安全孔板(F(Z))在控制閥失敗工況下的應(yīng)用

付玉珍（福陸(中國(guó))工程建設(shè)有限公司，上?！?01103）

安全孔板(F(Z))在控制閥失敗工況下的應(yīng)用

付玉珍
（福陸(中國(guó))工程建設(shè)有限公司，上海201103）

摘要：本文主要介紹了一種切實(shí)可行，簡(jiǎn)單可靠的設(shè)計(jì)思路，即孔板和控制閥串聯(lián)，用于控制閥失敗工況的設(shè)計(jì),我們稱之為安全孔板F(Z)。通過安全孔板F（Z）的使用，減小了安全閥的泄放量，降低了火炬系統(tǒng)的負(fù)荷，節(jié)省了投資；并且使控制閥失敗工況下，安全閥的泄放量不受控制閥影響。

關(guān)鍵詞:安全孔板；控制閥失??；安全閥；泄放量

在工程設(shè)計(jì)中，我們總是想降低安全閥的泄放量，從而來(lái)減小安全閥系統(tǒng)的尺寸，包括進(jìn)出口管線，來(lái)降低投資，甚至來(lái)降低火炬系統(tǒng)的負(fù)荷。降低安全閥泄放量的措施有很多，針對(duì)不同的泄放工況其采取的措施也會(huì)有所不同。在絕大部分的工藝流程中，都會(huì)有控制閥失敗（全開）的分析工況，一般的做法都會(huì)根據(jù)控制閥最終的流量系數(shù)（Cv值）來(lái)反算安全閥的泄放量，但這種做法需要項(xiàng)目的進(jìn)度計(jì)劃做的比較好，控制閥的采購(gòu)等不影響安全閥系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選型，在進(jìn)度配合的不是很好的情況下，這種工況下安全閥的泄放量就會(huì)按經(jīng)驗(yàn)估計(jì)一個(gè)量，不再進(jìn)行校驗(yàn)反算了。筆者在最近和國(guó)外專利商合作的過程中，有一種具有安全功能的孔板和控制閥串聯(lián)，主要的目的就是為了在控制閥失?。ㄈ_）工況下，降低并能控制相應(yīng)安全閥的泄放量，其保守的計(jì)算方法可以在早期就能確定安全閥的泄放量，從而為解決控制閥失敗的工況分析提供一條新的思路。本文將著重闡述這種方法的使用以及計(jì)算等。

帶安全功能的孔板，以下我們簡(jiǎn)稱其為F(Z)孔板，其為一銳角倒角孔板，在本質(zhì)上和一般的孔板沒有區(qū)別，主要的區(qū)別是在于其需要定期校驗(yàn)并要像其他安全設(shè)施一樣登記入冊(cè)，定期維修。

圖1　直接泄放流程

F(Z)孔板和控制閥串聯(lián)對(duì)安全閥的計(jì)算主要有兩種情況，一種是通過F(Z)孔板的介質(zhì)直接通過相應(yīng)的ΡSV泄放，流程如圖1。

還有一種是間接泄放，即通過F(Z)孔板的介質(zhì)并不直接從相應(yīng)的ΡSV泄放，其作為加熱介質(zhì)（其他作用介質(zhì)）使其他介質(zhì)蒸發(fā)，從而導(dǎo)致相應(yīng)的ΡSV泄放，典型的即為精餾塔再沸器熱源上設(shè)置此流程來(lái)控制“非正常熱量輸入”工況下的泄放量，流程如圖2。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，F(xiàn)(Z)孔板也可能會(huì)在控制閥的上游。

這兩種流程其實(shí)并沒有實(shí)質(zhì)性的區(qū)別，其計(jì)算過程基本一致，只是在間接泄放的流程中，需要將孔板算的加熱介質(zhì)量再折算成塔內(nèi)介質(zhì)的蒸發(fā)量，從而計(jì)算出相應(yīng)安全閥的泄放量。

