝酸-1.50-一氧化氮30.001.0361.2696.481801.40氮28.000.961.0263.40125.81.40二氧化氮441.5191.2267.26309.71.30壬烷128.254.430.718-5

28、95.71.04辛烷114.223.940.7072.49569.41.05氧32.001.101.4265.08154.81.40戊烷72.152.490.6313.37469.81.07丙烷44.091.550.5854.253701.13丙烯42.081.550.5854.253701.13水蒸汽18.020.6221.0022.136471.324苯乙烯104.143.600.906-6471.07二氧化硫64.062.261.4347.884301.29硫酸-1.834-甲苯92.133.180.8664.215941.0920四川省化工設計院附錄3 水蒸汽過熱系數(shù)（Ksh）PS30

29、1(T03)溫度設定 （）壓力（MPa）飽和溫度2002202402602803003203403603804004204404604800.51.0050.9960.9720.9510.9310.9130.8960.8790.8640.8490.8350.8221.00.9780.9810.9830.9600.9380.9190.9010.8840.8680.8530.8380.8251.50.9770.9760.9700.9720.9470.9250.9060.8880.8720.8560.8410.8282.00.9720.9670.9640.9550.9320.9120.8930.8760.8600.845