管殼式換熱器安全閥優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

鐘文思

摘 要：以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國外工程公司的設(shè)計(jì)處理為基礎(chǔ)，分析了管殼式換熱器的4種安全閥泄放工況。簡要介紹了相關(guān)的計(jì)算公式，說明了泄放量計(jì)算所需的主要參數(shù)，闡述了國外工程公司設(shè)計(jì)管殼式安全閥遵循的原則，并列舉了一些工程實(shí)例。

關(guān)鍵詞：管殼式換熱器；安全閥；主要參數(shù)；處理方法

中圖分類號：TQ051.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.107

隨著我國經(jīng)濟(jì)的增長和技術(shù)的發(fā)展，換熱器被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中，它的普及進(jìn)一步推動(dòng)了社會的發(fā)展。但是，換熱器的工況比較復(fù)雜，所以，安全閥的設(shè)置顯得十分重要。因此，如何根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)換熱器的安全閥已經(jīng)成為了工作人員急需解決的問題。

1 換熱器安全閥泄放工況

在設(shè)置換熱器安全閥時(shí)，需要考慮4種工況，即出口閥關(guān)閉、熱脹、火災(zāi)和換熱管破裂。對于管殼式換熱器，應(yīng)逐一進(jìn)行工況超壓分析，在設(shè)計(jì)換熱器安全閥設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮換熱器安全管理，安全閥設(shè)置判斷、分析，換熱器泄放計(jì)算等非常復(fù)雜的問題，而這些問題困擾了很多設(shè)計(jì)人員。為此，提出了在設(shè)置安全閥時(shí)，安全閥泄放量的詳細(xì)計(jì)算方法。

2 出口閥關(guān)閉工況

當(dāng)管殼式換熱器冷側(cè)介質(zhì)出口閥關(guān)閉時(shí)，熱側(cè)介質(zhì)仍處于操作狀態(tài)，冷側(cè)則可能會發(fā)生氣化，引起超壓。如果冷側(cè)介質(zhì)在熱側(cè)介質(zhì)入口溫度下的飽和蒸汽壓不超過冷側(cè)設(shè)計(jì)壓力的1.3倍，則可以不考慮該工況，否則，冷側(cè)需要設(shè)置安全閥。冷側(cè)泄放量可按照公式計(jì)算：

式（1）（2）中：W為泄放量，kg /h；Q為換熱器正常操作熱負(fù)荷，kJ/h；T1為熱側(cè)流體入口溫度，℃；Tbp為冷側(cè)泄放壓力下飽和溫度，℃；λ為在Tbp 時(shí)的氣化潛熱，kJ/kg；tav為冷側(cè)平均溫度，℃；t1為冷側(cè)入口溫度，℃；t2為冷側(cè)出口溫度，℃。

以某硫酸法烷基化裝置的烷基化油—循環(huán)堿水換熱器為例，1臺型號為BES500-1.35/1.50-55-6/25-4I的換熱器，管程走冷堿水，殼程走烷基化油，操作參數(shù)如表1所示。

當(dāng)冷堿水在熱側(cè)的烷基化油入口溫度為161 ℃時(shí)，飽和蒸汽壓（表）為0.63 MPa，小于管程設(shè)計(jì)壓力（表）1.35 MPa，所以，無需考慮冷側(cè)出口閥關(guān)閉氣化工況。

3 熱脹工況

當(dāng)換熱器冷側(cè)出入口閥或管路上相關(guān)的調(diào)節(jié)閥等關(guān)閉時(shí)，

熱側(cè)仍然處于操作狀態(tài)或從日光中吸熱。這時(shí)，冷側(cè)會發(fā)生熱膨脹而超壓，冷側(cè)需要設(shè)置安全閥，烴類和水的典型膨脹系數(shù)如表2所示。泄放量可式（3）求得：

W1=αvφ/1 000dc. （3）

式（3）中：W1為泄放流量，m3/s；αv為體積膨脹系數(shù)，1/℃；φ為傳熱速率，W。

液體體積膨脹系數(shù)由式（4）求得：

αV=（ρ12-ρ22）/[2（T2-T1）ρ1ρ2]. （4）

式（4）中：ρ1為T1溫度下的液體密度，kg/m3；ρ2為T2溫度下的液體密度，kg/m3。

注：*為15.6 ℃下的數(shù)值

以中烷基化油-循環(huán)堿水換熱器為例，當(dāng)冷側(cè)冷堿水在出入口的閥關(guān)閉時(shí)，熱側(cè)烷基化油仍然給冷側(cè)加熱，那么，冷側(cè)冷堿水的體積膨脹系數(shù)按照公式計(jì)算可得αv=5.18×10-4 1/℃，按照公式計(jì)算得泄放量為1.11×10-4 m3/s，約為400.5 kg/h。

4 火災(zāi)工況和參數(shù)計(jì)算

當(dāng)設(shè)備暴露于火災(zāi)下時(shí)，是因?yàn)閾Q熱器內(nèi)介質(zhì)氣化或膨脹而引起超壓。在火災(zāi)工況下，所有進(jìn)出系統(tǒng)的物流都會終止，內(nèi)部的加熱源也會停止，所有工藝過程假定停止。

