壓力容器安全閥的安全排放量計(jì)算

上海申弘閥門有限公司

二．安全閥計(jì)算實(shí)例

我們在壓力容器設(shè)計(jì)和定期檢驗(yàn)中均要求對安全閥的安全排放能力進(jìn)行選型或校驗(yàn)計(jì)算。基于以往資料不齊全,往往以大代小,造成不必要的浪費(fèi)?，F(xiàn)擬以GB150附錄B-B5.1 b)為依據(jù)，用不同介質(zhì)、壓力、溫度對安全閥的安全排放量進(jìn)行選型計(jì)算。

1.    應(yīng)用范圍

1.1 本規(guī)定僅適用于化工生產(chǎn)裝置中壓力大于0.2MPa的壓力容器上防超壓用安全閥的設(shè)置和計(jì)算，不包括壓力大于100MPa的超高壓系統(tǒng)。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導(dǎo)式減壓閥,空氣減壓閥,氮?dú)鉁p壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動(dòng)閥門、電動(dòng)閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。適用于化工生產(chǎn)裝置中上述范圍內(nèi)的壓力容器和管道所用安全閥；不適用于其它行業(yè)的壓力容器上用的安全閥，如各類槽車、各類氣瓶、鍋爐系統(tǒng)、非金屬材料容器，以及核工業(yè)、電力工業(yè)等。

1.2計(jì)算方法引自《工藝設(shè)計(jì)手冊》 (Q/SPIDI 3PR04-3-1998)，使用本規(guī)定時(shí)，一般情況應(yīng)根據(jù)本規(guī)定進(jìn)行安全閥計(jì)算，復(fù)雜工況仍按《工藝設(shè)計(jì)手冊》有關(guān)章節(jié)進(jìn)行計(jì)算。

1.3          本規(guī)定提供了超壓原因分析，使用本規(guī)定必須詳細(xì)閱讀該章節(jié)。

2.           計(jì)算規(guī)定的一般說明

2.1        安全閥適用于清潔、無顆粒、低粘度流體，凡必須安裝泄壓裝置而又不適合安全閥的場所，應(yīng)安裝爆破片或安全閥與爆破片串聯(lián)使用。

2.2       在工藝包設(shè)計(jì)階段（PDP），應(yīng)根據(jù)工藝裝置的操作規(guī)范，按照本規(guī)定（見5.0章節(jié)），對本規(guī)定所列的每個(gè)工況進(jìn)行分析，根據(jù)PDP的物流表，確定每個(gè)工況的排放量，填入安全閥數(shù)據(jù)表一。

2.3                     在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段（BDP）和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段（DDP），按照泄放量的計(jì)算書規(guī)定（見6.0章節(jié)），在安全閥數(shù)據(jù)表一的基礎(chǔ)上，形成安全閥數(shù)據(jù)表二（數(shù)據(jù)表）和安全閥數(shù)據(jù)表三。安全閥數(shù)據(jù)表三作為條件提交有關(guān)專業(yè)。

例1：有一空氣儲(chǔ)罐,DN1000㎜，容積V=5m3高工作壓力為0.8MPa，工作溫度為30℃進(jìn)口管為φ57X3.5,確定安全閥尺寸.

解1)確定氣體的狀態(tài)條件

設(shè)Po—安全閥出口側(cè)壓力（絕壓）0.103MPa（近似為0.1MPa）

則Pd—安全閥泄放壓力（絕壓）為

Pd=1.1Pw+0.1+10%P=1.068MPa（GB150附錄B4.2.1）

當(dāng)安全閥出口側(cè)為大氣時(shí): Po/Pd=0.103/1.068=0.0936

而（2/(k+1)）k/(k-1) =（2/(1.4+1)）1.4/(1.4-1)=0.53

∴ Po/Pd＜（2/(k+1)）k/(k-1) 是屬于臨界狀態(tài)條件, 安全閥排放面積A按（B5）計(jì)算

A≥ mm （B5）

式中: C氣體特性系數(shù),查表B1或C=520√k（2/(k+1)(k+1)/(k-1)）

K—安全閥額定泄放系數(shù),K=0.9倍的泄放系數(shù)(泄放系數(shù)由制造廠提供,一般為0.75);或按《容規(guī)》附件五第二節(jié)有關(guān)規(guī)定中選取.

