控制閥故障工況下安全閥泄放量的計算

曹 虎，周 琛，黃世勇， 王富麗

（1.北京石油化工工程有限公司上海分公司，上海 200032；2. 廣西化工研究院，廣西 南寧 530001）

化學(xué)工程

控制閥故障工況下安全閥泄放量的計算

曹 虎1，周 琛1，黃世勇1， 王富麗2

（1.北京石油化工工程有限公司上海分公司，上海 200032；2. 廣西化工研究院，廣西 南寧 530001）

準(zhǔn)確確定安全閥的泄放量是安全閥選型的關(guān)鍵之一。標(biāo)準(zhǔn)《HG/T 20570.2-1995 安全閥的設(shè)置和選用》中針對控制閥故障工況下液體泄放量的計算未提供有效的計算公式。本文通過工程經(jīng)驗總結(jié)，提供一種控制閥故障工況下安全閥液體泄放量的計算方式，并舉例說明了其使用方法。

安全閥；控制閥故障；液體泄放量；計算公式

當(dāng)前新建煉油生產(chǎn)裝置均趨向大型化，集中處理，生產(chǎn)過程連續(xù)，自動化程度高，但是一旦生產(chǎn)中發(fā)生事故，造成的危害和損失也隨之增大[1]。安全閥作為一種安全保護(hù)用閥，可以保證鍋爐、壓力容器和壓力管道的安全運(yùn)行，在出現(xiàn)超壓時為保護(hù)系統(tǒng)安全而進(jìn)行有效泄放[2]。安全閥選型非常重要，其中準(zhǔn)確確定安全閥的泄放量是關(guān)鍵參數(shù)之一[3]。

《HG/T 20570.2-1995 安全閥的設(shè)置和選用》（下文簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》）是國內(nèi)計算和選用安全閥可以參考的主要標(biāo)準(zhǔn)之一。雖然其提供了部分事故工況下泄放量的計算公式，但是尚不足以滿足所有工程計算的需要。因此，已有工程技術(shù)人員在工程實踐過程中，對各種事故工況下安全閥泄放量的計算規(guī)律進(jìn)行過探索和總結(jié)[4-6]。常見的安全閥事故工況包括熱膨帳、控制閥故障、換熱器管破裂、外部火災(zāi)等[7]。在這些工況中，除了控制閥故障情況下的液體管道外，其他工況下安全閥泄放量，《標(biāo)準(zhǔn)》均提供了計算公式。針對控制閥故障情況下的液體管道，《標(biāo)準(zhǔn)》僅提及安全閥的泄放量等于“控制閥最大通過量與正常流量之差”，未作進(jìn)一步分析和計算。此處的“控制閥最大通過量”不能理解為工藝裝置正常運(yùn)行中可能出現(xiàn)的最大流量（即穩(wěn)態(tài)最大流量），而應(yīng)視為在泄放工況下，閥門全開時控制閥所能通過的液體流量。關(guān)于全開工況下閥門通過的液體流量計算，目前鮮有研究。工程實踐中，遇到此種情況，常以正常流量乘以一定倍數(shù)的安全裕量作為控制閥的最大通過量。這種經(jīng)驗做法，缺乏理論分析支持，會帶來安全隱患。

本文針對這一情況，根據(jù)實際工程經(jīng)驗，在一定條件下，建立經(jīng)驗公式對控制閥故障工況下液體泄放量進(jìn)行初步計算，以便對項目初期安全閥選型給予更為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持。

1 計算原理簡述

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《HG/T 20570.2-1995 安全閥的設(shè)置和選用》可知，在控制閥故障工況下準(zhǔn)確得到“控制閥最大通過量”是計算的關(guān)鍵，即閥門全開時通過液體流量的計算?？刂崎y所能通過的物料量受介質(zhì)密度、閥門壓降和閥門流量系數(shù)等的影響。其中，介質(zhì)密度、閥門壓降等工程參數(shù)一般可以直接得到。閥門流量系數(shù)（CV）是在給定行程下，閥門兩端壓差為1 lb·in-2時，溫度為60 ℉的水，每分鐘流經(jīng)控制閥的體積（以美國加侖USgal表示）[8]。流量系數(shù)CV一般需要通過特定公式進(jìn)行計算，具體如下所示。

