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安全阀计算实例
安全阀计算实例
陈桦
安全阀系压力容器在运行中实现超压泄放的安全附件之一,也是在线压力容器定期检验中必检项目。
它包括防超压和防真空两大系列,即一为排泄容器内部超压介质防止容器失效,另一方面则为吸入外部介质以防止容器刚度失效。
凡符合《容规》适用范围的压力容器按设计图样的要求装设安全阀。
一.安全阀的选用方法
a)根据计算确定安全阀.公称直径.必须使安全阀的排放能力≥压力容器的安全泄放量
b)根据压力容器的设计压力和设计温度确定安全阀的压力等级;
c)对于开启压力大于3MPa蒸汽用的安全阀或介质温度超过320℃的气体用的安全阀,应选用带散热器(翅片)的形式;
d)对于易燃、毒性为极度或高度危害介质必须采用封闭式安全阀,如需采用带有提升机构的,则应采用封闭式带板手安全阀;
e)当安全阀有可能承受背压是变动的且变动量超过10%开启压力时,应选用带波纹管的安全阀;
f)对空气、60℃以上热水或蒸汽等非危害介质,则应采用带板手安全阀
g)液化槽(罐)车,应采用内置式安全阀.
h)根据介质特性选合适的安全阀材料:
如含氨介质不能选用铜或含铜的安全阀;乙炔不能选用含铜70%或紫铜制的安全阀.
i)对于泄放量大的工况,应选用全启式;对于工作压力稳定,泄放量小的工况,宜选用微启式;对于高压、泄放量大的工况,宜选用非直接起动式,如脉冲式安全阀.对于容器长度超过6m的应设置两个或两个以上安全阀.
j)工作压力Pw低的固定式容器,可采用静重式(高压锅)或杠杆重锤式安全阀.移动式设备应采用弹簧式安全阀.
k)对于介质较稠且易堵塞的,宜选用安全阀与爆破片的串联组合式的泄放装置.
l)根据安全阀公称压力大小来选择的弹簧工作压力等级.安全阀公称压力与弹簧工作压力关系,见表1
m)
安全阀公称压力PN与弹簧工作压力关系表
表1
PN
弹簧工作压力等级
1.6
0.06~0.1
>0.12
>0.16~0.25
>0.25~0.4
>0.4~0.5
>0.5~0.6
>0.6~0.8
>0.8~1.0
>1.0~1.3
>1.3~1.6
2.5
>1.3~1.6
>1.6~2.0
>2.0~2.5
只能用于大于1.3MP
6.4
->1.3~1.6
>1.6~2.0
>2.0~2.5
>2.5~3.2
>3.2~4.0
>4.0~6.4
只能用于大于1.3MPa
10
>4~5
>5~6.4
>6.4~8
>8~10
只能用于
大于4.0MPa
安全阀应动作灵敏可靠,当到达开启压力时,阀瓣应及时开启和完全上升,以顺利排放;同时应具有良好的密封性能,不仅正常工作时保持不漏,而且要求阀瓣在开启复位后及时关闭且保持密封;在排气压力下阀瓣应达到全开位置,无震荡现象,并保证排出规定的气量。
二.安全阀计算实例
我们在压力容器设计和定期检验中均要求对安全阀的安全排放能力进行选型或校验计算。
基于以往资料不齐全,往往以大代小,造成不必要的浪费。
现拟以GB150附录B-B5.1b)为依据,用不同介质、压力、温度对安全阀的安全排放量进行选型计算。
例1:
有一空气储罐,DN1000㎜,容积V=5m3最高工作压力为0.8MPa,工作温度为30℃进口管为φ57X3.5,确定安全阀尺寸.
