兩種安全閥設(shè)置方法的比較

文　征

(中國(guó)寰球工程公司煤化工和無機(jī)化工事業(yè)部，北京　100012)

?

兩種安全閥設(shè)置方法的比較

文征

(中國(guó)寰球工程公司煤化工和無機(jī)化工事業(yè)部，北京100012)

摘要：化工石化裝置中安全閥的設(shè)置一般是每個(gè)壓力系統(tǒng)安全閥的設(shè)置數(shù)量盡可能少。本文用實(shí)例比較這種安全閥設(shè)置方法和相同條件下采用多個(gè)安全閥設(shè)置的方法。通過計(jì)算得到基于這兩種安全閥設(shè)置方法所建立的安全泄放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，并對(duì)這兩個(gè)安全閥系統(tǒng)進(jìn)行定量和定性分析，得出兩個(gè)系統(tǒng)性能上的差別和對(duì)其它設(shè)備和裝置的影響。最后說明應(yīng)根據(jù)具體情況合理選擇安全閥設(shè)置方法。

關(guān)鍵詞：安全閥設(shè)置；單個(gè)安全閥；多個(gè)安全閥；備閥

0引言

安全閥是石油天然氣工業(yè)生產(chǎn)裝置里最重要的保護(hù)措施之一[1，2]。對(duì)于它的設(shè)計(jì)主要集中在泄放工況分析、泄放量計(jì)算、喉徑尺寸計(jì)算、安全閥出入口管線設(shè)計(jì)等方面。但對(duì)于安全閥設(shè)置，除了對(duì)備閥設(shè)置有相應(yīng)規(guī)定外，其它方面說明甚少。

傳統(tǒng)的安全閥設(shè)置一般是以最大泄放量工況為基礎(chǔ)，根據(jù)API526規(guī)定選取相應(yīng)尺寸的安全閥。選取時(shí)，泄放量在安全閥額定流通范圍內(nèi)，只選取一個(gè)安全閥。這種設(shè)置方法簡(jiǎn)單、安全。

在相同條件下，多安全閥設(shè)置是在保證足夠泄放量的前提下，以安全閥設(shè)置的合理性為目標(biāo)，通過將一個(gè)大排量的安全閥合理地分成幾個(gè)小排量的安全閥，從而控制總泄放量有一個(gè)合理的泄放余量。這種設(shè)置方法與單安全閥設(shè)置法相比，在控制額定泄放量、減小火炬總管乃至整個(gè)火炬系統(tǒng)尺寸及其所需的公用工程用量、減少機(jī)械設(shè)計(jì)負(fù)荷、減小環(huán)境污染等方面有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。

1單安全閥與多安全閥設(shè)置方法

下面通過一個(gè)例子來介紹單安全閥和多安全閥設(shè)置過程，特別說明如何為系統(tǒng)選擇多個(gè)安全閥的方案。某壓力系統(tǒng)安全閥設(shè)定壓力為12ba，泄放溫度為60℃，泄放量為40000kg/h。

單安全閥設(shè)置過程為首先根據(jù)PAI520標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算得到必需的泄放面積為42.85cm2[3]，然后根據(jù)API526標(biāo)準(zhǔn)選擇Q級(jí)喉徑(喉徑尺寸為71.20cm2)[4]安全閥，同時(shí)設(shè)置一個(gè)相同喉徑的安全閥為備閥。泄放條件和詳細(xì)設(shè)計(jì)結(jié)果見表1：對(duì)于多安全閥設(shè)置，可以分別設(shè)置2、3、4個(gè)安全閥進(jìn)行計(jì)算并比較結(jié)果，再擇優(yōu)選取。根據(jù)API520規(guī)定，多安全閥系統(tǒng)其余安全閥設(shè)定壓力為第一個(gè)安全閥設(shè)定壓力的105%，超壓為116%。多安全閥泄放物性及設(shè)計(jì)結(jié)果見表2～7：

