工藝管道泄壓閥尺寸計(jì)算

楊梅，楊智超，王雨，李大昌，張曉莉

工藝管道泄壓閥尺寸計(jì)算

楊梅1，楊智超1，王雨2，李大昌1，張曉莉1

（1. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司華北分公司，河北 任丘 062550； 2. 華北石油通信有限公司，河北 任丘 062550）

成品油庫(kù)項(xiàng)目中，工藝管道上通常需要安裝泄壓閥，以避免封閉管段在陽(yáng)光直射下溫度升高，管內(nèi)液體熱膨脹導(dǎo)致管線超壓。以API 520、API 521、API 526規(guī)范為基礎(chǔ)，介紹泄壓閥尺寸的計(jì)算方法，并以國(guó)外某成品油庫(kù)項(xiàng)目為例，計(jì)算其泄壓閥尺寸，便于指導(dǎo)后續(xù)國(guó)外成品油庫(kù)項(xiàng)目泄壓閥的計(jì)算與選型工作。

國(guó)外成品油庫(kù)；泄壓閥；有效泄放面積；尺寸及選型

成品油庫(kù)中，封閉的工藝管段在陽(yáng)光的直射下溫度升高，管道內(nèi)液體熱膨脹，可能會(huì)導(dǎo)致管段超壓[1]。為了避免這一情況，通常在封閉工藝管段上安裝泄壓閥，泄壓管線坡向埋地的排污罐[1-2]。為了確定泄壓閥的尺寸，結(jié)合API標(biāo)準(zhǔn)，計(jì)算泄壓閥有效泄放面積。

1 計(jì)算方法

1.1 有效泄放面積

用于液體的閥門(mén)按照ASME標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，按照式（1）初步確定其有效泄放面積[3]：

式中：—所需的有效泄放面積，mm2；

—流量，L·min-1；

K—額定泄放系數(shù)，由閥門(mén)制造商提供[4]，對(duì)于初步確定尺寸，可采用以下系數(shù)[5-6]，針對(duì)安裝/未安裝爆破片的PRV選用 -0.65，未安裝PRV選用-0.62，此參數(shù)用于計(jì)算爆破片的尺寸；

K—基于背壓的修正系數(shù)，當(dāng)背壓是大氣壓時(shí)，K=1.0，有背壓的平衡式泄壓閥，其修正系數(shù)按圖1確定，先導(dǎo)式閥門(mén)不需要修正[7]。