解1)确定气体的状态条件
设Po—安全阀出口侧压力(绝压)0.103MPa(近似为0.1MPa)
则Pd—安全阀泄放压力(绝压)为
Pd=1.1Pw+0.1+10%P=1.068MPa(GB150附录B4.2.1)
当安全阀出口侧为大气时:
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)是属于临界状态条件,安全阀排放面积A按(B5)计算
A≥
mm(B5)
式中:
C气体特性系数,查表B1或C=520√k(2/(k+1)(k+1)/(k-1))
K—安全阀额定泄放系数,K=0.9倍的泄放系数(泄放系数由制造厂提供,一般为0.75);或按《容规》附件五第二节有关规定中选取.
2)容器安全泄放量的计算:
盛装压缩气体或水蒸汽的容器安全泄放量,按下列规定来确定
a.对压缩机贮罐或水蒸汽的容器,分别取压缩机和水蒸汽发生器的最大产气量;
b.气体储罐等的安全泄放量按(B1)式计算
Ws=2.83×10-3ρυd2㎏/h(B1)
式中ρ为排放压力下的气体密度.
ρ=M(分子量)×Pw’(排放绝对压力)×273/(22.4×(273+t))
空气M=28.95
排放绝对压力Pw’=10.68㎏/㎝2
代入上式得ρ=28.95×10.68×273/22.4×303=12.44㎏/m3
υ—容器在工作压力下的进口管的气体流速m/s;查表2得υ=10~15m/s
一些常用气体流速范围
表2
流体名称/输送压力MPa
流速范围m/s
流体名称/输送压力
MPa
流速范围
m/s
压缩空气0~0.1
>0.1~<0.6
>0.6~<1.0
>1.0~<2.0
>2.0~<3.0
一般气体(常压)
氧气<0.6
0.05~0.6
饱和水蒸汽(主管)
(支管)
低压蒸汽<1.0
低压蒸汽<1.0
低压蒸汽<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
饱和水蒸汽(主管)
(支管)
煤气(初压)2KPa
(初压)6KPa
氨气≤0.6
1.0~2.0
液氨
氮气5~10
乙炔气
氢气
自来水(主管)
(支管)
易燃气体
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.
将上述ρ、ν、d代入得
Ws=2.83×10-3×12.44×15×502=1320.2㎏/h
则A=
=205.4mm2
若采用带板手全启式安全阀
A=0.785d02=205.4mm2d0=(205.4/0.785)1/2=16.2㎜
根据统计概算,全启式安全阀的喉径d0与公称直径DN之比约为0.625,而微启式安全阀的喉径d0与公称直径DN之比约为0.8.
∴选用公称直径DN32的全启式带板手安全阀.
安全阀公称直径与喉径关系
表3
安全阀公称压力\公称直径
DN15、20、25、32、40、50、80、100
全
启
式
PN(MPa)1.0、2.5、4.0、6.4
do20、25、32、50、65
PN(MPa)10.0
20、25、32、40、50
PN(MPa)16、32
12、20
微
启
式
PN(MPa)1.6、2.5、4.0、6.4
do12、16、20、25、32、40、65、80
PN(MPa)16、32
do812
PN(MPa)16、32
14/16
例2.将例题1的介质改为蒸汽。
解:
在压力容器中,绝大多数安全阀的出口侧压力与它的泄放压力之比即Po/pd都小于理论值0.528。
(此值由空气作试验介质求得Po/pd=0.528)属于临界状态。
Pd——安全阀的泄放压力(绝压)
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
最小排放面积A
A=
其中蒸汽在工作温度和压力下的压缩系数Z。
可根据高鸿华主编《压力容器安全技术问题》第71问中的公式进行计算:
(注1)
Z=
=
=0.93
式中:
R——848Kg·m/Kmol·K
T——蒸汽绝对温度K
ν——蒸汽比容
M——分子量。
蒸汽k=1.135
∴A=
=245.7mm2
do=
=
=17.7㎜
取DN=32的安全阀。
(do=20㎜)
