储罐安全泄压阀选型计算

作者: 桃源乡吃桃 | 来源:发表于2018-11-05 19:56 被阅读51次

摘要：安全阀最小泄放面积的计算，是安全阀选型过程中主要环节。本文参考各标准，总结出外部火灾事故下安全阀最小泄放面积的计算流程。并对一台无水氟化氢卧式储罐上所需安全阀的选型进行了实例计算。

关键词：安全阀，泄放面积，选型

前言

安全阀是启闭件受外力作用下处于常闭状态，当设备或管道内的介质压力升高超过规定值时，通过向系统外排放介质来防止管道或设备内介质压力超过规定数值的特殊阀门。安全阀属于自动阀类，主要用于锅炉、压力容器和管道上，控制压力不超过规定值，对人身安全和设备运行起重要保护作用^[1]。按照规范规定，凡是可能由于工艺事故、自控事故、火灾事故、公用工程事故等原因引起的超压设备，均须设置安全阀^[2]。决定安全阀选型的因素主要有安全阀的形式、整定压力、泄放量，以及对象设备的工况。本文针对外部火灾事故下所适用安全阀进行选型计算。

1.选择安全阀形式

标准《安全阀的设置和选用》（HG/T20570.2-95）对不同形式的安全阀的选用有表1中规定。

表 1: 安全阀形式选择表

工况	形式
排放气体或蒸汽	全启式安全阀
排放液体	全启式或微启式安全阀
排放水蒸汽或空气	可选用带扳手的安全阀
设定压力大于3MPa，温度超过235℃的气体	带散热片的安全阀
排放介质允许泄漏至大气	开式阀帽安全阀
排放介质不允许泄漏至大气	闭式阀帽安全阀
排放有剧毒、有强腐蚀、有极度危险的介质	波纹管安全阀
高背压的工况	背压平衡式安全阀或导阀控制式安全阀

2.确定安全阀整定压力

安全阀整定压力为安全阀阀瓣开始升起，物料开始连续流出时的压力，与安全阀设定压力相同。按照技术规范，整定压力要求不大于被保护设备的设计压力。安全阀泄放压力为阀芯升到最大高度后阀入口压力，等于整定压力加超压。
根据技术规范，泄放压力与设备设计压力须满足表2中关系^[3]。

表2 安全阀最大泄放压力与容器压力设计压力关系表

压力百分比	安全阀
121%	火灾用安全阀的最大泄放压力
116%	非火灾用辅助安全阀的最大泄放压力
110%	非火灾用主安全阀的最大泄放压力、火灾用辅助安全阀的最大设定压力
105%	非火灾用辅助安全阀的最大设定压力
100%	主安全阀的最大设定压力
93%~97%	回座压力

按照表2，火灾事故下安全阀最大泄放压力不得超过设备设计压力的1.21倍，保险起见为避免泄放时设备内部压力超过设计压力，取设备设计压力作为安全阀泄放压力。安全阀超压一般取0.1倍的整定压力。则安全阀整定压力可按以下公式确定：
$Ps= \frac{Pd} {1.1} = \frac{Pe} {1.1} = 0.909Pe\tag{1}$

式中：

Ps—整定压力，MPa(G)

Pd—泄放压力，MPa(G)

Pe—设备设计压力，MPa(G)

3.安全泄放量计算

外部火灾事故下，安全泄放量计算如下：

a.无绝热材料保温层的压力容器的安全泄放量计算^[3]：
$Ws = {{ 2.55 \times 10^5FA^{0.82} } \over {H}}\tag{2}$
b.有绝热材料保温层的压力容器的安全泄放量计算^[3]：
$Ws= { 2.61 \times (650-t) \lambda A^{0.82} } \over {d_0 H}\tag{3}$

式中：

Ws—压力容器的安全泄放量，kg/h

H—在泄放压力下液化气体的气化潜热，kJ/kg

t—泄放气体温度，℃

A—容器润湿面积，㎡

$d_0$ —保温层厚度，m

F—容器外壁校正系数

λ—保温材料的导热系数，kJ/(m.h.℃)

保冷材料一般不耐烧，因此保冷容器按照无保温层计算。

3.1容器润湿面积A

容器内液面之下的面积统称为润湿面积。外部火焰传入的热量通过润湿面积使容器内的物料气化。

设备的润湿面积为：距地面7.5m或距能形成大面积火焰的平台之上7.5m高度范围内的容器外表面积与最高正常液位以下的外表面积比较，取两者较小值^[3]。

对于布置在地面或平台，距地面或平台7.5m以下的容器的外表面积即为其全部外表面积，大于正常液位以下外表面积，故润湿面积取后者。

对于卧式椭圆封头容器，封头润湿面积可近似等于全外表面积，直筒段润湿面积按照截面润湿弧长与直筒长之乘积计算，故全部润湿面积按如下计算：
${ A = { { ( { 180 - arccos ( { { 2 h } \over D } - 1 ) } ) \pi D } \over 180 } L + 0.6 \pi D ^ 2 } \tag{4}$
对于立式椭圆封头容器，全部润湿面积按如下计算：
$A = \pi D h + 0.3\pi D^2\tag{5}$