圖2　間接泄放流程

對(duì)于F(Z)孔板，由于其在正常操作中也會(huì)有降壓作用，所以在選擇F(Z)孔板時(shí)必須考慮到正常工況的操作，即對(duì)于F(Z)孔板的設(shè)計(jì)，必須要滿足兩種工況的要求：正常工況和泄放工況，滿足以上兩種工況的孔板，即可認(rèn)為是合格的孔板。

F(Z)孔板的計(jì)算步驟基本如下：

（1）據(jù)正常工況，確定控制閥和孔板總共可以得到的壓力降，即控制閥前操作壓力和容器最終操作壓力之差，DΡ1。

（2）首先均分步驟1中得到的總壓力降DΡ1,即控制閥和孔板的初始?jí)航稻鶠?.5DΡ1。

（3）根據(jù)正常操作流量和步驟2中所得的壓降計(jì)算出相應(yīng)的控制閥和F(Z)孔板，求得相應(yīng)的孔板孔徑d0。

（4）在控制閥失敗全開時(shí)，保守計(jì)算可以認(rèn)為控制閥全開時(shí)壓降為0。此時(shí)通過孔板的介質(zhì)量最大。

（5）根據(jù)操作要求，分析出在控制閥失敗全開時(shí)，孔板上游的最大操作壓力Ρ1’。

（6）根據(jù)Ρ1’和下游容器安全閥的設(shè)定壓力Ρ3，以及步驟3中所得的孔板孔徑d0，即可求出在控制閥失敗全開工況下的安全閥的相應(yīng)泄放量Q1。

（7）如果Q1量偏大，可以回到步驟2，從新分配控制閥和孔板的壓降，可多分配些壓降在孔板上，使其孔徑減小，從而減少最終的泄放量，直到達(dá)到可以接受的值。

下面通過兩個(gè)例子來(lái)加以說明。

例一：某容器有一氮?dú)膺M(jìn)料線，正常操作時(shí)氮?dú)饬髁繛?57.5kg/ h，進(jìn)口為F(Z)孔板和流量控制閥串聯(lián)設(shè)置，孔板前壓力為21bаrg,溫度為23℃，容器內(nèi)操作壓力為4.0bаrg，進(jìn)口管線為DN50（內(nèi)徑為49.25mm），容器的安全閥設(shè)定壓力為17.7bаrg，試求在進(jìn)口流量控制閥失敗全開時(shí)的安全閥泄放量。

（1）由以上的計(jì)算步驟，可先由正常工況進(jìn)行推算，可以知道在正常操作時(shí)，F(xiàn)(Z)孔板和下游控制閥的總共壓力降為DΡ1：21-4=17bаr。

（2）先取其一半作為孔板的正常操作時(shí)的壓降，即DΡ2為17/2=8.5bаrg，所以正常操作時(shí)孔板后的壓力為4+8.5=12.5bаrg?？装迩昂髩毫χ葹?2.5/21=59.5%，大于發(fā)生阻塞流時(shí)的壓力之比，可知此孔板滿足正常操作要求。

（3）由孔板入口條件，通過HYSYS進(jìn)行物料性質(zhì)模擬，可以知道此時(shí)氮?dú)獾男再|(zhì)為：粘度為0.0186cp，絕熱指數(shù)K為1.442，密度為25.25kg/m3。

（4）從而求得孔板的孔徑為8.64mm。（孔板的計(jì)算可參見相關(guān)的資料）

（5）在控制閥失敗全開時(shí)，保守計(jì)算不考慮其在全開時(shí)的壓降以及管道壓力降，此時(shí)得出的泄放量將是最大的。由氮?dú)庀到y(tǒng)分析得，氮?dú)庀到y(tǒng)的最大操作壓力為25bаrg，所以在控制閥全開時(shí)，孔板前的壓力為25bаrg，孔板后的壓力為安全閥的設(shè)定壓力17.7bаrg。溫度仍為23℃。

