天然氣壓縮機(jī)組安全閥的設(shè)置

夏思訪，席少鋒

（北京杰利陽(yáng)能源設(shè)備制造有限公司，北京101500）

1 引言

安全閥是一種適用于清潔、無(wú)顆粒、低粘度流體的自動(dòng)閥門，它不借助任何外力，而是利用介質(zhì)本身的力來(lái)排出額定數(shù)量的流體，以防止系統(tǒng)內(nèi)壓力超過(guò)預(yù)定的安全值。當(dāng)壓力恢復(fù)正常后，閥門再自行關(guān)閉并阻止介質(zhì)繼續(xù)流出。

關(guān)于壓縮機(jī)安全閥的設(shè)置，在HG/T 20570.2《安全閥的設(shè)置和選用》中規(guī)定“容積式泵和壓縮機(jī)的出口管道”必須安裝安全閥[1]；GB/T50106《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中規(guī)定“往復(fù)式壓縮機(jī)各段出口或電動(dòng)往復(fù)泵、齒輪泵、螺桿泵等容積式泵的出口”應(yīng)設(shè)置安全閥[2]。本文依據(jù)上述規(guī)范的有關(guān)條款，圍繞天然氣壓縮機(jī)組的工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)，介紹安全閥整定壓力的設(shè)定、安全閥形式的選擇、動(dòng)背壓和靜背壓的考慮、安全閥工況的選擇，并利用化工工藝模擬軟件Aspen HYSYS對(duì)安全閥進(jìn)行選型計(jì)算。

2 安全閥的整定壓力設(shè)定

安全泄放系統(tǒng)是天然氣壓縮機(jī)組工藝設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分，包括緊急泄放系統(tǒng)和安全閥超壓泄放系統(tǒng)。

緊急泄放系統(tǒng)設(shè)置有自動(dòng)放空閥，用于機(jī)組故障或者停電停機(jī)時(shí)，15 min內(nèi)將系統(tǒng)壓力降至690 kPa或者50%設(shè)計(jì)壓力，取其中較低值[3]。

安全閥超壓泄放系統(tǒng)，是指在壓縮機(jī)組進(jìn)出口及每一級(jí)排氣管線上設(shè)置有安全閥，系統(tǒng)壓力超過(guò)設(shè)定壓力，安全閥全流量泄放。在壓縮機(jī)組工藝流程設(shè)計(jì)時(shí)，各級(jí)排氣均設(shè)有壓力變送器，根據(jù)工作壓力，設(shè)定報(bào)警、聯(lián)鎖值，一般該級(jí)的安全閥整定壓力高于聯(lián)鎖停機(jī)值。當(dāng)某級(jí)排氣壓力升高，越過(guò)聯(lián)鎖值，由于儀表失控等原因而未停機(jī)，壓力持續(xù)升高至安全閥的整定壓力，安全閥起跳泄放。安全閥作為壓縮機(jī)組的最后一道防線，保障機(jī)組內(nèi)設(shè)備和容器的安全。

如圖1所示是某氣田三級(jí)壓縮機(jī)組的安全閥設(shè)置，一級(jí)進(jìn)氣和各級(jí)排氣均設(shè)有安全閥。各級(jí)排氣安全閥的整定壓力，可根據(jù)工作壓力設(shè)定，一般為工作壓力的1.1倍，有時(shí)為了與報(bào)警、聯(lián)鎖值拉開(kāi)間距，可將其分別設(shè)定為工作壓力的1.05、1.1、1.15倍。

一級(jí)進(jìn)氣安全閥的整定壓力一般不是根據(jù)進(jìn)氣壓力的大小來(lái)設(shè)定，而是根據(jù)壓縮機(jī)組的均壓。當(dāng)機(jī)組停機(jī)時(shí)，進(jìn)排氣切斷閥關(guān)閉，回流閥打開(kāi)，整個(gè)壓縮機(jī)組成為一個(gè)密閉系統(tǒng)，并迅速達(dá)到壓力均衡，為了防止停機(jī)瞬間系統(tǒng)超壓，安全閥整定壓力應(yīng)按此均壓的1.1設(shè)定。

圖1 某三級(jí)壓縮機(jī)組的安全閥設(shè)置

3 安全閥形式的選擇

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，天然氣壓縮機(jī)組的安全閥一般選用以下兩種形式：

3.1 彈簧全啟式，見(jiàn)圖2

由彈簧作用的安全閥，其定壓由彈簧控制，其動(dòng)作受背壓的影響。背壓的要求：pb＜10%ps（pb代表背壓力，ps代表整定壓力）。全啟式是指當(dāng)安全閥入口處的靜壓達(dá)到其設(shè)定壓力時(shí)，閥瓣迅速上升至最大高度，最大限度地排出超壓的物料。

