呼吸閥及其呼吸量的計算

賈瑋瑋，李發(fā)（安徽省化工設計院，安徽合肥230009）

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呼吸閥及其呼吸量的計算

賈瑋瑋，李發(fā)
（安徽省化工設計院，安徽合肥230009）

摘要：介紹了石油化工中儲罐常用的保護設備呼吸閥的工作原理、選型、呼吸量的計算以及安裝和保護。

關鍵詞：呼吸閥；呼氣量；排放量

1　概述

呼吸閥是一種用于石油、化工、天然氣等行業(yè)的低壓保護設備，它可用來保持儲罐壓力始終處于正常狀態(tài)，降低儲罐內(nèi)揮發(fā)性液體的蒸發(fā)損失，并保持儲罐免受超壓或超真空的破壞。

《石油化工企業(yè)設計防火規(guī)范》（GB50160）規(guī)定了甲B、乙類液體的固定頂罐應設阻火器和呼吸閥；對于采用氮氣或者其它氣體氣封的甲B、乙類液體的儲罐還應設置事故泄壓設備。

儲罐上配套使用氮封閥和阻火器。氮封閥主要用于控制儲罐氮封氣體壓力；阻火器的功能是阻止火焰在氣體管道內(nèi)的傳播以保護儲存有易燃性介質(zhì)的低壓儲罐，它通常與呼吸閥配合使用，以提高儲罐的防火性能和安全性能。

2　工作原理

當儲罐出料或氣候條件影響冷卻時呼吸閥向內(nèi)吸入，當儲罐進料或氣候條件影響受熱時呼吸閥向外呼出，在儲罐受到外部火災時也向外呼出。當儲罐內(nèi)壓力與大氣壓力平衡時，呼吸閥呼出閥瓣與呼出口閥座以及吸入閥瓣與吸入口閥座均嚴密配合。當儲罐內(nèi)壓力超過大氣壓力值時，罐內(nèi)高壓直接作用于呼吸閥瓣下方，克服閥瓣重力以及作用于閥瓣上的外氣壓力，從而打開呼吸閥瓣排出罐內(nèi)過高氣壓，使罐內(nèi)壓力與大氣壓力保持平衡。當儲罐內(nèi)壓力低于大氣壓時，大氣壓通過吸氣通道進入并直接作用于吸入口閥瓣下方，克服閥瓣重力以及作用于閥瓣上方的罐內(nèi)壓力，從而打開吸入口閥瓣向儲罐內(nèi)補充壓力，使罐內(nèi)壓力與大氣壓力保持平衡。當發(fā)生火警時，火源有可能通過進入口向儲罐內(nèi)蔓延。當火焰通過呼吸閥內(nèi)阻火芯層的狹小孔隙時，由于器壁效應，波紋板吸收大量熱源，使熱損失突然增大，從而使火焰熄滅。

設計規(guī)范：API 2000常壓儲罐和低壓儲罐的通氣；SY/T0511- 96石油儲罐呼吸閥和損耗。

3　呼吸閥的選型

目前石油化工企業(yè)常用的呼吸閥可分為三種基本類型：重力式呼吸閥、彈簧式呼吸閥和先導式呼吸閥。

重力式呼吸閥是靠重力來調(diào)節(jié)的。當容器里面的氣壓達到或超過重壓時該閥打開卸壓，其具有結構簡單、維修方便、密封可靠等特點，設計壓力范圍為+2mbarg～+69mbarg，- 2mbarg～- 43mbarg。

彈簧式呼吸閥是用彈簧限位閥板，由正負壓力決定或呼或吸，較重力式呼吸閥設計壓力高，其設計壓力范圍為+69marg～+1.034barg，- 43mbarg～480barg。

先導式呼吸閥由主閥和導閥組成，兩閥先后動作，聯(lián)合完成呼氣和吸氣。導閥一旦打開，主閥就迅速打開；導閥一旦關閉，主閥就迅速關閉。因此，閥門能夠在低于設計壓力10%時保持密封，在高于設計壓力10%時達到全排量。先導式呼吸閥設計壓力范圍為+5mbarg～+1.034barg，- 2mbarg～- 43mbarg。

呼吸閥的閥體材質(zhì)可根據(jù)不同的工況條件選擇鋁合金、碳鋼或不銹鋼，內(nèi)件材質(zhì)均為不銹鋼。先導式呼吸閥的膜片可依據(jù)不同工況條件選擇丁腈橡膠、氟橡膠或三元乙丙膠等。

泄壓人孔（緊急泄放人孔）是一種快速泄壓裝置，相當于一種有預知加重量荷載的單呼閥，但開啟更快速，泄壓效果更好，泄放量大，通常用于保護大型儲罐。

全天候型呼吸閥操作溫度為- 30℃～60℃，普通型呼吸閥操作溫度為0℃～60℃。

4　呼吸量的計算

本計算依據(jù)API STD2000 - 2009編制，參照HG/T20570- 95部分內(nèi)容。

當泵從儲罐輸送出液體時，呼吸閥吸氣。儲罐呼吸閥的吸氣量應大于或等于由于泵抽出儲罐內(nèi)儲存的液體所需的補充氣量和由于外界氣溫變化而產(chǎn)生的儲罐內(nèi)氣體冷凝和收縮所需補充的氣量之和。