圖1 平衡彈簧泄壓閥的修正系數(shù)Kw

K—PRV上游安裝爆破片時(shí)的組合修正系數(shù)[5-6]，沒(méi)有安裝爆破片選用-1.0，爆破片與PRV組合安裝選用-0.9。

K—基于黏度的修正系數(shù)；

l—在運(yùn)行溫度下，液體相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)條件下水的比重；

1—上游泄放壓力[8-9]，等于定壓值與允許超壓值的和，kPa；

—總背壓，kPa。

K按式（2）確定[3]：

1.2 流量

對(duì)于液體滿流系統(tǒng)，根據(jù)式（3）近似確定為防護(hù)封閉段液體不受熱膨脹影響的泄壓設(shè)備尺寸的膨脹率[10]。

式中：—運(yùn)行溫度下的體積流量，m3·s-1；

a—預(yù)期溫度下液體的體積膨脹系數(shù)，℃-1；

—總傳熱率，W；

—相對(duì)于水（15.6 ℃下，=1.0）的液體相對(duì)密度，通常忽略液體的壓縮性；

—封閉段液體的比熱容，J·kg-1·K-1。

表1為烴類液體和水在15.6 ℃下的體積膨脹系數(shù)。

表1 烴類液體和水的體積膨脹系數(shù)典型值

注：API重度是表示相對(duì)密度的一種尺度，API重度=141.5/相對(duì)密度值-131.5[11]。

1.3 傳熱速率

式中：—管線表面積，m2；

Q—地理區(qū)域的太陽(yáng)輻射，W·m-2；

—管線直徑，m；

—管線長(zhǎng)度，m。

2 計(jì)算實(shí)例

以國(guó)外某成品油庫(kù)為例，該油庫(kù)由儲(chǔ)罐、泵房、汽車(chē)裝車(chē)設(shè)施、變配電室及消防站組成，油庫(kù)通過(guò)輸油管線連接至新建碼頭的收發(fā)油設(shè)施。庫(kù)內(nèi)工藝管線上，在必要的位置安裝泄壓閥，避免封閉管段內(nèi)油品熱膨脹導(dǎo)致管線超壓。

以3條管線上的泄壓閥為例，航煤管線TSV-001（=0.406 m，=10 m），柴油管線TSV-301 （=0.406 m，=15 m），汽油管線TSV-101 （=0.406 m，=10 m）。

2.1 計(jì)算有效泄放面積

已知航煤的相對(duì)密度為0.84，比熱容為 2 000 J·kg-1·℃-1；柴油的相對(duì)密度為0.87，比熱容為2 100 J·kg-1·℃-1；汽油的相對(duì)密度為0.77，比熱容為2 000 J·kg-1·℃-1。當(dāng)?shù)靥?yáng)輻射Q=1 353 W·m-2，根據(jù)式（3）～式（5）計(jì)算流量。計(jì)算結(jié)果表明，TSV-001的體積流量為0.554 4 L·min-1，TSV-301的體積流量為0.611 8 L·min-1，TSV-101的體積流量為0.725 8 L·min-1。

當(dāng)泄壓閥用于黏性液體，首先假設(shè)液體為非黏性，即K=1.0，根據(jù)式（1）計(jì)算泄放面積1，如表2所示。

表2 假設(shè)為非黏性液體初步計(jì)算有效泄放面積A1

注：假設(shè)背壓為大氣壓，泄放壓力=定壓值+10%的超壓。

2.2 復(fù)核計(jì)算結(jié)果

根據(jù)API 526中的標(biāo)準(zhǔn)孔口面積（見(jiàn)表3[12]），采用比上述1大一級(jí)的泄放面積2（70.97 mm2）計(jì)算雷諾數(shù)，后根據(jù)式（2）確定實(shí)際的黏度修正系數(shù)K。

表3 標(biāo)準(zhǔn)孔口面積及字母型號(hào)

注：表中的值僅在使用API 520 PT I的尺寸計(jì)算公式時(shí)有效。

雷諾數(shù)根據(jù)式（6）計(jì)算[3]：

式中：—雷諾數(shù)；

—運(yùn)行溫度下的流量，L/min；

—運(yùn)行溫度下的絕對(duì)黏度，cp；

—有效泄放面積（根據(jù)API 526得到的標(biāo)準(zhǔn)孔口面積），mm2。

已知航煤的動(dòng)力黏度為1.46 mPa·s，柴油的動(dòng)力黏度為5.22 mPa·s，汽油的動(dòng)力黏度為0.77 mPa·s，根據(jù)式（6）計(jì)算雷諾數(shù)，結(jié)合表1參數(shù)，重新核算泄放面積。計(jì)算結(jié)果表明，TSV-001的泄放面積為0.243 0 mm2，TSV-301的泄放面積為 0.313 0 mm2，TSV-101的泄放面積為0.288 6 mm2。

若復(fù)核所得泄放面積超出所選的標(biāo)準(zhǔn)孔口面積值（70.97 mm2），則根據(jù)API 526選大一級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)孔口面積，重復(fù)上述計(jì)算過(guò)程，直到所得值小于所選的標(biāo)準(zhǔn)孔口面積[3]。

2.3 泄壓閥選型

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，成品油庫(kù)工藝管道所需泄放量非常少，計(jì)算的泄壓閥有效泄放面積也非常小。根據(jù)API 521，通常采用公稱直徑DN20×DN25（NPS 3/4×NPS 1）的泄壓閥[10]。