（6）由此時(shí)的孔板入口條件，通過HYSYS進(jìn)行物料性質(zhì)模擬，可以得到相應(yīng)的氮?dú)庑再|(zhì)：粘度為0.0186cp，絕熱指數(shù)K為1.449，密度為29.87kg/m3。

（7）從而求得在控制閥全開時(shí)通過F(Z)孔板的最大流量為797kg/h。此流量即為在控制閥全開時(shí)通過安全閥的最大泄放量。

從本例中可以看出，在實(shí)際的孔板設(shè)計(jì)中，一定要注意孔板在正常情況下是否會(huì)出現(xiàn)阻塞流，即孔板后的壓力是否會(huì)小于孔板前壓力的一定值（約55%左右，具體可參見孔板設(shè)計(jì)規(guī)范），如果出現(xiàn)阻塞流，則說明在正常操作時(shí)，此孔板是整個(gè)系統(tǒng)的瓶頸，介質(zhì)流量不再受控制閥的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)處于無(wú)法調(diào)節(jié)的狀態(tài)，正常操作將無(wú)法維持。

同時(shí)通過本例可以看出，通過F(Z)孔板得出的泄放量是相應(yīng)安全閥絕對(duì)安全的泄放量，并且在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)就可以確定，也不需要知道控制閥的Cv值。而且在后續(xù)階段，即使相應(yīng)的控制閥由于某種原因更換后，也不會(huì)影響到相應(yīng)系統(tǒng)的安全，即不需要重新進(jìn)行控制閥失敗工況的分析計(jì)算，安全閥也不需要更換，很方便系統(tǒng)后續(xù)的設(shè)計(jì)和維護(hù)。

下面在舉一個(gè)間接加熱的例子：

例二：某輕烴類精餾塔，安全閥設(shè)定壓力為10bаrg，塔頂正常操作壓力為6bаrg，塔頂溫度為56℃，塔頂設(shè)有一循環(huán)水冷凝器和一冷凍水后冷器，塔底設(shè)有一熱虹吸式再沸器，加熱介質(zhì)為蒸汽，入口管徑為DN200，正常操作時(shí)蒸汽的壓力為36bаrg，溫度為246℃，流量為16861kg/h，蒸汽入口為一流量控制閥和F(Z)孔板串聯(lián)設(shè)計(jì)，再沸器蒸汽側(cè)正常操作壓力為25.4bаrg，在最小操作彈性時(shí)，蒸汽側(cè)的操作壓力為6.6bаrg，試求取在再沸器加熱蒸汽控制閥全開時(shí)，此塔頂安全閥的泄放量。其中正常時(shí)主冷凝器的負(fù)荷為33522840KJ/h,后冷器的負(fù)荷為681948KJ/h。

（1）同理，根據(jù)正常操作時(shí)蒸汽側(cè)的操作條件，可以得到蒸汽流量控制閥和F(Z)孔板的總共壓力降DΡ1為：36-25.4=10.6bаrg。

（2）首先取總壓力降的一半作為F(Z)孔板的設(shè)計(jì)壓降，即DΡ2為：10.6/2=5.3bаr，所以孔板前的壓力為：36-5.3=30.7bаrg，通過HYSYS進(jìn)行蒸汽的絕熱降壓模擬，可以得到在30.7bаrg時(shí)的蒸汽性質(zhì)：蒸汽溫度為238℃，粘度為0.0171cp，絕熱指數(shù)K為1.3077，密度為15.706kg/m3。

（3）孔板后即為再沸器殼側(cè)操作壓力25.4bаrg，所以孔板前后壓力之比為：25.4/30.7=82.7%，大于可能產(chǎn)生阻塞流的值，在塔的最小彈性操作時(shí)，因?yàn)檎羝髁孔冃?，此孔板的壓力降?huì)更小，即不會(huì)發(fā)生阻塞流，所以此孔板在正常操作時(shí)是滿足要求的。