式中：

A—润湿面积，㎡

h—正常液位高度，m

D—储罐直径，m

L—储罐直筒段长，m

3.2储罐外壁校正系数F

容器壁外的设施可以阻碍火焰热量传至容器，用容器外壁校正系数F反映其对传热的影响。

根据美国石油学会标准API-520，外壁校正系数可按如下工况确定：

容器在地面上无保温：F=1.0；
容器有水喷淋设施：F=1.O；
容器在地面上有良好保温时：
$F = {4.2 \times 10^{-6} { \lambda \over {d_0}} ( 904.4-T )}\tag{6}$

式中：

T—泄放气体温度，℃

$d_0$ —保温层厚度，m

F—容器外壁校正系数

λ—保温材料的导热系数，kJ/(m.h.K)
容器在地面之下和有砂土覆盖的地上容器，F值按式6计算，将其中的保温材料的导热系数和厚度换成土壤或砂土相应的数值；
保冷材料一般不耐烧，因此保冷容器的外壁校正系数：F=1.0。

3.3其他参数

设备内物质的气化潜热H、保温材料的导热系数λ可从相关物性手册中查找，保温层厚度 $d_0$ 、泄放气体温度T 根据工况确定。

4.判定临界情况

安全阀的选取规定是，在单位时间内需要泄放的气体流速大于等于达到临界条件或亚临界条件时的流速。由理论计算可知，泄放过程开始后，泄放压力由Pd逐渐下降，流速由0开始逐渐增大，当流速达到音速时，因阻力过大而不再增大，出口处压力下降至临界压力Pc后将不再下降。

根据美国石油协会标准API-520中规定，若安全阀出口处压力能达到临界压力，则满足临界条件：
${{Po} \over {Pd}} \le {{Pc} \over {Pd}} ={ \left( {2} \over {k+1}\right) ^{ {k} \over {k-1} } }\tag{7}$
若安全阀出口压力达不到临界压力，则满足亚临界条件：
${{Po} \over {Pd}} \gt {{Pc} \over {Pd}} ={ \left( {2} \over {k+1}\right) ^{ {k} \over {k-1} } }\tag{8}$

式中：

k—气体绝热指数，可由物性手册查得

Po—安全阀背压，MPa(A)

Ps—整定压力，MPa(A)

Pd—泄放压力，MPa(A)

5.计算安全阀最小泄放面积

气体或蒸汽在临界条件下安全阀最小泄放面积计算如下^[4]：
$Ws=0.076CKAPd \sqrt{ {M} \over {ZT} } \tag{9}$
气体或蒸汽在亚临界条件下^[4]：
$Ws = {55.84KAPd\sqrt{M\over{ZT}}\sqrt{{K[{\left({Po}\over{Pd}\right)}^{2\over{K}}-{\left({Po}\over{Pd}\right)}^{{K+1}\over{K}}]}\over{K-1}}} \tag{1 0}$

式中：

Ws—压力容器的安全泄放量，kg/h

C—气体特性系数

K—排放系数，与安全阀结构有关

A—安全阀最小泄放面积，㎟

Pd—安全阀泄放压力，MPa(A)

M—气体摩尔质量，kg／kmol

T—泄放气体的温度，K

Z—气体在泄放温度压力下的压缩系数

Po—安全阀背压，MPa(A)

Pd—泄放压力，MPa(A)

5.1气体特性系数C

气体特性系数C与气体绝热指数有关：
$C=520 \sqrt{k{ \left({2} \over {k+1}\right)}^ {{k+1} \over {k-1}}}\tag{11}$

式中：k—气体绝热指数，可由物性手册查得

5.2 排放系数K

排放系数K与安全阀结构有关，应根据实验数据确定。无参考数据时，可按下述规定选取^[5]：

全启式安全阀K=0.60~0.70；

带调节圈的微启式安全阀K=0.40~0.50；

不带调节圈的微启式安全阀K=0.25~0.35。

5.3泄放气体的温度T

泄放时气体温度为泄放压力下物质饱和温度，可查相关物性手册获得。

5.4气体压缩系数Z

气体的压缩系数Z可根据气体的对比压力与对比温度，由图1查得。
$Tr = T/Tk\tag{12}$

$Pr=Pd/Pk\tag{13}$

式中：

T—泄放气体的温度，K

Tr—对比温度

Tk—临界温度，K

Pd—泄放压力，MPa(A)