火災(zāi)工況泄放量W的計(jì)算公式為：

W=0.859 8φ/λ. （5）

在計(jì)算熱通量φ時(shí)，如果壓力容器有消防設(shè)施和足夠的可燃物質(zhì)排放系統(tǒng)，那么，火災(zāi)熱通量可用式（6）計(jì)算；如果無消防設(shè)施和足夠的可燃物質(zhì)排放系統(tǒng)，那么，火災(zāi)熱通量用式（7）計(jì)算。

φ=C1FAws0.82. （6）

φ=C2FAws0.82. （7）

式（6）（7）中：C1為常數(shù)，43 200；C2為常數(shù)，70 900；F為環(huán)境因數(shù)；AWS為受熱潤濕面積，m2。

在計(jì)算環(huán)境因數(shù)F時(shí)，未保溫的容器F=1.如果使用保溫材料的容器，那么，環(huán)境因素F可由式（8）求得：

F=k（a-Tf）/Ct. （8）

式（8）中：Tf為泄放條件下的容器溫度，℃。

發(fā)生火災(zāi)后，保溫材料不能抵抗900 ℃的高溫2 h以上，所以，環(huán)境因數(shù)采用數(shù)值1.

氣化潛熱可以使用文獻(xiàn)值或流程模擬數(shù)值，對于臨界區(qū)域，可采用最小值115 kJ/kg。對于有些操作介質(zhì)，比如常減壓蒸餾裝置減壓塔底油，氣化溫度高于設(shè)備的承受溫度，此時(shí)，火災(zāi)安全閥應(yīng)考慮介質(zhì)的熱裂解。

5 其他國際工程公司的處理方法

5.1 殼牌公司

對于超過2 h才到達(dá)泄放工況，并且有完好的消防設(shè)施，不予考慮，但是，會排除介質(zhì)存在發(fā)生反應(yīng)的危險(xiǎn)。當(dāng)潛在的設(shè)備失敗后，會泄放大量的有毒物質(zhì)。換熱器處于以下2中情況時(shí)，可不作為火災(zāi)工況考慮：①利用一些必要的行政管理手段，規(guī)定一旦換熱器隔斷后，要立即將其中的液體排放掉。②在正常操作時(shí)，火災(zāi)的泄放負(fù)荷可泄放至其他處。當(dāng)換熱器介質(zhì)為液化天然氣時(shí)，需要考慮火災(zāi)工況氣相泄放保護(hù)；當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，換熱器介質(zhì)有潛在的反應(yīng)危險(xiǎn)時(shí)，需要考慮火災(zāi)氣相泄放保護(hù)；固定管板式換熱器殼側(cè)按壓力容器考慮，對于容積大于500 L容器，通常需要設(shè)置火災(zāi)工況安全閥。

5.2 柏克德公司

在4 h內(nèi)，火災(zāi)吸收的熱量在泄放壓力下，液相介質(zhì)達(dá)到泡點(diǎn)時(shí)，則不考慮設(shè)置火災(zāi)安全閥。假設(shè)危險(xiǎn)已經(jīng)消除或業(yè)主放棄該設(shè)備，那么，對于不同的設(shè)備，在這4 h內(nèi)是需要進(jìn)行評估的。

5.3 ExxonMobil公司

通常的換熱器系統(tǒng)不需要設(shè)置火災(zāi)安全閥，因?yàn)楫?dāng)換熱器系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，它可以利用暢通的通道到達(dá)塔或罐。對于設(shè)置前后切斷閥和副線閥的單臺換熱器，有2種選擇——設(shè)置火災(zāi)安全閥或利用行政管理手段消除該工況，即一旦換熱器隔斷后，應(yīng)立即將其中的液體排放掉，甚至可在隔斷閥和副線閥處設(shè)置醒目的標(biāo)識牌。

5.4 實(shí)際工程應(yīng)用

以中烷基化油-循環(huán)堿水換熱器為例，當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，殼程前后切斷閥關(guān)閉，殼程側(cè)烷基化油可能會超壓，但是，這些動(dòng)作最終都需要與業(yè)主溝通。在換熱器前后切斷閥和副線閥處設(shè)置醒目的標(biāo)識牌，并且要求操作人員在換熱器前后切斷閥關(guān)閉時(shí)，立即排放掉換熱器內(nèi)的操作介質(zhì)，進(jìn)而將火災(zāi)工況安全閥泄放消除掉。

6 換熱管破裂工況

換熱器低壓側(cè)（包括上下游系統(tǒng)）的水壓試驗(yàn)壓力低于高壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力時(shí)，則應(yīng)考慮是換熱器換熱管斷裂。如果在管程和殼程設(shè)計(jì)壓力中，低壓側(cè)大于高壓側(cè)的10/13，則可以不考慮該工況，否則，需要考慮換熱管破裂。

在計(jì)算換熱管破裂泄放量時(shí)，換熱管破裂考慮單根管高壓側(cè)介質(zhì)流入低壓側(cè)介質(zhì)，可假定換熱管在管板背面一側(cè)，高壓流體通過留在管板中的管接頭和另一處管子斷面比較長的部分。

7 結(jié)束語

綜上所述，在設(shè)計(jì)管殼式換熱器安全閥時(shí)，要依據(jù)出口閥關(guān)閉、熱脹、火災(zāi)和換熱管破裂這4種不同工況來設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)的同時(shí)還應(yīng)該考慮到換熱器的生產(chǎn)維修方式，這樣才能全方位地保證管殼式換熱器處于正常的運(yùn)行情況，為企業(yè)創(chuàng)造更好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：白潔〕