2)容器安全泄放量的計(jì)算:

盛裝壓縮氣體或水蒸汽的容器安全泄放量,按下列規(guī)定來確定

a.對壓縮機(jī)貯罐或水蒸汽的容器,分別取壓縮機(jī)和水蒸汽發(fā)生器的大產(chǎn)氣量;

b.氣體儲(chǔ)罐等的安全泄放量按(B1)式計(jì)算

Ws=2.83×10-3ρυd2 ㎏/h (B1)

式中 ρ為排放壓力下的氣體密度.

ρ=M（分子量）×Pw’(排放壓力)×273/(22.4×(273+t))

空氣M=28.95

排放壓力Pw’=10.68㎏/㎝2

代入上式得 ρ=28.95×10.68×273/22.4×303=12.44㎏/m3

υ—容器在工作壓力下的進(jìn)口管的氣體流速m/s;查表2得υ=10～15m/s

一些常用氣體流速范圍

　　　　 　　　　　　 表2

取υ=10m/s.

將上述ρ、ν、d代入得

Ws=2.83×10-3×12.44×15×502 =1320.2㎏/h

則A= =205.4mm2

若采用帶板手全啟式安全閥

A=0.785d02=205.4mm2 d0=(205.4/0.785)1/2=16.2㎜

根據(jù)統(tǒng)計(jì)概算,全啟式安全閥的喉徑d0與公稱直徑DN之比約為0.625,而微啟式安全閥的喉徑d0與公稱直徑DN之比約為0.8.

∴選用公稱直徑DN32的全啟式帶板手安全閥.

安全閥公稱直徑與喉徑關(guān)系

表3

例2.將例題1的介質(zhì)改為蒸汽。

解：在壓力容器中，絕大多數(shù)安全閥的出口側(cè)壓力與它的泄放壓力之比即Po/pd都小于理論值0.528。（此值由空氣作試驗(yàn)介質(zhì)求得Po/pd=0.528）屬于臨界狀態(tài)。

Pd——安全閥的泄放壓力（絕壓）

Pd=1.1×P＋0.1MPa=1.1×1.1Pw＋0.1=1.21×0.8＋0.1=1.068MPa

查得ρ=5.388Kg/m3. K=455°(t=182℃)

∴WS=2.83×10-3ρνd2=2.83×10-3×5.388×25×502=953Kg

小排放面積A

A= 其中蒸汽在工作溫度和壓力下的壓縮系數(shù)Z。可根據(jù)高鴻華主編《壓力容器安全技術(shù)問題》第71問中的公式進(jìn)行計(jì)算：（注1）

Z= = =0.93 

式中：R——848Kg·m/Kmol·K

T——蒸汽溫度K

ν——蒸汽比容

M——分子量。 蒸汽k=1.135

∴A= 

=245.7mm2

do= = =17.7㎜

取DN=32的安全閥。（do=20㎜）

注1、介質(zhì)壓縮系數(shù)可按GB150附錄B章進(jìn)行計(jì)算，一些常用介質(zhì)的臨界特性，由表4查得

　                       某些氣體的主要物理特性

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表4

上述的工況。同樣可以用（B7）式進(jìn)行計(jì)算。該式在計(jì)算時(shí)略去繁鎖系數(shù)Z的計(jì)算，當(dāng)Pd≤10Mpa時(shí)

A= = =242.8mm2

do= = =17.6㎜

*，壓縮系數(shù)Z是反映了真實(shí)氣體在壓力、溫度和比容之間的關(guān)系上和理想氣體的差異。在常溫及壓力不太高的情況下，真實(shí)氣體與理想氣體的差異不大。即壓縮系數(shù)

Z≈1，而一般常用的二原子氣體，如空氣、氧、氮、氫及一氧化碳等氣體的絕熱指數(shù)K均為1.4。因此，安全閥排量計(jì)算公式簡化為下式：

W=27KPdA 

用例題1的工況，代入后即得

與例題1的詳細(xì)計(jì)算相差極小，另一方面應(yīng)注意的是，如合成氨的循環(huán)機(jī)的安全閥，由于出口側(cè)的壓力很大。因而壓力比Po/Pd>(2/(k+1) )k/(k-1)屬于處在亞臨界狀態(tài)，則應(yīng)用式(B6)來計(jì)算安全閥泄放量。但鍋爐系統(tǒng)的安全閥選型計(jì)算要以《鍋規(guī)》所給出的公式及系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

例3：液化石油氣貯罐，筒體內(nèi)徑Di=1600㎜,長度L=6000㎜，壁厚δn=16㎜,V=13.3m3,封頭形式為橢圓，介質(zhì)組分為: 丙烯50%、丙烷15%、正異丁烯15%、正異丁烷15%、殘液5%.液化石油氣組分見表5。