（4）根據(jù)孔板的計(jì)算公式，可以求得孔徑為50.0mm。

（5）在控制閥失敗全開時(shí)，蒸汽流量將變大，其最大流量將有F(Z)限制，并且是在再沸器蒸汽側(cè)最小操作壓力時(shí)蒸汽流量最大。忽略上游控制閥以及管道的壓降，可知F(Z)孔板的板前壓力為36bаrg，板后壓力為6.6bаrg。

（6）通過HYSYS模擬軟件，可以得到孔板前蒸汽的性質(zhì)：粘度為0.0174cp，絕熱指數(shù)K為1.272，蒸汽密度為18.56kg/m3。

（7）從而可以求得在控制閥全開時(shí)，通過此孔板的最大蒸汽流量為29757kg/h。根據(jù)塔的非穩(wěn)態(tài)計(jì)算模塊，此時(shí)塔頂安全閥的泄放量即是再沸器產(chǎn)生的過多熱量以及進(jìn)出物料熱量差所致，根據(jù)HYSYS模擬軟件對(duì)相應(yīng)的進(jìn)出塔的物料做泄放工況下的性質(zhì)模擬，可得通過安全閥泄放的物流能量為22362417KJ/h,塔內(nèi)液體的蒸汽潛熱為286KJ/kg，所以可得通過安全閥的泄放量為78.2t/h。

在此例題中，由于重點(diǎn)是介紹F(Z)孔板的計(jì)算，所以對(duì)非穩(wěn)態(tài)塔的泄放計(jì)算做了簡(jiǎn)化。

在這里必須指出，對(duì)于本例題，由于其可得到的總壓力將比較大，而且孔板前后壓力比遠(yuǎn)離可能發(fā)生阻塞流的區(qū)域，假如覺得78.2t/h的泄放量偏大，可以通過增大正常操作時(shí)孔板的壓降，來(lái)減小孔板的孔徑，從而降低最后的泄放量，其計(jì)算步驟同例題基本一致，這也是使用F(Z)的一個(gè)好處，即比較靈活。對(duì)于本例題，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我們通過增大F(Z)孔板的壓降，使其泄放量最終降低至53t/h。

從本例中也可以看出兩種不同的流程其計(jì)算過程基本相似，不同的只是如何去折算成最終的安全閥的泄放量。

對(duì)于F(Z)的計(jì)算，還有另外一種算法，即先通過安全閥的泄放量，來(lái)計(jì)算在泄放工況下所需要的孔徑，再反推在正常情況下是否合適，從個(gè)人的觀點(diǎn)來(lái)說，這兩種方法基本原理都是一樣的，并沒有本質(zhì)性的差別，只是出發(fā)點(diǎn)不一樣，所以都可以使用。如果對(duì)安全閥的泄放量比較敏感，即絕對(duì)不允許超過某一個(gè)負(fù)荷，那么先通過安全閥的泄放工況來(lái)確定孔板，再反推正常操作是否合適可能會(huì)更便捷，在這里這種方法就不再累述。

通過上面的兩個(gè)例子可以看出，使用F(Z)孔板來(lái)限制“控制閥失敗工況”安全閥的泄放量是一種切實(shí)可行的辦法，其簡(jiǎn)單可靠，而且不受控制閥以及項(xiàng)目進(jìn)度的影響，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)即可確定，即使在以后的生產(chǎn)中更換了控制閥，也不會(huì)影響到下游系統(tǒng)的安全。并且靈活多變，可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)減低或增加“控制閥失敗工況”的安全閥的泄放量，不失為一種新的設(shè)計(jì)思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]管路的限流孔板.HG/T20570[S].15-95.

作者簡(jiǎn)介：付玉珍（1982-），女，河北定州人，碩士，研究方向：工藝設(shè)計(jì)。