XXX公司转 助 工 论 文题目:安全阀的工艺计算及选用工艺室（部）XXX年 6 月 26 日摘要化工生产装置中，为了防止因火灾、操作失误或其他原因引起系统压力超过容器和管道的设计压力而发生爆炸事故，应设置防超压用的安全阀，使系统能及时泄压。一旦压力恢复正常，安全阀自行关闭，以保证设备的正常运行。安全阀的工艺计算包括泄放量的确定、操作条件的确定和喷嘴面积的计算三个步骤，然后根据安全阀的操作条件、定压值、泄放量以及计算得出的喷嘴面积，从安全阀样本中选用安全阀。关键词：安全阀；泄压；泄放量；喷嘴面积目录1 综述11.1安全阀的设置原则11.2 安全阀的分类11.3 安全阀型式的选择22 安全阀的工艺计算22.1 泄放量的确定22.2 操作条件的确定32.2.1 基本概念42.2.2 确定操作条件52.3 喷嘴面积计算52.3.1 临界流动压力和临界压力比62.3.2安全阀的喷嘴面积63 安全阀的选用7参考文献71 综述压力容器、锅炉和管道等受压设备因火灾、操作故障或停水、停电造成压力超过其设计压力时，易发生爆炸事故，常通过在设备或管道上安装安全泄压装置解决这一难题。当设备内介质的压力达到预定值时，安全泄压装置立即运作，泄放出压力介质。石化工业常用的安全泄压装置有阀型（安全阀）、断裂型（爆破片）和熔化型（易熔塞）等。石化工艺装置常用的安全阀装置一般选用安全阀或爆破片，或两种类型的组合。安全阀是一种由弹簧作用或由导阀控制的自动阀门。当入口处静压超过设定压力时，阀瓣上升以泄放被保护系统的超压，当压力降至回座压力时，可自动关闭。本论文将对“安全阀的工艺计算与选用”这一方向做简略阐述。安全阀的设置原则[1]a) 按现行国家标准《石油化工企业设计防火规范》的规定，在非正常条件下，可能超压的下列设备应设安全阀：顶部最高操作压力大于等于0.1MPa的压力容器；顶部最高操作压力大于0.03MPa的蒸馏塔，蒸发塔和汽提塔（汽提塔顶蒸汽通入另一蒸馏塔者除外）；往复式压缩机各段出口或电机往复泵、齿轮泵、螺杆泵等容积式泵的出口（设备本身已有安全阀者除外）；凡与鼓风机、离心式压缩机、离心泵或蒸汽往复泵出口连接的设备不能承受其最高压力时，上述机泵的出口；可燃气体或液体受热膨胀，可能超过设计压力的设备；顶部最高操作压力0.03～0.1MPa的设备应根据工艺要求设置。b) 应设安全阀的压力管道和不宜设安全阀的工艺设备，在这里不一一介绍，详见国家标准《石油化工企业设计防火规范》。1.2 安全阀的分类按平衡内压的方式不同分为弹簧式、杠杆式和先导式。弹簧式安全阀的应用最为广泛，它是利用压缩弹簧的力来平衡作用在阀瓣上的力。杠杆式安全阀根据杠杆原理，使用质量较小的重锤通过杠杆的增大作用获得较大的作用力，并通过移动重锤的位置（或改变重锤的质量）来调整安全阀的开启压力。先导式安全阀通过导阀的脉冲作用带动主阀运作，通常用于安全泄放量很大的锅炉和压力容器。按介质排放方式不同来分，可分为全封闭式、半封闭式和开放式。按现行国家标准《安全阀一般要求》分类，还分为直接荷载式、带动力辅助装置式、带补充载荷式和先导式。按阀瓣开启高度分类，可分为全启式和微启式。前者开启高度（h）不小于喷嘴直径（d0）的1/4，后者则d0＞h≥d0。此外，还有带扳手和不带扳手、带散热片和不带散热片、有波纹管和没有波纹管等几种类型的安全阀。1.3 安全阀型式的选择[2]a) 排放气体或蒸汽时，选用全启式安全阀；b) 排放液体时，选用全启式或微启式安全阀；c) 排放水蒸气或空气时，可选用带扳手的安全阀；d) 对设定压力大于3MPa，温度超过235℃的气体用安全阀，则选用带散热片的安全阀，以防止泄放介质直接冲蚀弹簧；e) 排放介质允许泄漏至大气的，选用开式阀帽安全阀；不允许泄漏至大气的，选用闭式阀帽安全阀；f) 排放有剧毒、有强腐蚀、有极度危险的介质，选用波纹管安全阀；g) 高背压的场合，选用背压平衡式安全阀或导阀控制式安全阀；h) 在某些重要的场合，有时要安装互为备用的两个安全阀。两个安全阀的进口和出口切断阀宜采用机械联锁装置，以确保在任何时候都能满足容器所要求的泄放面积。2 安全阀的工艺计算本论文就《XXX项目》项目中立式容器——原料缓冲罐（D-101）罐顶的安全阀进行计算。2.1 泄放量的确定在计算安全阀时，应先确定工艺所需的泄放量。造成设备超压的原因：一是火灾；二是操作故障；三是动力故障。