安全泄放系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

梁彥鵬

摘 要：目前，大多數(shù)化工生產(chǎn)過(guò)程都會(huì)遇到高壓工況，導(dǎo)致化工裝置設(shè)備管道超壓的主要原因包括火災(zāi)、操作失誤、設(shè)備機(jī)械故障、電力故障等。為保證化工生產(chǎn)安全、可靠的進(jìn)行，安全泄放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必不可少。本文重點(diǎn)介紹了安全泄放系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)，安全泄放系統(tǒng)的范圍，安全泄放設(shè)施的種類(lèi)，安全泄放的計(jì)算。

關(guān)鍵詞：安全泄放系統(tǒng);安全閥;爆破片;火炬;背壓;泄放量

石油化工、煤化工、精細(xì)化工、醫(yī)藥化工生產(chǎn)過(guò)程中不可避免會(huì)涉及到高溫、高壓工況。如果操作壓力超過(guò)設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備變形、泄漏、甚至破裂，嚴(yán)重的會(huì)造成火災(zāi)、爆炸事故。為了保證化工裝置安全生產(chǎn)，防止發(fā)生火災(zāi)、爆炸事故，必須設(shè)計(jì)安全泄放系統(tǒng)。在化工生產(chǎn)過(guò)程中，非正常情況下可能超壓的設(shè)備，都需要進(jìn)行安全泄放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。安全泄放系統(tǒng)，作為保護(hù)裝置設(shè)備的最后一道保護(hù)措施，必須引起高度重視。化工設(shè)計(jì)過(guò)程中必須對(duì)安全泄放設(shè)施、安全泄放管道進(jìn)行嚴(yán)格計(jì)算，留有足夠余量，保證安全泄放系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠，遇到非正常超壓工況能夠有效保護(hù)裝置設(shè)備，避免安全事故。

1 安全泄放的分類(lèi)和組成

安全泄放系統(tǒng)包括安全泄放裝置和后續(xù)的泄放尾氣處理。常用的安全泄放設(shè)施主要包括：安全閥、爆破片、呼吸閥、泄爆人孔、液壓安全閥。泄放尾氣處理系統(tǒng)主要有：火炬系統(tǒng)、緊急泄放罐和尾氣處理裝置。

①安全閥：安全閥是通過(guò)排放部分介質(zhì)以保護(hù)生產(chǎn)設(shè)備的安全，防止出現(xiàn)介質(zhì)泄漏、設(shè)備損壞、火災(zāi)爆炸等安全事故;②爆破片：爆破片是防止設(shè)備超壓破壞的另一類(lèi)重要的安全裝置，可對(duì)急劇升高的壓力迅速做出反應(yīng)。具有泄放面積大、動(dòng)作靈敏、精密度高、密封性好、耐腐蝕和不宜堵塞等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化工、石油、制藥等部門(mén);③呼吸閥：呼吸閥可以保護(hù)常壓設(shè)備免受超壓或超真空度破壞的安全設(shè)置;④緊急泄壓人孔：緊急泄壓人孔是快速泄壓裝置，其技術(shù)性能、主要零部件材料與呼吸人孔相同;⑤液壓安全閥：液壓安全閥是裝設(shè)在油罐頂上，保護(hù)油罐安全的一個(gè)重要附件。當(dāng)機(jī)械呼吸閥發(fā)生故障時(shí)，液壓安全閥就能代替機(jī)械呼吸閥進(jìn)行排氣或放氣;⑥火炬系統(tǒng)：火炬系統(tǒng)是用來(lái)處理石油化工廠、煉油廠、化工廠及其其他工廠或裝置無(wú)法回收和再加工的可燃和可燃有毒氣體及蒸汽的特殊燃燒設(shè)施，是保證工廠安全生產(chǎn)、減少環(huán)境污染的一項(xiàng)重要措施。

2 安全泄放方式的選取

2.1 安全閥適用于清潔、無(wú)微粒、粘度不高的氣體或液體

例如：①頂部最高操作壓力不小于0.1MPa的壓力容器;②頂部最高操作壓力大于0.03MPa的蒸餾塔、蒸發(fā)塔。

2.2 爆破片適用于以下工況

①壓力會(huì)迅速上升;②泄放的介質(zhì)含有固體顆粒、易結(jié)晶、易沉淀、易聚合;③泄放介質(zhì)具有較大粘度;④泄放介質(zhì)具有強(qiáng)腐蝕性，使用安全閥成本較高;⑤較大的泄放面積的工況。

但是以下工況不宜使用爆破片作為安全泄壓方式：①經(jīng)常超壓的工況;②有較大溫度波動(dòng)的工況。

2.3 安全閥和爆破片組合使用

①對(duì)于泄放介質(zhì)十分昂貴或者泄放介質(zhì)有劇毒的工況，一般采用爆破片和安全閥串聯(lián)，為了減少爆破造成的物料損失，在安全閥的入口處設(shè)置一個(gè)爆破片;②若泄放總管中存在腐蝕環(huán)境，爆破片需設(shè)置在安全閥的出口處;③對(duì)于特殊工況下設(shè)備壓力迅速升高的場(chǎng)所，可以采用爆破片與安全閥并聯(lián)使用;④為了增加火災(zāi)工況下的泄放面積，也可采用爆破片與安全閥串聯(lián)使用。

