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安全閥的計算與選型

安全閥的計算與選型

單麗娟（豪邁化工）
引言

安全閥作為一種安全泄放裝置，能夠有效預防由生產(chǎn)裝置超壓引起的爆炸事故。它安裝在壓力容器或管道上，在緊急情況或異常工況下開(kāi)啟，防止內部壓力超過(guò)設計規定的安全值，保護壓力容器或管道等受壓設備發(fā)生爆炸事故的裝置。大多數化工裝置系統操作壓力比較高，而且化工物料介質(zhì)多可燃易爆，如果安全閥設計考慮不周全，超壓泄放時(shí)容易引起火災、爆炸等事故。因此，從安全角度出發(fā)，安全閥的合理計算與設計對化工裝置來(lái)說(shuō)是非常重要的。
1安全閥概述

 
1.1   安全閥操作參數
1.1.1 定壓(Ps):安全閥開(kāi)啟的壓力，其數值必須等于或稍小于設備或管道的設計壓力。當安全閥的定壓等于設備設計壓力時(shí)，安全閥的定壓見(jiàn)表1-1-1。
表1-1-1 安全閥定壓
 1.1.2  積聚壓力(Pa):安全閥的最高泄放壓力與其定壓之間有一差值，此壓力差即為積聚壓力。安全閥的積聚壓力一般取定壓的0.1倍，即Pa=0.1Ps。
1.1.3  最高泄放壓力(Pm):安全閥達到最大泄放壓力能力時(shí)的壓力：
Pm=Ps+Pa
1.1.4  背壓（P2）：即出口壓力，為安全閥開(kāi)啟前泄壓總管的壓力與安全閥開(kāi)啟后介質(zhì)流動(dòng)所產(chǎn)生的流動(dòng)阻力之和。對于普通型安全閥，P2不宜大于定壓值Ps的10%。
1.1.5  回座壓力：安全閥的回座壓力介于安全閥的操作壓力與定壓之間。當定壓高于操作壓力10%時(shí)，回座壓力一般高于操作壓力5%。                      
 
1.2   安全閥分類(lèi)
安全閥形式繁多，按照不同的分類(lèi)標準，會(huì )有不用的分類(lèi)，下面簡(jiǎn)單介紹一下常見(jiàn)的分類(lèi)類(lèi)型：
1.2.1按開(kāi)啟高度分類(lèi)
(1) 微啟式安全閥
微啟式安全閥的開(kāi)啟高度介于流通直徑的1/40和1/20之間。主要用于排放不可壓縮流體（如水或油等液體）。
(2) 全啟式安全閥
全啟式安全閥的開(kāi)啟高度大于等于流通直徑的1/4。全啟式安全閥的排放面積是閥座喉部最小截面積。主要用于排放可壓縮流體（如蒸汽和其他氣體）。
(3) 中啟式安全閥
開(kāi)啟高度介于微啟式與全啟式之間，這種形式的安全閥在我國應用的比較少。
1.2.2按有無(wú)機構分類(lèi)
當安全閥用于系統有背壓的情況時(shí)，安全閥的開(kāi)啟壓力就會(huì )產(chǎn)生變化，而當這個(gè)背壓值是個(gè)變量時(shí)，安全閥就無(wú)法正常地工作，為此，設計了各種能用于背壓工況的背壓平衡式安全閥。
(1)  背壓平衡式安全閥
在安全閥中設置了諸如波紋管，活塞或者膜片等平衡背壓作用的元件，這些元件的有效直徑等于安全閥關(guān)閉件密封面平均直徑，在開(kāi)啟之前背壓對閥瓣上下兩側的作用力互相平衡，故附加背壓的變化不會(huì )影響到開(kāi)啟壓力的大小。當附加背壓不是固定值，且其變化較大時(shí)，應采用背壓平衡式安全閥。一般采用背壓平衡式安全閥的界限是附加背壓的變化量超過(guò)開(kāi)啟壓力的10%以上。
(2)非平衡式安全閥
 非平衡式安全閥也稱(chēng)為常規式安全閥。它不帶有平衡背壓作用的元件，適用于背壓為大氣壓，背壓為固定值或變化量不大的場(chǎng)合，靜力背壓不超過(guò)10%。
2安全閥設計規定

 
2.1壓力容器
壓力容器需要設置泄壓設施，當多個(gè)壓力容器比如容器、換熱器、塔等共用一個(gè)安全閥時(shí)，相互連接的管道上不可以設置閥門(mén)、調節閥等可能將壓力容器與安全閥隔斷的設施。
 