注1、介质压缩系数可按GB150附录B章进行计算,一些常用介质的临界特性,由表4查得
某些气体的主要物理特性
表4
名称
分子量
临界温度t℃
临界压力Patm(绝压)
K=Cp/Cv
氢H2
2.02
-239.9
12.8
1.407
氧O2
32
-118.8
49.71
1.4
空气
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(过热)1.135
氨NH3
17.03
132.4
111.5
1.29
硫化氢H2S
34.09
100.4
88.9
1.3
氟-12CF2Cl2
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
异丁烷
58.12
58.12
36.00
1.079
上述的工况。
同样可以用(B7)式进行计算。
该式在计算时略去繁锁系数Z的计算,当Pd≤10Mpa时
A=
=
=242.8mm2
do=
=
=17.6㎜
众所周知,压缩系数Z是反映了真实气体在压力、温度和比容之间的关系上和理想气体的差异。
在常温及压力不太高的情况下,真实气体与理想气体的差异不大。
即压缩系数
Z≈1,而一般常用的二原子气体,如空气、氧、氮、氢及一氧化碳等气体的绝热指数K均为1.4。
因此,安全阀排量计算公式简化为下式:
W=27KPdA
用例题1的工况,代入后即得
A=
=205.4mm2
Do=
=
=16.2㎜
与例题1的详细计算相差极小,另一方面应注意的是,如合成氨的循环机的安全阀,由于出口侧的压力很大。
因而压力比Po/Pd>(2/(k+1))k/(k-1)属于处在亚临界状态,则应用式(B6)来计算安全阀泄放量。
但锅炉系统的安全阀选型计算要以《锅规》所给出的公式及系数进行计算。
例3:
液化石油气贮罐,筒体内径Di=1600㎜,长度L=6000㎜,壁厚δn=16㎜,V=13.3m3,封头形式为椭圆,介质组分为:
丙烯50%、丙烷15%、正异丁烯15%、正异丁烷15%、残液5%.液化石油气组分见表5。
液化石油气单一成分组分及汽化潜热
表5
重量组分X1
丙烷C3H8
丙烯C3H6
正异丁烯
正异丁烷
残液
50℃汽化潜热kJ/kg
285.5
285.96
343.7
317.8
337
液化石油气贮罐,一般不设保温且夏日均配备水喷淋予以冷却。
解:
对无绝热材料保冷层的压力容器其安全泄放量按(B3)计算。
W=2.55×105FAt×0.82/qkg/h
式中:
F—系数,对于地面上的容器,F=1
At—容器受热面积,椭圆封头的卧式贮罐
At=πD0(L+0.3D0)=3.14×1.632(6.916+0.3×1.632)=37.9㎡
50℃汽化潜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
安全阀的泄放能力计算
对于贮罐的筒体长度≥6m时,应设置两个安全阀。
在一般情况下分半值来计算较为合理。
这样才不致于使安全阀选得过于大型而造成浪费。
安全阀的最小排气面积A为
A=
=
=577.3mm2
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㎜
选用DN40A42H—4.0的全启式安全阀两只。
(此档安全阀最小公称直径为40)
由两台或两台以上的装置集中输气到一个贮罐(集中罐)。
或由一台设备分别输气到几个贮罐(分气罐)时。
贮罐的安全泄放量的计算见例4。
例4、由两台空气压缩机同时向体积为V=100m3的集气罐输气。
其输气压力为Pw=1.0MPa;t为常温。
进气管为φ108×4。
此时贮罐的安全泄放量。
∵在Pw=1.0Mpa;t=20℃时,ρ=12.87㎏/m3。
取进气管的气体流速为ν=15m/s
∴贮罐的安全泄放量W为
W‘=7.55(ρo)Vd2
=7.55×1.293×15×1002×
=6.55×103㎏/h
式中:
ρo——气体在标准状态下的密度㎏/m3;空气在标准状态下的P=12.87㎏/m3
Pd——容器的排放压力MPa(绝对)
T——容器的排放温度(绝对)K
d——容器的总进气管内径㎜
实际上W'=7.55ρoVd2
与W=28×10-3ρVd2是等效的,不同处在于不用去求取气体在排放状态下的密度ρ(㎏/m3)。
