壓力容器安全閥的安全排放量計(jì)算 上海申弘閥門有限公司 二.安全閥計(jì)算實(shí)例 我們在壓力容器設(shè)計(jì)和定期檢驗(yàn)中均要求對安全閥的安全排放能力進(jìn)行選型或校驗(yàn)計(jì)算。基于以往資料不齊全,往往以大代小,造成不必要的浪費(fèi)?,F(xiàn)擬以GB150附錄B-B5.1 b)為依據(jù),用不同介質(zhì)、壓力、溫度對安全閥的安全排放量進(jìn)行選型計(jì)算。 1. 應(yīng)用范圍 1.1 本規(guī)定僅適用于化工生產(chǎn)裝置中壓力大于0.2MPa的壓力容器上防超壓用安全閥的設(shè)置和計(jì)算,不包括壓力大于100MPa的超高壓系統(tǒng)。上海申弘閥門有限公司主營閥門有:減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導(dǎo)式減壓閥,空氣減壓閥,氮?dú)鉁p壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。適用于化工生產(chǎn)裝置中上述范圍內(nèi)的壓力容器和管道所用安全閥;不適用于其它行業(yè)的壓力容器上用的安全閥,如各類槽車、各類氣瓶、鍋爐系統(tǒng)、非金屬材料容器,以及核工業(yè)、電力工業(yè)等。 1.2計(jì)算方法引自《工藝設(shè)計(jì)手冊》 (Q/SPIDI 3PR04-3-1998),使用本規(guī)定時(shí),一般情況應(yīng)根據(jù)本規(guī)定進(jìn)行安全閥計(jì)算,復(fù)雜工況仍按《工藝設(shè)計(jì)手冊》有關(guān)章節(jié)進(jìn)行計(jì)算。 1.3 本規(guī)定提供了超壓原因分析,使用本規(guī)定必須詳細(xì)閱讀該章節(jié)。 2. 計(jì)算規(guī)定的一般說明 2.1 安全閥適用于清潔、無顆粒、低粘度流體,凡必須安裝泄壓裝置而又不適合安全閥的場所,應(yīng)安裝爆破片或安全閥與爆破片串聯(lián)使用。 2.2 在工藝包設(shè)計(jì)階段(PDP),應(yīng)根據(jù)工藝裝置的操作規(guī)范,按照本規(guī)定(見5.0章節(jié)),對本規(guī)定所列的每個工況進(jìn)行分析,根據(jù)PDP的物流表,確定每個工況的排放量,填入安全閥數(shù)據(jù)表一。 2.3 在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)階段(BDP)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段(DDP),按照泄放量的計(jì)算書規(guī)定(見6.0章節(jié)),在安全閥數(shù)據(jù)表一的基礎(chǔ)上,形成安全閥數(shù)據(jù)表二(數(shù)據(jù)表)和安全閥數(shù)據(jù)表三。安全閥數(shù)據(jù)表三作為條件提交有關(guān)專業(yè)。 例1:有一空氣儲罐,DN1000㎜,容積V=5m3高工作壓力為0.8MPa,工作溫度為30℃進(jìn)口管為φ57X3.5,確定安全閥尺寸. 解1)確定氣體的狀態(tài)條件 設(shè)Po—安全閥出口側(cè)壓力(絕壓)0.103MPa(近似為0.1MPa) 則Pd—安全閥泄放壓力(絕壓)為 Pd=1.1Pw+0.1+10%P=1.068MPa(GB150附錄B4.2.1) 當(dāng)安全閥出口側(cè)為大氣時(shí): Po/Pd=0.103/1.068=0.0936 而(2/(k+1))k/(k-1) =(2/(1.4+1))1.4/(1.4-1)=0.53 ∴ Po/Pd<(2/(k+1))k/(k-1) 是屬于臨界狀態(tài)條件, 安全閥排放面積A按(B5)計(jì)算 A≥ mm (B5) 式中: C氣體特性系數(shù),查表B1或C=520√k(2/(k+1)(k+1)/(k-1)) K—安全閥額定泄放系數(shù),K=0.9倍的泄放系數(shù)(泄放系數(shù)由制造廠提供,一般為0.75);或按《容規(guī)》附件五第二節(jié)有關(guān)規(guī)定中選取. 2)容器安全泄放量的計(jì)算: 盛裝壓縮氣體或水蒸汽的容器安全泄放量,按下列規(guī)定來確定 a.