計算液體介質(zhì)的流量系數(shù)CV，應(yīng)首先判別流體是否為阻塞流。判別式如式（1）所示。

式中：Δp為閥門入口與出口壓差，kPa；p1為閥門入口處壓力，kPa；pv為液體的飽和蒸汽壓，kPa；FL為壓力恢復(fù)系數(shù)（FL值是閥體內(nèi)部幾何形狀的函數(shù)，它表示控制閥內(nèi)流體流經(jīng)縮流處之后動能變成靜壓的恢復(fù)能力）；FF為液體臨界壓力比系數(shù)。

其中，F(xiàn)F可由式（2）近似確定。

式中：pv為液體的飽和蒸汽壓，kPa；pc為液體臨界壓力，kPa。

1.1 非阻塞流

若式（1）成立，則流體為非阻塞流。此時控制閥的流量系數(shù)CV可以按式（3）計算。

式中：QL為液體體積流量，m3·h-1；ρ/ρ0為液體的相對密度；Δp為閥門入口與出口壓差，kPa。

1.2 阻塞流

若式（1）不成立，則流體為阻塞流。此時控制閥的流量系數(shù)C 按式（4）計算。

式中：QL為液體體積流量，m3·h-1；ρ/ρ0為液體的相對密度；p1為閥門入口處壓力，kPa；pv為液體的飽和蒸汽壓，kPa；FF為液體臨界壓力比系數(shù)；FL為壓力恢復(fù)系數(shù)。

2 計算的前提假設(shè)

由式（3）或式（4）可以看出，要想計算通過控制閥的流量QL，除了需要知道物料的物性參數(shù)，還需要知道閥門全開時的CV和FL值。其中，閥門的流量系數(shù)CV與閥門的流量特性有著密切關(guān)系?？刂崎y的流量特性是指在閥門兩端壓差保持恒定的條件下，閥門流量系數(shù)與它的行程之間的關(guān)系?？刂崎y的流量特性有線性特性、等百分比特性及拋物線特性3種。在工程實踐中，最常用的控制閥基本都為等百分比特性閥門。

如果閥門已經(jīng)采購，可以由供貨商提供這些參數(shù)。但是，在實際工藝設(shè)計過程中，計算安全閥的泄放量時，控制閥的詢價可能尚未完成。如果需要計算控制閥故障工況下的泄放量，則需要假設(shè)部分工程參數(shù)如下所示。

1) 假定閥門的流量特性曲線為等百分比特性。其特點是在閥門行程的每一點上單位行程變化所引起的流量變化與此點的流量成正比，即流量變化的百分比是相等的。在此條件下，CV值可以按式（5）進(jìn)行估算。

式中：a為與閥門有關(guān)的常數(shù)；x為閥門行程。

2) 一般正常操作時等百分比特性的調(diào)節(jié)閥其開度宜在30%～75%之間。假定工藝裝置穩(wěn)態(tài)最大流量對應(yīng)的閥門行程為75%，指定閥門流量系數(shù)為CV1。當(dāng)閥門因故障全開時（閥門行程為100%），指定閥門流量系數(shù)為CV2。

3) 閥門因類別的不同壓力恢復(fù)系數(shù)FL在0.5～0.9之間，而大多數(shù)控制閥門的FL在0.8～0.9之間。出于計算的方便，本文假定FL= 0.85。

3 計算實例

為了進(jìn)一步說明式（3）和（4）的使用方法，下面舉例說明其計算過程。如圖1所示，該系統(tǒng)包括壓力容器R1和R2，其中R1中的物料經(jīng)過控制閥V1進(jìn)入R2，擬對R2的安全閥進(jìn)行選型計算。

圖1 安全閥泄放流程簡圖

假定壓力容器R2的安全閥泄放原因包含控制閥V1故障工況；容器R1內(nèi)物料為水，不含不溶氣，且處于沸點，正常操作壓力是10 barg，最大操作壓力為15 barg；容器R2的正常操作壓力是2 barg，設(shè)計壓力為3.5 barg；正常工況下，控制閥的最大流量為20t·h-1，正常流量為16t·h-1。則已知參數(shù)如下：p1=10barg =1000kPa；p2=2barg=200 kPa；Δp=8barg= 800kPa；ρ=880kg·m-3；QL=20000kg·h-1= 22.73m3·h-1；pv=11barg=1100 kPa；pc=221barg=22100 kPa；FL= 0.85。