表1　單安全閥泄放條件及設(shè)計(jì)結(jié)果

注：*需要泄放量與額定泄放量的比值

表2　兩個(gè)安全閥方案1的泄放物性及設(shè)計(jì)結(jié)果

表3　兩個(gè)安全閥方案2的泄放物性及設(shè)計(jì)結(jié)果

表4　三個(gè)安全閥方案1的泄放物性及設(shè)計(jì)結(jié)果

表5　三個(gè)安全閥方案2的泄放物性及設(shè)計(jì)結(jié)果

表6　四個(gè)安全閥方案1的泄放物性及設(shè)計(jì)結(jié)果

表7　四個(gè)安全閥方案2的泄放物性及設(shè)計(jì)結(jié)果

上面所列結(jié)果表明，安全閥個(gè)數(shù)增加有利于精確控制排放總量，同時(shí)表明當(dāng)安全閥設(shè)置由一個(gè)變?yōu)閮蓚€(gè)時(shí)，增加效果最為明顯。對(duì)于安全閥泄放余量的選擇可以從如下幾個(gè)方面考慮：

1)假設(shè)基礎(chǔ)。安全閥泄放量計(jì)算的假設(shè)基礎(chǔ)是建立在最苛刻的條件下；

2)計(jì)算公式。API520中的安全閥計(jì)算公式是建立在理想氣體絕熱膨脹過程的基礎(chǔ)上，對(duì)于可壓縮氣體(Z<1.0)是個(gè)保守的計(jì)算方法；

3)安全閥泄放余量即安全閥額定排放量大于需要泄放量；

在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，安全閥泄放余量取10%～20%為宜。由于在安全閥計(jì)算和選擇過程中都存在一定的余量，所以一般單安全閥的設(shè)置，特別是對(duì)大排量的工況，往往會(huì)過度設(shè)計(jì)。

綜上，兩個(gè)安全閥方案2為最優(yōu)。這個(gè)方案安全閥數(shù)量少，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；同時(shí)額定排放量控制精確。

2基于兩種設(shè)置方法的安全閥系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較

選擇單安全閥和兩個(gè)安全閥方案2形成的安全閥泄放系統(tǒng)進(jìn)行比較。通過對(duì)安全閥系統(tǒng)設(shè)計(jì)尺寸，相關(guān)設(shè)備尺寸及其它方面的比較，說明兩者的區(qū)別。

2.1　安全閥出入口管徑

安全閥出入口管線設(shè)計(jì)流量應(yīng)為額定泄放量，假設(shè)入口管線當(dāng)量長(zhǎng)度為50m，普通安全閥，動(dòng)被壓不超過超壓的10%，火炬總管壓力為0.05ba。表8列出了設(shè)計(jì)結(jié)果數(shù)據(jù)：

表8　安全閥出入口管線尺寸的設(shè)計(jì)結(jié)果

注：*包括備閥

多安全閥系統(tǒng)排放管線尺寸比較小，有利于排放管線的布置。隨著排放管線尺寸增大，布置會(huì)越來越困難。

2.2　火炬總管

為了說明排放量對(duì)火炬的影響[5]，假設(shè)某公用工程故障導(dǎo)致10個(gè)相同的安全閥同時(shí)開啟，向火炬排放，要求火炬總管馬赫數(shù)<0.7。表9列出火炬總管尺寸：

表9　火炬總管設(shè)計(jì)結(jié)果

由于火炬總管尺寸的減小，與之相關(guān)的分液罐、液封罐、火炬柱及吹掃密封用公用工程消耗量也隨之減少；同時(shí)，火炬燃燒產(chǎn)生的廢氣、熱輻射和聲光噪音污染也相應(yīng)減少。

2.3　排放反力

假設(shè)采用放空系統(tǒng)，安全閥排放反力計(jì)算結(jié)果見表10：

F排放點(diǎn)出的反力，N；

W氣體流量，kg/s；

K比熱比；

T溫度，K；

M分子量，kg/kmol；

A排放面積，mm2；

P排放點(diǎn)處?kù)o壓，barg。

表10　安全閥排放反力比較

上述排放反力結(jié)果為靜態(tài)數(shù)據(jù)，對(duì)于動(dòng)態(tài)過程做如下分析：

由于多安全閥的設(shè)定壓力不同，安全閥工作時(shí)，第一個(gè)安全閥先打開，當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到第二個(gè)設(shè)定壓力時(shí)，其它安全閥再打開。從第一個(gè)安全閥起跳到達(dá)到最大泄放量時(shí)的時(shí)間要大于一個(gè)安全閥的設(shè)置，所以多安全閥系統(tǒng)中排放反力在單位時(shí)間的變化要小于單安全閥系統(tǒng)，這可以得出多安全閥排放時(shí)所產(chǎn)生的反力對(duì)相關(guān)設(shè)備的影響較小。

