安全阀大泄放量计算方

【资料简介】

　　摘要：采用安全泄放装置是防止容器超压发生爆炸有效的方法。运用流体在管道内作绝热流动的理论，结合气体膨胀因数，推导出一种更为严密的计算管壳式换热器安全阀泄放量的方法，其计算结果的度较高。
　　
　　关键词：安全阀；泄放量；计算；探讨
　　
　　在石油化工装置中，安全生产是首要任务。采用安全泄放装置是防止容器超压发生爆炸有效的方法。依据我国《钢制压力容器》(GB150—1998)的要求，在操作过程中可能出现超压的设备都应配备安全泄放装置。安全泄放装置的选型首先应计算设备在各种超压工况下的泄放量，其次求出在大泄放量下相应的安全阀喷嘴截面积，作为安全阀选型的依据。在AP~20(石油炼制装置安全泄放装置口径的计算、选型及安装》规范中，列举了安全泄放装置各种超压工况下确定其泄放量的一般性原则。对于换热器换热管断裂时，由其两侧断面产生的泄放量之和来确定。通常在各种超压工况下的泄放量所确定的安全阀的喷嘴截面积以换热管断裂时为大，所以换热器上安全阀的直径选择通常也以换热管超压断裂时的泄放量为准。因此，准确地计算管壳式换热器内换热管断裂时流体的泄放量是关系到能否正确选择安装在换热器上的安全阀的首要条件。
　　
　　上海申弘阀门有限公司主营阀门有：减压阀(气体减压阀,可调式减压阀,波纹管减压阀,活塞式减压阀,蒸汽减压阀,先导式减压阀,比例减压阀)、安全阀、保温阀、低温阀、球阀、截止阀、闸阀、止回阀、蝶阀、过滤器、放料阀、隔膜阀、旋塞阀、柱塞阀、平衡阀、调节阀、疏水阀、管夹阀、排污阀、排气阀、排泥阀、气动阀门、电动阀门、高压阀门、中压阀门、低压阀门、水力控制阀、真空阀门、衬胶阀门、衬氟阀门。同时，公司可按照客户的要求进行非标产品的设计、制造、加工。始终以质量为本，一切为满足用户的经营理念，不断引进*的新技术，新工艺、新材料，竭诚为用户提供的阀门产品和更加完善的售后服务。公司配有车、刨、磨、铣、钻、焊、自动喷涂等机械设备二百六十余台套，并配有材料分析、理化X线及超声波探伤仪等专业检测设备八十余台套，同时设有阀门研发中心、控制阀测控中心、阀门质量检测中心。上海申弘阀门有限公司是集阀门的研发生产、销售及技术服务于一体的流体控制企业，其产品和服务在化工、石化、石油、液化气、造纸、采矿、电力、食品、制药、冶金、轻工、楼宇、市政工程、污水处理、环保、给排水等领域市场处于地位。公司凭着“生命在于运动、企业在与创新”的发展宗旨，紧跟市场需求，提升产品质量，竭诚为新老用户提供具的产品及服务，确保用户满意。本文将介绍某国外工程项目跟外商合作时所采用的一种换热管断裂时安全阀大泄放量的计算及选型方法，经使用达到了预期效果。现阐述如下。
　　
　　2计算模型的建立
　　
　　换热器管程和壳程的压力通常是不等的。为了叙述方便，本文设定管程的工作压力大于换热器壳程的设计压力。如图1所示，由于某种原因，换热器内的某一根换热管发生断裂，导致壳程侧的安全阀超压而起跳，流体从管程侧*流向壳程。在这种状态下，相当于这根断裂了的换热管将管程与
　　
　　壳程连通了。由于换热器管程进出口的压差相对于管程与壳程的压差来说比较小，可以忽略不计。于
　　
　　是流体在两段断裂的换热管内的流量相等。现以其中断裂的一段换热管建立流体流动模型。如图2所示，管道两端的压力差等于管程工作压力与壳程安全阀起跳时的大泄放量下的压力之差。计算在此压差下该管道内流体的质量流量，也就得到了换热器壳程安全阀的大泄放量。在一定的管道内，气体的质量流量随着管道进出口两端的压力差的增大而增加，直到管道出口端气体流动速度达到声速后，流速达到了极限。于是，气体的质量流量将不再随管道两端的压差增大而增加，这时气体在管道内的质量流量达到了极限值，称此现象为流体的阻流。流体在管道内发生阻流时的质量流量称为阻流流量，用m‘表示，出口端的压力为临界压力，用p表示。当出口处的压力低于临圈1换热管断裂时流体流动示意0L／m圈2换热管道内流体流动模型示意界压力时称为亚临界流动状态。流体在断裂的换热管内流动，同样遵循管路系统流体流动的伯努里能量平衡方程。按照Dm'ey—Weisbach方程，管道内因摩擦阻力引起的压力损失
　　
　　流体在水平管道内流动，其动能和势能的变化为零，管道两端的压力降等于摩擦阻力引起的压力
　　
　　损失，管道各截面处的质量流量相等。于是不可压缩流体在水平管道内流动，管道两端的压力降与流
　　
　　体的质量流量可以表示为。
　　
　　上述方程只适用于液体管道或气体管道两端的压力降不大时，通常认为仅适用于当其压差不超过
　　
　　管道进口压力的下述数值：对于气体，当不超过15时为1．3K(％计)；当大于15时为管道进口
　　
　　压力的5％；对于液体为管道进口压力的1％。否则，由于管道进出口的流体密度不同或射流的影响，按式(4)计算会得出不正确的结果。换热器换热管断裂时，换热管两端的压差一般都远远大于上述要求的管道内流体流动数的方程式可表达为