除上述的一些常见的贮罐外,我们还遇到如蒸发器、反应器之类由于器内液体受热蒸发而增大压力,或由于化学反应而使介质气化。
体积增大内压升高,其安全泄放量应分别根据输入载热体的放出热量或器内化学反应可能生成的最大气量,以及反应所需的时间来决定。
另外,JB/T4750-2003《制冷装置用压力容器》B.4安全阀及爆破片口径中介绍了配备在容器上的安全阀口径计算方法,我们可以在设计中参考选用。
d=C1
(B.1)
式中C1=35
(B.2)
D0--容器外径m
L——容器长度m
P——为设计压力MPa
两个以上容器连通时,其安全阀口径是将各自容器的D0L值之和代入(B.1)式进行计算。
参考资料
《压力容器安全技术监察规程》
《压力容器安全技术问答》劳动人事出版社
GB150—1998《钢制压力容器》学苑出版社
《锅炉压力容器安全工程学》北京经济学院出版社
《燃气压力容器》中国建筑工业出版社
《化工工艺设计手册》上海科学技术出版社
JB/T4750-2003《制冷装置用压力容器》国家经济贸易委员会
关于泄压计算
用PressureRelief泄压可以模拟一个泄压容器或简单阀的核算PressureRelief使用的物性模型和数据与其他ASPENPLUS流程模型的相同模拟管嘴物流和泡状及湍流的泄压方程是依据AIChE用户的DesignInstitueforEmergencyReliefSystemDIERSUsersGroup(紧急泄压系统设计院)所开发的技术创建的本技术对于泄压系统的设计是最适用的在泄压系统中ASPENPLUS管线模型模拟从入口管到排气尾管的流动PressureRelief总是在核算模型中进行这就是说在给出泄压设备尺寸的情况下该程序将计算出容器和管子的压力分布另外你还必须做如下规定
l被保护设备尺寸和相连接的管嘴如果存在的尺寸
l压力排泄方案
l入口和排气尾管如果存在的尺寸
l泄压设备的尺寸
每个PressureRelief模块模拟一个方案和一个容器在ASPENPLUS运行中要模拟多
个方案或高压容器模拟时就必须包括多个PressureRelief模块PressureRelief模块不是模拟流程的一部分不需要图标但是它们可以参考模拟物流PressureRelief分析规定的方案和报告
l额定容积
l结果分布温度压力气体馏分
l系统是否满足你选的设计规定或适用标准如ASME的规定
关于泄压方案
PressureRelief方案是通过泄压系统中放空的方案有四种类型的一般方案可以选择
l泄压系统阀和管子中稳态流率核算
l安全阀没有管子稳态流率核算
l动态运行明火加热的容器
l动态运行规定输入热量的容器
每个方案简要说明如下
泄压系统方案的稳态流率
在给出流入其系统物流条件及上游和下游压力的情况下用本方案可以找到紧急泄压系统的流率泄压系统可能包括一个安全阀一个容器口入口和排气尾管两部分管段以及多个阀及管件在本方案中泄压模型通过规定的系统计算稳态流率
减压阀方案的稳态流率
在如下情况下使用阀核算方案
l已知压力温度和物流组成
l想得到阀的通量Valve阀核算方案和ReliefSystemRating泄压系统核算方案的区别在ValveRating阀核算方案中
l不允许有管子
l泄压设备必须是一个ProcessSafetyValvePSV(安全阀)或一个ProcessSafety
Valve-ProcessSafetyDiskPSV-PSD(安全阀-防爆板)
动态运行明火加热容器方案
PressureRelief给出计算明火加热方案三个明火标准
lNFPA30
lAPI520
lAPI2000
所选的明火标准决定用哪个规则计算明火方案系数如容器浸湿面积输入能量和可信因子PressureRelief假定在整个放空过程中计算出的能量输入是常数如果合适的话你可以分别规定对排水喷淋和绝热的可信因子以减少能量输入或者你也可以规定一个全局可信因子
动态运行有规定热流输入容器方案
热量输入方案除以下两点外其它与明火方案类似
l选择能量输入值
l不允许用可信因子
在整个事件中没有中断时间指定的热流可以是来自恒定温度源的常数或关于时间的函数本方案可以用来进行如下模拟
l通过选择ConstantDuty恒定负荷热量输入方法来模拟整个电加热炉或其它恒