2.4　其它定性說明

上述對(duì)安全閥及其相關(guān)系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了定量分析，表明了兩種設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)出的安全閥系統(tǒng)的差別。下邊將對(duì)其它有關(guān)經(jīng)濟(jì)，環(huán)境，安全等方面的區(qū)別進(jìn)行定性說明。

(1)震顫和頻跳[5]是影響安全閥使用壽命的主要因素，也是破壞安全閥操作性能的主要原因。產(chǎn)生這兩種不正?，F(xiàn)象的主要原因就是安全閥排放過程中產(chǎn)生的超壓不夠；同時(shí)振顫和頻跳也減少額定泄放量。也就是說，控制合理的泄放余量將有利于保護(hù)安全閥和保障安全閥的操作性能。

(2)根據(jù)API520 I中規(guī)定，對(duì)多個(gè)安全閥的系統(tǒng)來說，除第一個(gè)安全閥外，其它的安全閥設(shè)定壓力可以是第一個(gè)的105%[4]。這保證了在安全閥泄放的初期和末期，當(dāng)泄放量較小時(shí)不會(huì)引起安全閥震顫和頻跳。設(shè)定壓力高的安全閥相比設(shè)

定壓力低的有更好的密封性。對(duì)于第一個(gè)安全閥和單安全閥相比，在相同設(shè)定壓力下，需要密封面積小，安全閥泄漏量更低。

此外，多安全閥可以有更高的超壓，可以用較小的泄放面積泄放相同的量。同時(shí)可以提高安全閥背壓，從而減小排放管線尺寸。

(3)由于安全閥是非經(jīng)常操作設(shè)備，單安全閥設(shè)置中的是全尺寸備閥，每個(gè)閥(包括備閥)使用頻率低；多安全閥設(shè)置中，總有兩個(gè)閥是處于工作狀態(tài)，而且備閥只是替代了一部分排量，大大增加了安全閥的使用率。考慮到設(shè)備折舊，多安全閥設(shè)置有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

(4)單安全閥設(shè)置方法中的排放管線管徑大，配管所需的連續(xù)占地面積和空間大，不利于合理利用空間，使管道設(shè)計(jì)和裝配變得的不靈活，有時(shí)甚者不能滿足排放管線與火炬總管的配管要求。

(5)此外單個(gè)安全閥尺寸變小，重量變輕，有利于拆裝、維修和運(yùn)輸。

3結(jié)論

綜上所述，通過對(duì)安全閥合理的設(shè)置，可以精確的控制安全閥額定泄放量，從而達(dá)到改善安全閥操作性能，延長(zhǎng)安全閥使用壽命，減少相關(guān)設(shè)備尺寸和建造費(fèi)用，降低排放過程對(duì)相關(guān)設(shè)備的影響，減少污染物排放的作用。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]王延宗.石化工藝裝置安全閥設(shè)置方式探討[J].石油化工安全環(huán)保技術(shù)，2011，27(5)：24～26.

[3]American Petroleum Institute.API STANDARD 520 EIGHTH EDITION，DECEMBER 2008 Sizing，Selection，and Installation of Pressure-relieving Devices in Refineries Part I-Sizing and Selection[S].

[4]American Petroleum Institute.API STANDARD 526 SIXTH EDITION，APRIL 2009 Flanged Steel Pressure-relief Valves[S].

[5]American Petroleum Institute.ANSI/API STANDARD 521 FIFTH EDITION，JANUARY 2007 Pressure-relieving and Depressuring Systems[S].

[6]American Petroleum Institute.API RECOMMENDED PRACTICE 520 FIFTH EDITION，AUGUST 2003 Sizing，Selection，and Installation of Pressure-relieving Devices in Refineries Part II-Installation[S].

汽 輪 機(jī)

Comparison of Two Safety Vavle Setting Method

WENZheng

(Department of Coal Chemical Industry and Inorganic Chemical Industry of China

Huanqiu Contracting & Engineering Corporation，Beijing，100012)

Abstract：This article introduces the setting method of safety valve.

Key words：safety valve setting；single safety valve；multiple safety valve；back-up valve

中圖分類號(hào)：TQ055.8+1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1003-6490(2015)01-0071-03

作者簡(jiǎn)介：文征(1987-)，男，2007年畢業(yè)于北京化工大學(xué)，碩士，注冊(cè)化工工程師，主從事石油化工工程設(shè)計(jì)工作。

收稿日期：2014-09-03