圖1　儲罐吸氣示意圖

如圖1所示，泵P- 424抽出儲罐TK- 420內(nèi)液體乙二醇，閃點111.1℃，沸點197.3℃，設計壓力0.02MPa，操作壓力為1bar，操作溫度為常溫。首先計算出外界氣溫變化而產(chǎn)生的儲罐內(nèi)氣體冷凝和收縮所需補充的氣量之和，TK- 420儲罐體積為25.2m3，同時參考表2熱膨脹排放量表，低值和高值分別選擇20 m3和100 m3，低值吸入量和高值吸入量分別為3.37Nm3/h和16.90Nm3/h，得到插值吸入量為4.25 Nm3/h。計算公式為：

插值吸入量=［（高值吸入量-低值吸入量）×（儲罐體積-低值體積）/（高值體積-低值體積）］+低值吸入量

其次，計算儲罐內(nèi)液體流出量，計算公式為：

液體流出量=泵輸出量×液體流出系數(shù)

其中系數(shù)見表1，本例液體為乙二醇，查表選擇系數(shù)為0.94，泵輸出量為25 m3/h，計算得出液體流出量為23.50 Nm3/h。呼吸閥的吸入總量公式為：

吸入量=液體流出量+插值吸入量×4.25

代入數(shù)據(jù)，計算得到呼吸閥的吸入量為27.75 Nm3/h。

當有泵輸送液體進入儲罐時，呼吸閥呼氣。儲罐呼吸閥的呼氣量應大于或等于由于上游泵打入的液體所需的呼出氣量和由于外借氣溫變化而產(chǎn)生的儲罐內(nèi)氣體膨脹所需呼出的氣量之和。

圖2　儲罐排氣示意圖

如圖2所示，泵P- 424輸入儲罐TK- 420內(nèi)液體乙二醇，閃點111.1℃，沸點197.3℃，設計壓力0.02MPa，操作壓力為1bar，操作溫度為常溫。首先計算出由于外借氣溫變化而產(chǎn)生的儲罐內(nèi)氣體膨脹所需呼出的氣量之和，TK- 420儲罐體積為25.2m3，同時參考表2熱膨脹排放量表，低值和高值分別選擇20 m3和100 m3，則低值排放量和高值排放量分別為2.02Nm3/h和10.10Nm3/h，得到插值吸入量為2.55 Nm3/h。計算公式為：

插值排放量=［（高值排放量-低值排放量）×（儲罐體積-低值體積）/（高值體積-低值體積）］+低值排放量

其次，計算儲罐內(nèi)液體輸入量，計算公式為：

其中系數(shù)見表1，本例液體為乙二醇，查表選擇系數(shù)為2.02，泵輸入量為4.46 m3/h，計算得出液體流入量為4.50 Nm3/h。呼吸閥的排放總量公式為：

代入數(shù)據(jù)，計算得到呼吸閥的呼出量為7.05Nm3/h。

表1　呼入與排出液體系數(shù)表

表2　熱膨脹排放量計算表

5　安裝及保養(yǎng)

呼吸閥安裝注意事項：

（1）呼吸閥應安裝在儲罐氣源的最高點，以降低物料蒸發(fā)損耗和以便順利地提供通向呼吸閥最直接和最大的通道。對于立式罐，該閥應盡量安裝在罐頂中央頂板范圍內(nèi)，對于罐頂需設隔熱層的儲罐可安裝在梯子平臺附近。

（2）當需要安裝兩個呼吸閥時，它們與罐頂中心應對稱布置。

（3）若呼吸閥用在氮封罐上，則氮氣供氣管的接管位置應遠離該閥接口，并由罐頂部插入儲罐內(nèi)約200mm，這樣氮氣進罐后不直接排出，以達到氮封的目的。

呼吸閥保養(yǎng)注意事項：

（1）呼吸閥應每3～6個月檢查一次。

（2）檢查要點：①閥盤導桿是否升降靈活；②正負壓閥盤有無變形；③閥盤與閥座接觸面是否密封；④閥盤與閥座是否被腐蝕。

（3）檢查時若發(fā)現(xiàn)正負壓閥盤與閥座接觸面不密封，應更換新呼吸閥。閥盤及閥座腐蝕嚴重，也應更換新的呼吸閥。

參考文獻

［1］杜亮坡，郭磊，東志紅.機械呼吸閥的計算選型［J］.化工裝備技術，2009，30（2）：58- 59.

［2］王榮貴，劉道芬.常壓、低壓儲罐呼吸量的確定及呼吸閥的選用［J］.化肥設計，2007，45（2）：24- 26.□

·分析測試·

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2016.03.031

中圖分類號：TQ055.8+1

文獻標識碼：A

文章編號：1008- 553X（2016）03- 0087- 03

收稿日期：2016- 01- 30

作者簡介：賈瑋瑋（1983-），女，畢業(yè)于大連理工大學，工程師，從事化工設計工作，15155152272，0551- 64669515，cathy- weiwei@163.com。