液化石油氣單一成分組分及汽化潛熱

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　表5

液化石油氣貯罐，一般不設(shè)保溫且夏日均配備水噴淋予以冷卻。

解：對無絕熱材料保冷層的壓力容器其安全泄放量按（B3）計(jì)算。

W=2.55×105FAt×0.82/q kg/h

式中：F—系數(shù)，對于地面上的容器，F(xiàn)=1

At—容器受熱面積，橢圓封頭的臥式貯罐 

At=πD0(L+0.3 D0)=3.14×1.632（6.916+0.3×1.632）=37.9㎡

50℃汽化潛r=∑Xiri=285.5×0.15＋285.96×0.5＋343.7×0.15＋317.8×0.15

＋337×0.05=301.9KJ/㎏

∴安全泄放量W’= 

= =16640㎏/h

安全閥的泄放能力計(jì)算

對于貯罐的筒體長度≥6m時(shí)，應(yīng)設(shè)置兩個(gè)安全閥。在一般情況下分半值來計(jì)算較為合理。這樣才不致于使安全閥選得過于大型而造成浪費(fèi)。安全閥的小排氣面積A為

式中Pd=1.1P＋0.1=1.1×1.8＋0.1=2.08MPa

M分子量=44 (以主要成分丙烷)

∴do= = =27.12㎜

選用DN40A42H—4.0的全啟式安全閥兩只。（此檔安全閥小公稱直徑為40）

由兩臺或兩臺以上的裝置集中輸氣到一個(gè)貯罐（集中罐）?；蛴梢慌_設(shè)備分別輸氣到幾個(gè)貯罐（分氣罐）時(shí)。貯罐的安全泄放量的計(jì)算見例4。

例4、由兩臺空氣壓縮機(jī)同時(shí)向體積為V=100m3的集氣罐輸氣。其輸氣壓力為Pw=1.0MPa；t為常溫。進(jìn)氣管為φ108×4。此時(shí)貯罐的安全泄放量。

∵在Pw=1.0Mpa；t=20℃時(shí)，ρ=12.87㎏/m3。取進(jìn)氣管的氣體流速為ν=15m/s

∴貯罐的安全泄放量W為

W‘=7.55(ρo)Vd2 =7.55×1.293×15×1002× =6.55×103㎏/h

式中：ρo——氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度㎏/m3；空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的P=12.87㎏/m3

Pd——容器的排放壓力MPa（）

T——容器的排放溫度（）K

d——容器的總進(jìn)氣管內(nèi)徑㎜

實(shí)際上W'=7.55ρoVd2 與W=28×10-3ρVd2是等效的，不同處在于不用去求取氣體在排放狀態(tài)下的密度ρ（㎏/m3）。

除上述的一些常見的貯罐外，我們還遇到如蒸發(fā)器、反應(yīng)器之類由于器內(nèi)液體受熱蒸發(fā)而增大壓力，或由于化學(xué)反應(yīng)而使介質(zhì)氣化。

體積增大內(nèi)壓升高，其安全泄放量應(yīng)分別根據(jù)輸入載熱體的放出熱量或器內(nèi)化學(xué)反應(yīng)可能生成的大氣量，以及反應(yīng)所需的時(shí)間來決定。

另外,JB/T4750－2003《制冷裝置用壓力容器》B.4安全閥及爆破片口徑中介紹了配備在容器上的安全閥口徑計(jì)算方法，我們可以在設(shè)計(jì)中參考選用。

d=C1 （B.1） 

式中C1=35 B.2）

D0--容器外徑m

L—— 容器長度m

P—— 為設(shè)計(jì)壓力MPa

兩個(gè)以上容器連通時(shí)，其安全閥口徑是將各自容器的D0L值之和代入（B.1）式進(jìn)行計(jì)算。

參 考 資 料

《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》

《壓力容器安全技術(shù)問答》勞動(dòng)人事出版社

GB150—1998《鋼制壓力容器》學(xué)苑出版社

《鍋爐壓力容器安全工程學(xué)》北京經(jīng)濟(jì)學(xué)院出版社

《燃?xì)鈮毫θ萜鳌分袊ㄖI(yè)出版社

《化工工藝設(shè)計(jì)手冊》上?？茖W(xué)技術(shù)出版社

JB/T4750－2003《制冷裝置用壓力容器》國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)

與本文相關(guān)的論文有：安全閥定期檢驗(yàn)辦事指南