确定安全阀的泄放量时，应视工艺过程的具体情况确定，并按可能发生危险情况中的最大一种考虑，但不应机械地将各种不利情况考虑在同一时间发生。罐D-101是一个长3m，直径1m，容积2.7m3，质量1.33t，材质为20R的无保温层立式容器，主要操作介质为碳四，罐内介质的组成成分、物性参数及操作和设计条件见表2-1和表2-2。表2.1介质组成成分表序号组分流量/（kg/h）质量百分数/（wt%）1正丁烷2.6413.22异丁烷9.4647.33丁烯7.939.54C5+0.000.0合计20100.00表2.2物性参数及操作和设计条件表物性参数分子量/（g/mol）57.3操作压力/（MPaG）0.36设计压力/（MPaG）1最高工作压力/（MPaG）0.67操作温度/（℃）40设计温度/（℃）120密度/（kg/m3）553.9粘度/（cp）0.151若按照出口阀关闭工况考虑，原料缓冲罐（D-101）的安全阀泄放量为进入设备的物料总量，即20kg/h。泄放量较小。所以应按照火灾工况考虑，介质为可燃液化气，泄放量GV可用式（2-1）计算：（2-1）式中：F——系数，容器设在地面下用砂土覆盖时，取F = 0.3；容器在地面上时，取F = 1；容器设置在大于101/m2?min喷淋设施下时，取F =0.6；A——容器的受热面积（m2）,按下列公式计算（D0外径，m；L长度，m；L’容器内最高液位，m）：对半球形封头的卧式容器A = π?D0?L；对椭圆形封头的卧式容器A = π?D0（L+0.3 D0）；对立式容器A = π?D0?L’；对球形容器或从地平面起到7.5m高度以下所包括的外表面积，取二者中较大的值；Hv——在泄放压力下液体的蒸发潜热，kJ/kg。（低于93 kJ/kg不能用）。已知，D-101是地面上的立式容器，外形尺寸Φ1000×3000，最高液位2.4m，所以取F = 1；A = π?D0?L’= 3.14×1×2.4 = 7.54 m2；泄放压力1MPaG下，罐中介质的蒸发潜热Hv = 285.86 kJ/kg>93 kJ/kg，可用。由（2-1）式计算，得 GV = 4675.44kg/h。即原料缓冲罐（D-101）的安全阀泄放量按照火灾工况考虑，为4675.44kg/h。2.2 操作条件的确定2.2.1基本概念[1]a) 定压PS。安全阀开启的压力。安全阀定压必须等于或稍小于设备的设计压力；一般设备可根据不同工艺操作压力按设备设计压力的要求确定其安全阀的定压，当安全阀定压等于设备设计压力时，定压PS：当P ≤ 1.8MPa时，PS = P + 0.18 + 0.1；当1.8 < P < 4MPa时，PS = 1.1P + 0.1；当4 < P ≤ 8MPa时，PS = P + 0.4 + 0.1；当P > 8MPa时，PS = 1.05P + 0.1；P为设备（或管道）最高操作压力，MPaG；PS为安全阀定压MPaA。对有特殊要求者，应根据其要求确定PS值；但设备（或管道）的设计压力必须等于或稍大于所选定的安全阀定压值。b) 积聚压力Pa。安全阀的最高泄放压力与其定压之间有一差值，此压力差即为积聚压力。可根据一下不同情况选取：无火压力容器上的安全阀 Pa = 0.1PS；着火有爆炸危险容器上的安全阀 Pa = 0.2PS；蒸汽锅炉上的安全阀 Pa = 0.03PS；c) 最高泄放压力Pm。安全阀达到最大泄放能力时的压力，一般可按下式确定：Pm = PS + Pad) 背压P2。安全阀出口压力。安全阀开启前泄压总管的压力与安全阀开启后介质流动所产生的流动阻力之和。背压值一般应小于气体的临界流动压力PX值。对普通型（非平衡型）安全阀，P2不宜大于定压值PS的10%；对波纹管型（平衡型）安全阀，P2不宜大于定压值PS的30%。e) 回座压差。安全阀回座压差必须小于定压和操作压力之差。如果安全阀定压高于操作压力10%，则回座压差一般应规定为操作压力的5%。有时需要在订购安全阀表中注明此值。压力关系表见表2-3全阀与容器有关的压力关系表表2-3全阀与容器有关的压力关系表容器压力百分比安全阀设计压力（或最大允许工作压力）121%火灾用安全阀的最大泄放压力116%非火灾用辅助安全阀的最大泄放压力110%非火灾用主安全阀的最大泄放压力、火灾用辅助安全阀的最大设定压力105%非火灾用辅助安全阀的最大设定压力100%主安全阀的最大设定压力93%~97%回座压力2.2.2确定操作条件a) 定压PS。