該形式安全閥具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、使用范圍廣、價(jià)格經(jīng)濟(jì)。

3.2 封閉先導(dǎo)式，見(jiàn)圖3

由導(dǎo)閥控制的安全閥。其設(shè)定壓力由導(dǎo)閥控制，其動(dòng)作性能基本上不受背壓的影響。當(dāng)導(dǎo)閥失靈時(shí)，主閥仍能在不超過(guò)泄放壓力時(shí)自動(dòng)開(kāi)啟，并排出全部額定泄放量。背壓的要求：pb≥30%ps。

從單獨(dú)來(lái)看，導(dǎo)閥本身也是一種直接載荷式安全閥。當(dāng)介質(zhì)壓力達(dá)到導(dǎo)閥的開(kāi)啟壓力時(shí)，導(dǎo)閥先行開(kāi)啟，排出的介質(zhì)從旁通管進(jìn)入主閥。由結(jié)構(gòu)可見(jiàn)導(dǎo)閥排放的介質(zhì)與主閥一致，用在天然氣壓縮機(jī)組，應(yīng)采用封閉式。

4 背壓對(duì)安全閥的影響

安全閥的背壓，是由于排放系統(tǒng)有壓力而存在于安全閥出口處的壓力，背壓可以是固定的，也可以是變化的。背壓分為附加背壓和積聚背壓。附加背壓（也叫靜背壓），當(dāng)安全閥未啟動(dòng)時(shí)，由于火炬管網(wǎng)系統(tǒng)中如火炬頭、水封等產(chǎn)生的靜壓，或由其它閥排放而存在于安全閥出口的靜壓；積聚背壓（也叫動(dòng)背壓），當(dāng)安全閥打開(kāi)后，介質(zhì)在火炬管網(wǎng)流動(dòng)所產(chǎn)生的流動(dòng)阻力。安全閥起跳后的總背壓是附加背壓和積聚背壓之和。

如圖4，其中ps為安全閥開(kāi)啟壓力，pb為背壓力，F(xiàn)1為彈簧力，A為密封面面積。開(kāi)啟壓力ps為安全閥閥瓣在運(yùn)行條件下開(kāi)始升起的進(jìn)口壓力，在該壓力時(shí)，使閥瓣開(kāi)啟的力與使閥瓣重新保持在閥瓣上的力平衡。當(dāng)閥后存在背壓pb時(shí)，則有psA=pbA+F1，可見(jiàn)背壓的存在使閥門的開(kāi)啟壓力增加[4]。

通常，安全閥出廠前做冷態(tài)實(shí)驗(yàn)，廠家會(huì)根據(jù)提供的背壓值調(diào)整彈簧的預(yù)緊力，來(lái)補(bǔ)償附加背壓，使安全閥在實(shí)際投入使用時(shí)，閥前壓力達(dá)到設(shè)的開(kāi)啟并不會(huì)受到影響。但如果安全閥的附加背壓受其他泄放源排放的影響而升高，安全閥的開(kāi)啟便會(huì)受到影響。

天然氣壓縮機(jī)組在設(shè)置機(jī)組安全閥時(shí)，對(duì)于背壓應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。

圖2 彈簧全啟式安全閥

圖3 封閉先導(dǎo)式安全閥

圖4 背壓對(duì)開(kāi)啟壓力的影響

4.1 恒定附加背壓的考慮

恒定的附加背壓取管網(wǎng)的固有背壓，主要由整個(gè)廠站的放空系統(tǒng)決定：安全閥放空總匯管若直接引去火炬頭，可取背壓為0.1 MPa；通常放空總管會(huì)匯總到一個(gè)閃蒸分離罐后再接至火炬頭，背壓就要根據(jù)罐體的壓力確定，一般為0.2~0.3 MPa。

該背壓值應(yīng)由設(shè)計(jì)院提供，其大小直接影響到安全閥的開(kāi)啟壓力，如前所述，安全閥廠家是根據(jù)該值調(diào)整彈簧的預(yù)緊力。例如安全閥的整定壓力為1.9 MPa，設(shè)計(jì)院提供的背壓為0.6 MPa，為了補(bǔ)償背壓，則設(shè)置安全閥的彈簧力為1.9-0.6=1.3 MPa。實(shí)際運(yùn)行中，安全閥的背壓僅為0.2 MPa，那么開(kāi)啟壓力為1.5 MPa，而設(shè)計(jì)的整定壓力是1.9 MPa，導(dǎo)致安全閥將在工作壓力下提前泄放，影響機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 變化附加背壓的考慮