　　
　　根据式(5)计算在一定压差下管道内的气体质量流量，关键在于计算气体的膨胀因数。下面将利
　　
　　用气体在换热管道内流动的理论对气体膨胀因数的计算公式进行推导。根据《石油化工企业工艺装备管径选择导则》规定，可压缩流体在不保温的管道内流动，当管长大于1000倍管内径时按照理想气体的等温流动模型，当管长小于1000倍管内径时按照理想气体的绝热流动模型就能满足工程计算精度的要求。对于气体在管道内进行绝热流动的关系式如下：
　　
　　气体在管道内的马赫数是该气体在管道内的流速与声音在该气体中传播的速度(声速)之比，即。再根据理想气体方程式pV=nRT及V=m／p，可以得Streeter及lie在1975年所著的《流体流动机
　　
　　理》(第6版)，论述了关于气体在绝热管道中流动
　　
　　的方程式可表达为
　　
　　当气体在断裂的换热管内发生阻流时，换热管出口处的气体速度达到了极限值(等于c)，其管道
　　
　　出口端气体的Ma：=1。根据流动数的定义可知，此时换热管出121端的流动数No=(2)Ⅳ，于是
　　
　　根据方程式(11)，气体进121阻流流动数与压力损失系数K的关系式可以表达为分析式(12)可知，管道内流动的气体进口阻流流动数与气体的比热比y以及管道的压力损失系数K有关。在换热管断裂的情况下，系统的压力损失系数K是己知的，根据式(12)通过试差法可以求得此时的气体进口阻流流动数J7vi。用试差法求上述方程中J7v；的值很不方便，现以K为横坐标，将J7v；代入式(7)，得到换热管断裂时气体在换热管中的阻流质量流量m。m也就是管道系统中气体的大质量流量。
　　
　　可以得到换热管断裂时的气体阻流膨胀因数y的数值。于是根据气体膨胀因数的定义式(6)，可以得到断裂的换热管两端的临界压差值△p。当断裂的换热管两端的压差△p大于△p时，管道内的气体处于阻流流动状态，于是安全阀的泄放量就等于2m；当△：p小于△p时，气体处于亚临界流动状
　　
　　态。根据气体膨胀因数y的定义式，可以得到下面的方程式：将式(14)与式(10)和式(11)联列，消去J7v。、Ⅳ．后，从理论上讲可以得到y与△p、K、y的函数关系式。实际上，要消去J7v。、直接得到y与△p、K、y函数关系式是相当困难的。通常通过设定K为一整数值，绘制出y对于△p／△p的图表，如图4所示。利用图4，通过计算得到的△p以及己知的△p、K及的数值，得到相应的y值。再根据式
　　
　　(5)，计算出管道内亚临界流动状态下的气体质量流量，从而得到安全阀的泄放量。
　　
　　3安全阀泄放量的计算步骤
　　
　　依据上述推导的计算模型，换热管断裂时换热器壳程安全阀的大泄放量计算步骤如下2、根据换热管几何尺寸计算其总压力损失系数值；
　　
　　3、首先计算临界压差△p’，判断流体是否处于阻流状态，如果达到阻流状态就根据方程式(12)计
　　
　　算Ⅳ；值后，将Ⅳi’代入其定义式中得到换热管断裂时的阻流质量流量m’；当流体处于亚临界流动
　　
　　状态，根据计算得到的△p’，以及已知断裂的换热管两端的△p和K、，查图4得到气体膨胀因数y的
　　
　　值，然后根据式(5)求出管道内气体的质量流量m。
　　
　　4、安全阀的大泄放量为m或m’值的2倍。
　　
　　4计算实例及方法比较
　　
　　由上可见，换热管断裂时换热器壳程安全阀的大泄放量为2316kg／h。
　　
　　5、现按《石油化工装置工艺管道安装设计手册》提出的公式计算换热管破裂时气体介质的安全阀泄放量，
　　
　　Gg=246．3×10di(△ppg)。·
　　
　　：2．463×10×0．021×(O．34×9．290．5
　　
　　=1930kg／h
　　
　　安全阀的大泄放量等于2G，为3860kg／h。本文的计算方法计算的结果，仅为上述数值的60％。
　　
　　5结论
　　
　　本文的安全阀大泄放量计算方法，已在国外某工程项目设计中采用，达到了预期效果。从其计算结果可见，该方法所得的计算结果度较高，可供同仁参考。
　　
　　符号说明
　　
　　A——管道截面积，m；
　　
　　c一声速，m／s：
　　
　　c——定压比热容，J／(kg‘K)；
　　
　　cy——定容比热容，J／(kg·K)；
　　
　　d——管道内径，；
　　
　　D——管道外径，m：
　　
　　产一当量管道单位长度的摩擦阻力系数，1；
　　
　　G——气体泄放量，kg／h；
　　
　　压力损失系数，1；
　　
　　——管道进口端压力损失系数(Ki=1)，1；
　　
　　K——管道出口端压力损失系数(Ko=O．5)，1；
　　
　　——管道长度，m；
　　
　　m——管道内流体的质量流量，kg／s；
　　
　　m’——管道内流体的阻流质量流量，kg／s；
　　
　　胁——气体在管道内的马赫数，1；
　　
　　Ma’——气体在管道内发生阻流时的马赫数，1；
　　
　　n——气体的摩尔数，tool；