由于罐D-101是利旧设备，最高操作压力P=0.67MPaG，设计压力为1.0MPaG，安全阀定压必须等于或稍小于设备的设计压力，根据设计压力反推定压，得安全阀的定压PS = 0.95×1.1MPaA=1.05MPaA=0.95MPaG。b) 积聚压力Pa。着火有爆炸危险容器上的安全阀积聚压力Pa = 0.2PS = 0.2×1.05 = 0.21MPa。c) 最高泄放压力Pm。Pm = PS + Pa = 1.05+0.21 =1.26MPaA=1.16MPaG。d) 背压P2。安全阀出口接火炬线，故静背压等于火炬线管道压力（0.003MPaG），动背压由外管计算得0.05MPaG，即背压P2=0.003+0.05=0.053MPaG。e) 回座压差。对罐D-101安全阀定压PS = 1.05MPaA=0.95MPaG，最高操作压力P为0.67MPaG，安全阀定压高于操作压力的10%，所以回座压差为操作压力的5%，即回座压差=(0.67+0.1)×5%=0.0385 MPaA。2.3 喷嘴面积计算在泄放压力下，罐D-101顶的安全阀泄放温度T1=73.3℃，罐内气体压缩因子Z=0.796，绝热系数K=1.202，泄放密度为27.868kg/m3。2.3.1 临界流动压力和临界压力比当安全阀的进出口压力P2/P1=σx时，进一步降低出口压力而流量不再增加。此时的流量称之为临界流量。临界流动压力可按式（2-2）计算：Px=P1σx （2-2）式中：Px——气体的临界流动压力，MPaA；σx——气体的临界流动压力比，，其中K为气体的绝热系数；P1、P2——进出口压力，MPaA。进口压力，即泄放压力P1=1.1PS=1.1×1.05=1.155 MPaA（超压百分数按10%算）。绝热系数K=1.202，所以σx=0.564，P1、σx带入式（2-2）得PX=0.651 MPaA>P2，所以，可判断为临界条件。2.3.2安全阀的喷嘴面积气体在临界流动条件下，安全阀的喷嘴面积可以按式（2-3）计算：（2-3）式中：A0 ——最小泄放面积，cm2；GV ——气体最大泄放量，kg/h；KF ——流量系数，与安全阀的结构有关；最好由制造厂家提供，需要时，可按下述规定选用：全启式KF = 0.6～0.7；带调节圈的微启式KF = 0.4～0.5；不带调节圈的微启式KF = 0.25～0.35；Pm ——最高泄放压力MPaA；Z——气体在Pm时的压缩因子；T1——进口处介质温度，K；M——气体分子量；C——气体特性系数，；Kb——背压校正系数。对普通型安全阀的P2值一般要求小于0.1PS，在此条件下，Kb值可取为1。对于罐D-101，GV = 4675.44kg/h；KF取0.65；Pm=1.26MPaA；M=57.3；Z = 0.796；由K=1.202得C=252.4；Kb值取为1。进口温度，即泄放温度T1= 346.45 K。将上述数据带入式（2-3），得A0=4.962cm2=496.2mm2。3 安全阀的选用a）石油化工装置所用安全阀一般均选用弹簧全启式，在一般情况下，可选用普通型安全阀。当背压变化较大时，可选用波纹管式安全阀。但波纹管型不适用于酚、蜡液、重石油馏分、含焦粉等介质以及往复式压缩机等场所。b）根据介质的操作温度和安全阀定压值确定安全阀的公称压力和最高泄放压力Pm。c）根据计算所得出喷嘴面积，可从安全阀样本或其他资料中选用安全阀，选用的安全阀喷嘴面积必须大于计算面积。如果一个安全阀的喷嘴面积不能满足需要，可选用两个或多个安全阀并联，并使其总面积大于计算面积。d）弹簧安全阀定压应按不同结构的安全阀的要求确定。普通型安全阀在常压下调整弹簧时，其弹簧定压应调整为安全阀定压PS减去其背压P2的差值，即弹簧定压值为PS - P2；对波纹管安全阀，弹簧定压值即为安全阀的定压值PS。在选用安全阀时，应注明其定压范围或确定其弹簧号。本论文计算的罐D-101顶安全阀，喷嘴面积为496.2 mm2，从北京航天动力研究所安全阀选用手册中，选择喉径为H（572.6 mm2）、进口1.5”、出口3”、进出口法兰压力等级均为150Lb RF面的普通型封闭式安全阀。参考文献1.张德姜、王怀义等.石油化工装置工艺管道安装设计手册.第一篇，设计与计算（第五版）.P332～3422.工艺系统工程设计技术规定HG/T 20570-95.P27，P52