2.2換熱器
 (1)當泵出口閥門(mén)關(guān)閉時(shí)的壓力大于換熱器設計壓力的110%，需設置安全閥。
 (2)換熱器進(jìn)出口設有閥門(mén)，若在操作時(shí)低溫側閥門(mén)可能全部或部分關(guān)閉，則低溫側需設置安全閥。
 (3)當換熱器低壓側的設計壓力小于高壓側設計壓力的2/3時(shí)，需考慮換熱器管破裂后低壓側的壓力保護。
 
2.3機械設備
若壓縮機在出口關(guān)閉可能造成壓縮機殼超壓，應設泄壓設施。
 
2.4管道系統
可燃氣體和可燃液體受熱膨脹可能超過(guò)設計壓力的管道應設安全閥。
3 實(shí)例分析

 
3.1壓縮空氣儲罐的安全閥的選型
由壓縮空氣主管線(xiàn)向裝有不可燃液體的儲罐中通壓縮空氣輸送儲罐內液體，壓縮空氣主管壓力為0.6MPa，溫度為常溫。計算儲罐安全閥的計算選型。
t=30℃，取進(jìn)氣管的氣體流速為v=15m3/h

儲罐的安全泄放量W為：         

                             Ws=7.55(ρ0)vd2Pd/T

=7.55×1.293×15×202×0.88/303
                                 =170kg/h
式中：ρ0—氣體在標準狀態(tài)下的密度kg/m3
           Pd—容器的排放壓力MPa(A)
           T—容器的排放溫度 (K)
           d—容器的總進(jìn)管內徑(mm)
式中：C—氣體特性系數
K—安全閥額定泄放系數
Z—該氣體在工作溫度和壓力下的壓縮系數
d0=(32.2/0.785)1/2=7mm
根據統計概算，全啟式安全閥的喉徑d0與公稱(chēng)直徑DN之比約為0.625
DN=7/0.625=12mm
所以該儲罐選用公稱(chēng)直徑DN25的全啟式安全閥。
 
3.2液化石油氣的安全閥的選型
液化石油氣儲罐，筒體內徑Di=1600mm，長(cháng)度L=6000mm，壁厚δn=16mm，V=13.3m3，封頭形式為橢圓，介質(zhì)組成：丙烯60%，正異丁烯10%，丙烷10%，正異丁烷15%，殘液5%。該儲罐無(wú)絕熱保溫層，各組分的汽化潛熱見(jiàn)表3-2-1。
表3-2-1單一組分汽化潛熱
       對無(wú)絕熱保溫層的壓力容器按GB150中B.3計算安全泄放量[2]：
式中：q—在泄放條件下，液體的汽化潛熱，kJ/kg
          Ar—容器受熱面積，橢圓封頭的臥式容器Ar=3.14D0(L+0.3 D0)

          F—系數，容器置于地面上時(shí)，F=1。容器置于地面以下用砂土覆蓋時(shí)，F=0.3。容器置于大于10L/(m2·min)噴淋裝置下時(shí)，F=0.6；

                              Ar=3.14D0(L+0.3 D0)

    =3.14×1.632（6.916+0.3×1.632）
                                 =37.9m2
50℃汽化潛熱
q=ΣXiri
 =285.96×0.6+343.7×0.1+285.5×0.1+317.8×0.15+337×0.05
  =299kJ/kg
對于儲罐的筒體長(cháng)度≥6m時(shí)，應設置兩個(gè)安全閥。這樣單個(gè)安全閥的泄放量就按一般的泄放量來(lái)計算，不至于安全閥選型過(guò)大造成浪費。
根據統計概算，全啟式安全閥的喉徑d0與公稱(chēng)直徑DN之比約為0.625.
DN=27.28/0.625=43.648mm
所以該儲罐選用兩個(gè)公稱(chēng)直徑DN50的全啟式安全閥。
安全閥作為一種安全保護用閥，通過(guò)向系統外排放介質(zhì)來(lái)防止設備或管道內介質(zhì)壓力超過(guò)額定值。安全閥在高壓設備和管道中是人身安全和設備保障的重要手段，并與環(huán)境保護和節能改造緊密相關(guān)。因此，在工程設計中的安全閥的研究對保證設備和管道系統的安全具有重要的意義。

參考文獻

[1]張慧,王佳杰,紀忠斌,安全閥系統設計應用解析[J].化工設計,2009,19(3):30-33.
[2]GB150.1-2011壓力容器[S].2012年.