定能源
l通过使用ConstantDuty恒定负荷热量输入方法和规定热负荷的值为0来模拟
由反应失控引起的泄压
l通过选择CalculatedfromtheHeatSoure(由热源方法所计算的)和给出源温度热传
递系数及表面积来模拟由一个热源比如换热所得到的热量输入
例子:
规定泄压方案
下面以动态运行明火加热容器方案为例简单介绍一下PresRelief的使用情况
A创建一个流程定义出相关的安全阀起跳时的情况物流,例如起跳压力等等,如图1
$g)Q c7t9h;J,_8G,k
图1
Stream2为泄放物流,定义排放压力为75psi,Vaporfraction为0.PresRelief是不会影响到模型计算的。
这里只是取到PresRelief需要用到的物性而已。
至于模型的计算不会受PresRelief计算的影响(在稳态模拟的情况下)。
当然如果不定义这个也可以,但是在后面的设置里面要定义相关的组分分率,压力,温度等等;
:
q1a)y;X1s"M0M'O*x!
{7c
B创建并设置一个泄压方案
1FlowsheetingOption->PresRelief->New新建一个名称PSV-1的模块;
2选择Dynamicrunwithvesselenguelfedbyfire方案单选按钮;
3在Specification中选择Capactityoption:
4规定排放压力(安全阀的背压),如图2
图1
C设置容器的条件
0s,];F }-}+j/r2s1N1选择标签页VesselContents
2选择参考物流2;
x6[-R9J;z5m3在Vesselfillage中定义容器内液体占容器的分率和不凝气体的组分
这里我门定义Fillage=0.4
4在Userflashspecifications中定义,容器的初始条件,
0G!
t*U!
M'J5^:
}*z'x+q这里初始条件为:
容器初始压力为50psi;
D定义Ruel
$I:
s9?
1g8Z!
R-D+L1根据HG20570-1995-02安全阀的设置定义容器最大允许压力。
1L _'E R%B8V8`3Q#a这里定义为120
6{3K(c+`7Y3K#c._+O0cE在ReliefDevice->Configuration->ReliefDevice选择类型
SafetyReliefValve-安全阀
Rupturedisk-爆破片
(c9a(}8X'{3t6m4i-nEmergencyrefliefVent-紧急安全排放
9q%W5q2L)~%Z2\(bOpenVentpipe-排空管
ReliefValve/Rupturediskcombination-安全阀爆破片联合使用
1u*~/q5u6N#s!
z/k%~.p/N这里选用的是safetyreliefValve,Service选择Gas-2Liquid排放物流状态;
&@'C e#Y,}(h4r2ReliefDevice->Configuration->inletpipes/Tailpipes定义安全阀进口管道和出口管道数量
:
Q'`:
b5_;G3在SafetyValve中定义安全阀的参数,喉径等
4在VesselNeck定义容器的孔颈参数,如长度和直径。
#r'N7]6c)m9Y/j%LF在InletPipes和TailPipes中定义相关的pipes的设置
5V:
U+E%X*I6f2h)` ?
&UG在dynamicinput的设置
1Vessel标签页定义容器的尺寸和类型;
.C&~1l-n9R4G0r/~3[2DesignParameters中定义容器的最大允许工作压力和在此压力下的温度
9A$X%N8Q1a3定义排放的模型这里选择AllVapor
4Fire中选择起火的标准,起火时间,容器离地面的高度或者定义将额外传热面积加上计算容器面积。
5定义起火的可信因子1
HOperations->StopCriteria中定义动态的模拟时间,在Operations->Times定义时间间隔
$l!
K4y:
o&o$h0|3j"^6LIRun然后查看结果
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