因此，當(dāng)控制閥流量最大（閥門行程為75%）時，流量系數(shù)CV1為：

當(dāng)控制閥全開（閥門行程為100%）時，流量系數(shù)CV2按式（5）進(jìn)行計算。

CV2= (e-1)/(e0.75-1) × CV1= 1.54 × 25.6 = 39.4。

當(dāng)R2處于泄放工況時，假定R1處于最大操作壓力（15 barg）之下，且容器內(nèi)的水處于沸點（201℃），R2內(nèi)壓力達(dá)到3.5 barg。所以各項已知參數(shù)如下：p1′= 15 barg = 1500 kPa；p2′= 3.5×1.1 = 3.85 barg = 385 kPa；Δp′= 11.15 barg = 1115 kPa；p′= 860 kg·m-3；pv′= 16 barg =1600 kPa；pc= 221 barg = 22100 kPa；FL= 0.85。

由式（1）可得：Δp′-FL2(p1′-FF′pv′)= 982 kPa＞0，流體形成阻塞流。將式（3）變形可得：

帶入相關(guān)工程參數(shù)進(jìn)行計算，由計算結(jié)果可知閥門全開時，控制閥的通過量為：QL′ = 42.5 m3·h-1= 36.6 t·h-1。

一般來講，基于此種方式計算獲得的流量可以加上10%的安全裕量作為“控制閥最大通過量”。則容器R2頂部安裝的安全閥在控制閥故障工況下的泄放量為：Q = 36.6×1.1-16 = 24.3 t·h-1。

4 結(jié)論

安全閥泄放量的計算事關(guān)重大，直接決定安全閥的選型。如果因為標(biāo)準(zhǔn)《HG/T 20570.2-1995 安全閥的設(shè)置和選用》中未提供計算公式，或者因為控制閥詢價尚未結(jié)束而無法計算，安全閥的采購進(jìn)度將會受到影響。本文根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗，建立了一種控制閥故障工況下安全閥液體泄放量的計算方法。在項目設(shè)計階段，可以依照本文介紹的方法先行對涉及控制閥故障工況的安全閥進(jìn)行計算，待控制閥采購結(jié)束后，再借助供貨商提供的資料修正安全閥泄放量。

[1] 冷傳斌. HAZOP分析在新建煉廠酸性氣處理裝置中的應(yīng)用[J].化工技術(shù)與開發(fā)，2011，40(11)：56-58.

[2] 趙來會，陳小寧.石油天然氣工程安全閥選型與熱泄放計算[J].廣東化工，2011，38(5)：243-244.

[3] 劉書華.淺議LNG低溫儲罐安全閥泄放量的確定[J].化工設(shè)計，2011，21(6)：16-17.

[4] 張璐璐,，李漢，王波，等.多晶硅精餾塔系統(tǒng)中安全閥泄放量的計算[J].化學(xué)工程，2011，39(1)：94-97.

[5] 王江峰.超臨界壓力下火災(zāi)工況安全閥泄放量的計算[J].化工設(shè)計，2010，20(1)：29-32.

[6] 張鋒.液化石油氣儲罐安全閥的工藝計算[J].煉油技術(shù)與工程，2004，34(7)：55-57.

[7] HG/T 20570.2-1995, 安全閥的設(shè)置和選用[S].

[8] 陸德民.石油化工自動控制設(shè)計手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：908-913.

Calculation of Relief Capacity of Process Safety Valve under Control Valve Failure

CAO Hu1, ZHOU Chen1, HUANG Shi-yong2, WANG Fu-li2
(1.Shanghai Branch, Beijing Petrochemical Engineering Co. Ltd., Shanghai 200032, China; 2. Guangxi Research Institute of Chemical Industry, Nanning 530001, China）

It was one of the key factors for the selection of process safety valve (PSV), that was to accurately determine PSV discharge. In the standards,《HG/T20570.2-1995 Setting and Selection of PSV》, the formula to calculate the liquid relief capacity of PSV under control valve failure was not introduced. Basing on some engineering experiences, this paper provided a kind of calculation method to quantify the liquid relief capacity of PSV under control valve failure. Moreover, a example was illustrated to explain how to use this calculation method.

PSV; control valve failure; liquid relief capacity; calculation formula

TQ 055.8

A

1671-9905(2014)08-0046-03

曹虎（1980-），男，湖南武岡人，工程師，碩士，主要從事石油化工項目工藝設(shè)計和咨詢工作，Email：xjcctv@sina.com

2014-07-02