變化的附加背壓為安全閥起跳前，由于其他安全閥泄放所產(chǎn)生的管道阻力降使閥后壓力的增加值。在安全閥設(shè)置時(shí)需要考慮其他安全閥的影響，特別是低壓端安全閥，整定壓力比較小，附加背壓增大，將會(huì)導(dǎo)致增大該安全閥的開(kāi)啟壓力，很有可能超過(guò)管道或者設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力，造成安全事故。

4.3 積聚背壓的考慮

積聚背壓是安全閥排放時(shí)，因排放側(cè)阻力在安全閥出口側(cè)形成的壓力。一臺(tái)天然氣壓縮機(jī)組往往需要設(shè)置2個(gè)及以上的安全閥，在設(shè)計(jì)放空總管時(shí)，需要考慮多個(gè)安全閥同時(shí)起跳產(chǎn)生的積聚背壓值，對(duì)于普通安全閥，積聚背壓不應(yīng)超過(guò)泄放閥設(shè)定壓力的10%，否則將會(huì)影響安全閥的泄放能力。

5 安全閥工況的選擇

引起安全閥超壓的原因在SY/T 10043-2002《泄壓和減壓系統(tǒng)指南》中列舉了16種，大致總結(jié)為過(guò)程工況和火災(zāi)工況兩種；過(guò)程工況是超壓原因在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的，如容器出口閥誤關(guān)閉、控制故障、化學(xué)反應(yīng)等非外部火災(zāi)引起的事故；火災(zāi)工況是因外部發(fā)生火災(zāi)而產(chǎn)生的超壓事故。

天然氣壓縮機(jī)組安全閥設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到會(huì)因出口切斷閥關(guān)閉而引起上游設(shè)備超壓，故末級(jí)排氣和各級(jí)排氣安全閥一般按阻塞工況設(shè)計(jì)。當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，壓縮機(jī)組進(jìn)出口切斷閥關(guān)閉，整個(gè)系統(tǒng)可以看成是一個(gè)壓力容器，一級(jí)進(jìn)氣安全閥可按此工況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

6 HY SY S模擬火災(zāi)工況安全閥選型

以圖1壓縮機(jī)組的一級(jí)進(jìn)氣安全閥為例，介紹化工工藝模擬軟件Aspen HYSYS對(duì)安全閥火災(zāi)工況下的選型計(jì)算。

選擇組分，選擇PR狀態(tài)方程，建立工藝流程，設(shè)置物料參數(shù)，入口參數(shù)：溫度20℃，壓力0.1 MPa，流量4173 Nm3/h；切換到安全閥分析模塊，增加一級(jí)進(jìn)氣安全閥，輸入整定壓力1.9 MPa（該值由系統(tǒng)均壓確定）；創(chuàng)建方案，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)選擇API520，521，在Relief Load選擇火災(zāi)工況，泄放流量選擇系統(tǒng)計(jì)算，火災(zāi)計(jì)算類型選擇濕潤(rùn)類型，容器類型選擇立式，容器參數(shù)可以根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)的容積，設(shè)定容器直徑為1 m，長(zhǎng)度4 m，濕潤(rùn)高度0.8 m，環(huán)境因子F=1.0，最終計(jì)算出泄放量3822 kg/h，然后自動(dòng)計(jì)算出泄放面積2.45 cm2，選擇標(biāo)準(zhǔn)吼徑3.245 cm2，喉徑代號(hào)J，安全閥進(jìn)口尺寸為DN50-300LB，出口尺寸為DN80-150LB。

查看計(jì)算結(jié)果，盡管火災(zāi)工況的泄放量比堵塞工況的要大，其實(shí)很多時(shí)候堵塞工況的泄放量要大很多，無(wú)關(guān)乎大小，筆者認(rèn)為一級(jí)進(jìn)氣安全閥按火災(zāi)工況計(jì)算，是比較合理的。

7 結(jié)語(yǔ)

安全閥作為天然氣壓縮機(jī)組的最后一道防線，保障著機(jī)組內(nèi)設(shè)備和容器的安全。本文依據(jù)安全閥的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，介紹了天然氣壓縮機(jī)組各級(jí)安全閥的整定壓力設(shè)定，安全閥形式的選擇；設(shè)置安全閥時(shí)需要考慮背壓的影響，該背壓應(yīng)該細(xì)化為恒定的附加背壓、變化的附加背壓和積聚背壓[5]；關(guān)于安全閥工況的選擇，天然氣壓縮機(jī)組的一級(jí)進(jìn)氣安全閥應(yīng)按火災(zāi)工況計(jì)算，各級(jí)排氣安全閥按堵塞工況計(jì)算；最后簡(jiǎn)單介紹了化工工藝模擬軟件Aspen HYSYS對(duì)安全閥火災(zāi)工況下的選型計(jì)算。