Pr—对比压力

Pk—临界压力，MPa(A)

image

图1 压缩系数与对比压力、对比温度关系

5.5.计算最小流道直径

a.全启式安全阀：
$A={{\pi{d^2}}\over{4}}\tag{14}$
b.平面密封型微启式安全阀：
$A=\pi dh\tag{15}$
c.锥面密封型微启式安全阀：
$A = \pi d h \sin\varphi \tag{16}$

式中：

d—安全阀最小流道直径（全启式安全阀喉径或微启式安全阀阀座直径），mm

h—安全阀开启高度，mm

φ—密封面的半锥角，度

6.计算实例

工程设计过程中，有一盛放无水氟化氢液体的储罐，对其适用的安全阀进行计算选型。

6.1设备工况及物料性质

对象无水氟化氢储罐为一椭圆封头卧式储罐，设备工况及物料性质见表3。

表3 设备工况及物料性质

项目	参数
容积	25㎥
直筒段尺寸	L7200mm×D2200mm
正常液位高度	1.8m
设计压力	0.6MPa(G)
设计温度	50℃
正常工作压力	0.03MPa(G)
正常工作温度	15℃
储存介质	无水氟化氢
储存介质物化性质	分子量：20.01，沸点：19.5℃，临界温度：461.15K，临界压力：6.48MPa(A)，气体绝热指数：1.399
储罐放置位置	储罐放置于车间内一层地面
伴热或伴冷情况	有伴冷外盘管，无伴热
绝热层情况	储罐表明包裹有40cm保冷层

事故状况下，安全阀泄放气体通过管道，送往吸收塔处理，吸收塔处理后的塔顶出气由引风机抽送高位放空，故安全阀背压可视为常压。

6.2安全阀工艺数据计算

对象储罐设计压力Pe=0.6MPa(G)，由式1得整定压力Ps，则安全阀各压力参数：

Ps=0.55MPa(G)=0.65MPa(A)

Pd=0.60MPa(G)=0.70MPa(A)

Po=0MPa(G)=0.10MPa(A)

对象储罐为卧式椭圆封头容器，无保温层，有保冷层，因此按照无保温情况进行安全泄放量计算。将对象储罐直筒长L和直径D带入式4计算得润湿面积：

A=44.93㎡

有保冷层，则外壁校正系数：

F=1.0

查物性手册得泄放压力下无水氟化氢气化潜热：

H=260kJ/kg

将A、F、H带入式2，计算得安全泄放量：

Ws=22215kg/h

查物性手册得气体氟化氢绝热指数、摩尔质量、泄放压力下饱和温度^[6]：

k=1.399 M=20.01kg/kmol T=373.15K

将k带入式7得：

Po/Pd=0.14 < Pc/Pd=0.53

因此安全阀工况满足临界条件。再将k带入式11得氟化氢气体绝热指数：

C=356

排放物为氟化氢气体，故选用波纹管全启式安全阀，取排放系数：

K=0.65

按照式12和式13，计算泄放时氟化氢气体的对比压力和对比温度：

Pr=0.11 Tr=0.81

根据Pr及Tr，在图1中查的氟化氢气体压缩系数：

Z=0.92

将Ws、C、K、Pd、M、Z、T数值带入式9中，计算得安全阀最小泄放面积为：

A=7475mm2

因为选用全启式安全阀，将A带入式14计算最小流道直径（喉径）：

d=98mm 圆整为DN100

6.3安全阀选型

查找安全阀标准型号手册^[2]，在外部火灾事故下，对象无水氟化氢储罐所需安全阀参数见表4。

表4 安全阀选型参数

参数	值
形式	波纹管全启式安全阀
型号	WA42Y-16P
喉径	DN100
进口直径	DN150
出口直径	DN200
材质	阀体：ZG1Gr18Ni9Ti，阀芯：1Cr18Ni9Ti
整定压力	0.55MPa(G)

结论

安全阀是安全生产系统的重要组成部分，选择合适的安全阀是工程设计中不可轻视的一环。对安全阀进行选型，关键在于计算事故情况下的安全泄放量，进而确定需要安全阀的最小流道面积。本文对外部火灾下氟化氢卧式储罐所需设置的安全阀进行了计算选型。而其他事故情况只需改变相应的安全泄放量的计算公式，按照本文步骤亦可得到所需安全阀的参数。因此本文可在以后工作中起到模板作用。

参考文献

李世玉等. 压力容器设计工程师培训教程. 第1版. 北京：新华出版社，2005年10月； ↩
徐宝东等.化工管路设计手册.第1版.北京：化学工业出版社.2012年1月； ↩ ↩
《安全阀的设置和选用》（HG/T20570.2-95）； ↩ ↩ ↩ ↩
《压力容器》(GB150-2011)； ↩ ↩
《压力管道安全技术监察规程—工业管道》（TSGD0001-2009） ↩
刘光启等.《化学化工物性数据手册-无机卷》.第1版.北京：化学工业出版社.2002年4月。 ↩