2.4 呼吸閥

對(duì)于常壓儲(chǔ)罐，為了減少儲(chǔ)罐內(nèi)液體揮發(fā)而損失，降低環(huán)境污染，保護(hù)常壓儲(chǔ)罐因超壓而損壞，儲(chǔ)罐頂部通常設(shè)置呼吸閥。

2.5 液壓安全閥、緊急泄壓人孔

當(dāng)選用的呼吸閥不具有防凍措施時(shí)，在儲(chǔ)罐上應(yīng)設(shè)置相同口徑的液壓安全閥，防止呼吸閥損壞而造成設(shè)備超壓。也可以采用緊急泄壓人孔代替液壓安全閥。

3 安全閥泄放計(jì)算

安全閥的計(jì)算與選型見(jiàn)下圖：

3.1 常見(jiàn)工況計(jì)算泄放量W

3.1.1 精餾塔塔頂

安全閥泄放量為正常工況下塔頂?shù)淖畲笳羝俊?/p>

3.1.2 地上液體臥罐、球罐利用如下公式進(jìn)行計(jì)算

根據(jù)美國(guó)石油學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API-520：對(duì)于有足夠的消防保護(hù)措施和有能及時(shí)排走地面上泄漏物料措施時(shí)，泄放量為：

否則，泄放量為：

其中：H-汽化熱，kJ/kg;A-潤(rùn)濕面積，m2（計(jì)算方法參見(jiàn)HG/T 20570.2安全閥的設(shè)置和選用）;-容器外壁校正系數(shù)。

3.1.3 儲(chǔ)存氣體容器外部火災(zāi)下泄放量計(jì)算

其中：A1-暴露面積，m2;Tw-金屬壁溫，K，對(duì)碳鋼為593℃（866K）;T-泄放溫度，K;M-分子量;P-泄放壓力，MPa。

3.2 根據(jù)泄放量計(jì)算最小泄放面積

3.2.1 氣體或蒸汽在臨界流動(dòng)條件下的最小泄放面積

其中：Co-流量系數(shù)（由制造廠提供，若無(wú)制造廠數(shù)據(jù)取Co=0.975）;X-特征系數(shù)（取值參見(jiàn)HG/T 20570 P48表16.0.1）;Kb-背壓修正系數(shù)（取值參見(jiàn)HG/T 20570 P45;臨界流動(dòng)下，對(duì)于彈簧式安全閥Kb=1）;T-泄放溫度，K（注意單位）;Z-壓縮因子（查圖）;M-分子量;P-泄放壓力，MPa。

3.2.2 水蒸汽的最小泄放面積

其中：Ksh-過(guò)熱蒸汽校正系數(shù)（取值參見(jiàn)HG/T20570）;

KN-Napier系數(shù)（取值參見(jiàn)HG/T20570）。

3.2.3 安全閥出口管道的設(shè)計(jì)

安全閥出口管道的管徑不應(yīng)小于安全閥的出口直徑。

直接排至大氣的管道，排放管出口馬赫數(shù)取值不應(yīng)大于0.5;對(duì)于排入密閉系統(tǒng)的管道，馬赫數(shù)取0.5～0.7。馬赫數(shù)計(jì)算公式如下：

其中：Ma-馬赫數(shù);Ua-聲速，m/s;Pd-物料壓力，MPa;K-絕熱指數(shù);Gg-氣體密度，kg/m3。

對(duì)于排入火炬系統(tǒng)的管道，除滿足上述兩條外，還需核算安全閥出口至火炬系統(tǒng)的壓降。

4 安全泄放尾氣系統(tǒng)

安全閥泄放的尾氣去向一般分為兩種，第1種尾氣去火炬系統(tǒng)、第二種去尾氣處理。

當(dāng)安全泄放尾氣去火炬系統(tǒng)時(shí)，安全閥的背壓必須大于安全閥出口管道的阻力降。對(duì)于爆破片泄放裝置，泄放氣體一般先經(jīng)過(guò)緊急泄放罐后去尾氣處理裝置，緊急泄放罐用于收集爆破片泄放可能夾帶的液體。由于尾氣處理裝置一般都設(shè)有引風(fēng)機(jī)，泄放罐后的尾氣可以不帶壓力，因此這種工況下，爆破片的背壓可以為0。

5 結(jié)語(yǔ)

安全泄放系統(tǒng)作為一個(gè)安全設(shè)施，在化工、石化、醫(yī)藥生產(chǎn)領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用。安全泄放系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到安全生產(chǎn)，關(guān)系到國(guó)家和人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，安全泄放系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須引起設(shè)計(jì)師門(mén)高度重視，在設(shè)計(jì)過(guò)程中要確保設(shè)計(jì)安全可靠。

參與文獻(xiàn)：

[1]龔瓏，周文軍.安全泄放裝置的設(shè)置、選型與計(jì)算[J].化工設(shè)計(jì)，2009（40）：28-32.