對壓縮機(jī)貯罐或水蒸汽的容器,分別取壓縮機(jī)和水蒸汽發(fā)生器的大產(chǎn)氣量; b.氣體儲罐等的安全泄放量按(B1)式計(jì)算 Ws=2.83×10-3ρυd2 ㎏/h (B1) 式中 ρ為排放壓力下的氣體密度. ρ=M(分子量)×Pw’(排放壓力)×273/(22.4×(273+t)) 空氣M=28.95 排放壓力Pw’=10.68㎏/㎝2 代入上式得 ρ=28.95×10.68×273/22.4×303=12.44㎏/m3 υ—容器在工作壓力下的進(jìn)口管的氣體流速m/s;查表2得υ=10~15m/s
一些常用氣體流速范圍 表2 流體名稱/輸送壓力MPa | 流速范圍m/s | | 流體名稱/輸送壓力 MPa | 流速范圍 m/s | 壓縮空氣 0~0.1 >0.1~<0.6 >0.6~<1.0 >1.0~<2.0 >2.0~<3.0 一般氣體(常壓) 氧氣 <0.6 0.05~0.6 飽和水蒸汽(主管) (支管) 低壓蒸汽 <1.0 低壓蒸汽 <1.0 低壓蒸汽 <1.0 | 10~15 10~20 10~15 8~10 3.0~6.0 10~20 5.0~10.0 7.0~8.0 30~40 20~30 15~20 20~40 40~60 | 飽和水蒸汽(主管) (支管) 煤氣(初壓)2KPa (初壓)6KPa 氨氣 ≤0.6 1.0~2.0 液氨 氮?dú)?nbsp;5~10 乙炔氣 氫氣 自來水 (主管) (支管) 氣體 | 40~60 35~40 0.75~3.0 3~12 10~20 3.0~8.0 0.3~1.0 2.0~5.0 2.0~8.0 ≤8.0 1.5~3.5 1.0~1.5 ≤1.0 |
取υ=10m/s. 將上述ρ、ν、d代入得 Ws=2.83×10-3×12.44×15×502 =1320.2㎏/h 則A= =205.4mm2 若采用帶板手全啟式安全閥 A=0.785d02=205.4mm2 d0=(205.4/0.785)1/2=16.2㎜ 根據(jù)統(tǒng)計(jì)概算,全啟式安全閥的喉徑d0與公稱直徑DN之比約為0.625,而微啟式安全閥的喉徑d0與公稱直徑DN之比約為0.8. ∴選用公稱直徑DN32的全啟式帶板手安全閥.
安全閥公稱直徑與喉徑關(guān)系 表3 | 安全閥公稱壓力\公稱直徑 | DN 15、20、25、32、40、50、80、100 | 全 啟 式 | PN (MPa)1.0、2.5、4.0、6.4 | do 20、25、32、50、65 | PN (MPa)10.0 | 20、25、32、40、50 | PN (MPa)16、32 | 12、20 | 微 啟 式 | PN (MPa)1.6、2.5、4.0、6.4 | do 12、16、20、25、32、40、65、80 | PN (MPa)16、32 | do 8 12 | PN (MPa)16、32 | 14/16 |
例2.將例題1的介質(zhì)改為蒸汽。 解:在壓力容器中,絕大多數(shù)安全閥的出口側(cè)壓力與它的泄放壓力之比即Po/pd都小于理論值0.528。(此值由空氣作試驗(yàn)介質(zhì)求得Po/pd=0.528)屬于臨界狀態(tài)。 Pd——安全閥的泄放壓力(絕壓) Pd=1.1×P+0.1MPa=1.1×1.1Pw+0.1=1.21×0.8+0.1=1.068MPa 查得ρ=5.388Kg/m3. K=455°(t=182℃) ∴WS=2.83×10-3ρνd2=2.83×10-3×5.388×25×502=953Kg 小排放面積A A= 其中蒸汽在工作溫度和壓力下的壓縮系數(shù)Z??筛鶕?jù)高鴻華主編《壓力容器安全技術(shù)問題》第71問中的公式進(jìn)行計(jì)算:(注1) Z= = =0.93 式中:R——848Kg·m/Kmol·K T——蒸汽溫度K ν——蒸汽比容 M——分子量。 蒸汽k=1.135 ∴A= =245.7mm2 do= = =17.7㎜ 取DN=32的安全閥。(do=20㎜) 注1、介質(zhì)壓縮系數(shù)可按GB150附錄B章進(jìn)行計(jì)算,一些常用介質(zhì)的臨界特性,由表4查得