3 結(jié) 論

根據(jù)封閉管段的總傳熱速率，計(jì)算通過(guò)泄壓閥的體積流量，確定泄壓閥的有效泄放面積，再根據(jù)此面積，結(jié)合API 526選擇閥門(mén)類型。需注意，在閥門(mén)有效面積的計(jì)算過(guò)程中，先假設(shè)液體為非黏性，黏度修正系數(shù)取1.0，根據(jù)計(jì)算結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)孔口面積來(lái)修正黏度修正系數(shù)，直到計(jì)算值小于選擇的標(biāo)準(zhǔn)孔口面積值。后續(xù)項(xiàng)目中，泄壓閥的選型計(jì)算應(yīng)遵照此過(guò)程。

計(jì)算結(jié)果表明，成品油庫(kù)工藝管線通常情況下所需泄放量非常少，泄壓閥有效泄放面積也非常小，通常選取DN20×DN25（NPS 3/4×NPS 1）的泄壓閥。

［1］林寶輝，信鵬，王小強(qiáng)．國(guó)內(nèi)外輸油管道超壓保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)比對(duì)[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2016，35（4）：396-400．

［2］董朋，楊昌群，楊光．水擊泄壓閥在成品油輸送管路中的應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓，2021，49（9）：182-186．

［3］API STD 520 PT I．Sizing,Selection,and Installation of Pressure- relieving Devices Part I-Sizing and Selection[S].2014．

［4］寧俞毅，何睿．水擊泄壓閥流通能力試驗(yàn)研究[J].閥門(mén)，2018（4）：14-16．

［5］劉為鋼，張建華．安全閥與爆破片聯(lián)合使用時(shí)安全性探討[J].石化技術(shù)，2019，26（8）：303．

［6］尹軍，閆興清，喻健良．爆炸片爆破壓力設(shè)計(jì)及校核方法探討[J].遼寧化工，2016，45（8）：1072-1074．

［7］辛田．管道安全閥計(jì)算選型技術(shù)探討[J].化工與醫(yī)藥工程，2021，42（2）：18-22．

［8］王福申. 安全閥的工藝計(jì)算及選用[J].品牌與標(biāo)準(zhǔn)化，2018（6）：64-67．

［9］岳志剛，蔡紅梅，劉忠萍．安全閥的開(kāi)啟壓力和排放壓力[J].遼寧化工，2014，42（2）：175-176．

［10］API STD 521．Pressure-relieving and De-pressuring Systems[S].2014．

［11］API MPMS Ch.9.1．Standard Test Method for Density, Relative Density (Specific Gravity), or API Gravity of Crude Petroleum and Liquid Petroleum Products by Hydrometer Method[S].2012．

［12］API STD 526.Flanged Steel Pressure-relief Valves[S].2017．

Sizing Calculation of Pressure-relief Valve of Process Pipeline

1,1,2,1,1

（1. China Petroleum Engineering and Construction Corporation North Branch, Renqiu Hebei 062550, China;2. Huabei Oil Communication Co., Renqiu Hebei 062550, China）

Pressure-relief valves shall be normally installed on the process pipelines in petroleum products terminal to avoid pipeline overpressure because of the thermal expansion of liquid in pipeline when the temperature of closure section increasing under the sunlight. Based on API 520, API 521, API 526, the sizing calculation method of pressure-relief valve was introduced. Referring to a petroleum products project abroad, the sizing of pressure-relief valves was calculated, which could guide the calculation and sizing selection of pressure-relief valves for following foreign petroleum products projects.

Foreign petroleum products terminal; Pressure-relief valve; Effective discharge area; Sizing and selection

2021-08-10

楊梅（1988-），女，河北省任丘市人，工程師，碩士，2013年畢業(yè)于西南石油大學(xué)油氣儲(chǔ)運(yùn)工程專業(yè)，研究方向：工藝設(shè)計(jì)。

TQ055.81

A

1004-0935（2022）03-0343-03