某些氣體的主要物理特性 表4 名稱 | 分子量 | 臨界溫度t℃ | 臨界壓力Patm(絕壓) | K=Cp/Cv | 氫 H2 | 2.02 | -239.9 | 12.8 | 1.407 | 氧 O2 | 32 | -118.8 | 49.71 | 1.4 | 空氣 | 29 | -140.8 | 37.25 | 1.4 | 氧化氮NO | 30 | -94 | 67.2 | 1.4 | 二氧化碳CO2 | 44 | 31.1 | 72.9 | 1.30 | 水蒸汽 H2O | 18.2 | 374.1 | 225.4 | 1.3(過熱)1.135 | 氨NH3 | 17.03 | 132.4 | 111.5 | 1.29 | 硫化氫 H2S | 34.09 | 100.4 | 88.9 | 1.3 | 氟-12 CF2Cl2 | 120.09 | 111.7 | 39.6 | 1.14 | 氯 Cl2 | 70.91 | 144.0 | 76.1 | 1.36 | 丙烷 C3H8 | 44.09 | 96.84 | 42.01 | 1.133 | 丁烷C4H10 | 58.12 | 152.01 | 37.47 | 1.094 | 苯 C6H6 | 78.11 | 287.6 | 48.7 | 1.18 | 乙炔 H2C2 | 26.04 | 36.3 | 61.6 | 1.238 | 異丁烷 | 58.12 | 58.12 | 36.00 | 1.079 |
上述的工況。同樣可以用(B7)式進(jìn)行計(jì)算。該式在計(jì)算時(shí)略去繁鎖系數(shù)Z的計(jì)算,當(dāng)Pd≤10Mpa時(shí) A= = =242.8mm2 do= = =17.6㎜ *,壓縮系數(shù)Z是反映了真實(shí)氣體在壓力、溫度和比容之間的關(guān)系上和理想氣體的差異。在常溫及壓力不太高的情況下,真實(shí)氣體與理想氣體的差異不大。即壓縮系數(shù) Z≈1,而一般常用的二原子氣體,如空氣、氧、氮、氫及一氧化碳等氣體的絕熱指數(shù)K均為1.4。因此,安全閥排量計(jì)算公式簡化為下式: W=27KPdA 用例題1的工況,代入后即得 與例題1的詳細(xì)計(jì)算相差極小,另一方面應(yīng)注意的是,如合成氨的循環(huán)機(jī)的安全閥,由于出口側(cè)的壓力很大。因而壓力比Po/Pd>(2/(k+1) )k/(k-1)屬于處在亞臨界狀態(tài),則應(yīng)用式(B6)來計(jì)算安全閥泄放量。但鍋爐系統(tǒng)的安全閥選型計(jì)算要以《鍋規(guī)》所給出的公式及系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。 例3:液化石油氣貯罐,筒體內(nèi)徑Di=1600㎜,長度L=6000㎜,壁厚δn=16㎜,V=13.3m3,封頭形式為橢圓,介質(zhì)組分為: 丙烯50%、丙烷15%、正異丁烯15%、正異丁烷15%、殘液5%.液化石油氣組分見表5。 液化石油氣單一成分組分及汽化潛熱 表5 重量組分X1 | 丙 烷C3H8 | 丙烯C3H6 | 正異丁烯 | 正異丁烷 | 殘液 | 50℃汽化潛熱kJ/kg | 285.5 | 285.96 | 343.7 | 317.8 | 337 |
液化石油氣貯罐,一般不設(shè)保溫且夏日均配備水噴淋予以冷卻。 解:對無絕熱材料保冷層的壓力容器其安全泄放量按(B3)計(jì)算。 W=2.55×105FAt×0.82/q kg/h 式中:F—系數(shù),對于地面上的容器,F(xiàn)=1 At—容器受熱面積,橢圓封頭的臥式貯罐 At=πD0(L+0.3 D0)=3.14×1.632(6.916+0.3×1.632)=37.9㎡ 50℃汽化潛r=∑Xiri=285.5×0.15+285.96×0.5+343.7×0.15+317.8×0.15 +337×0.05=301.9KJ/㎏ ∴安全泄放量W’= = =16640㎏/h 安全閥的泄放能力計(jì)算 對于貯罐的筒體長度≥6m時(shí),應(yīng)設(shè)置兩個安全閥。在一般情況下分半值來計(jì)算較為合理。這樣才不致于使安全閥選得過于大型而造成浪費(fèi)。安全閥的小排氣面積A為 式中Pd=1.1P+0.1=1.1×1.8+0.1=2.08MPa M分子量=44 (以主要成分丙烷) ∴do= = =27.12㎜ 選用DN40A42H—4.0的全啟式安全閥兩只。(此檔安全閥小公稱直徑為40) 由兩臺或兩臺以上的裝置集中輸氣到一個貯罐(集中罐)?;蛴梢慌_設(shè)備分別輸氣到幾個貯罐(分氣罐)時(shí)。貯罐的安全泄放量的計(jì)算見例4。 例4、由兩臺空氣壓縮機(jī)同時(shí)向體積為V=100m3的集氣罐輸氣。其輸氣壓力為Pw=1.0MPa;t為常溫。進(jìn)氣管為φ108×4。此時(shí)貯罐的安全泄放量。 ∵在Pw=1.0Mpa;t=20℃時(shí),ρ=12.87㎏/m3。取進(jìn)氣管的氣體流速為ν=15m/s ∴貯罐的安全泄放量W為 W‘=7.55(ρo)Vd2 =7.55×1.293×15×1002× =6.55×103㎏/h 式中:ρo——氣體在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度㎏/m3;空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的P=12.87㎏/m3 Pd——容器的排放壓力MPa() T——容器的排放溫度()K d——容器的總進(jìn)氣管內(nèi)徑㎜ 實(shí)際上W'=7.55ρoVd2 與W=28×10-3ρVd2是等效的,不同處在于不用去求取氣體在排放狀態(tài)下的密度ρ(㎏/m3)。 除上述的一些常見的貯罐外,我們還遇到如蒸發(fā)器、反應(yīng)器之類由于器內(nèi)液體受熱蒸發(fā)而增大壓力,或由于化學(xué)反應(yīng)而使介質(zhì)氣化。 體積增大內(nèi)壓升高,其安全泄放量應(yīng)分別根據(jù)輸入載熱體的放出熱量或器內(nèi)化學(xué)反應(yīng)可能生成的大氣量,以及反應(yīng)所需的時(shí)間來決定。 另外,JB/T4750-2003《制冷裝置用壓力容器》B.4安全閥及爆破片口徑中介紹了配備在容器上的安全閥口徑計(jì)算方法,我們可以在設(shè)計(jì)中參考選用。 d=C1 (B.1) 式中C1=35 B.2) D0--容器外徑m L—— 容器長度m P—— 為設(shè)計(jì)壓力MPa 兩個以上容器連通時(shí),其安全閥口徑是將各自容器的D0L值之和代入(B.1)式進(jìn)行計(jì)算。 參 考 資 料 《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》 《壓力容器安全技術(shù)問答》勞動人事出版社 GB150—1998《鋼制壓力容器》學(xué)苑出版社 《鍋爐壓力容器安全工程學(xué)》北京經(jīng)濟(jì)學(xué)院出版社 《燃?xì)鈮毫θ萜鳌分袊ㄖI(yè)出版社 《化工工藝設(shè)計(jì)手冊》上海科學(xué)技術(shù)出版社 JB/T4750-2003《制冷裝置用壓力容器》國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會 與本文相關(guān)的論文有:安全閥定期檢驗(yàn)辦事指南 |