化工装置塔系统中安全阀的泄放量计算.pdf

第 5 2卷第 5期 2 0 1 5年 l 0 月 化工设备与管道 P R O C E S S E Q UI P ME NTP I P I NG Vb 1 ． 5 2 NO ．5 Oc t ． 2O1 5 化工装置塔系统中安全阀的泄放量计算 杨 立 平 中国昆仑工程公司，北京1 0 0 0 3 7 摘要 化工装置 中塔 系统 的安全 阀泄放工况是相 对复杂且具有代表性的 。针对塔 系统 中安全 阀泄放 的外部 火灾、塔顶 回流故障、换热管破 裂、控 制阀故 障等 多种典型工况进行 分析 ，提 出 了不 同泄放 工 况下安全阀泄放量的计算方法，为今后的工程设计及应 用提供参考 。 关键词 塔 ；安全阀；泄放量 中图分类号T Q 0 5 5 ；T H 1 3 4 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 ． 3 2 8 1 2 0 1 5 0 5 0 0 6 7 ． 0 0 3 随着工业发展的规模逐渐扩大，化工生产过程 连续化和 自动化程度不断加深，安全生产成为企业发 展 的重 大问题 。为了防止超 压 ，工程设计人员广泛地 采用安全阀来保护设备及相关管道系统。在化工装置 中，由于塔系统与多个设备相关联，操作工况复杂， 成为了安全阀设计计算时的重点和难点。为了加强对 安全阀的设计计算研究，本文结合相关的标准规范和 工程实践经验，对化工装置塔系统中的安全阀泄放量 的计算方法进行简单介绍。 1 工艺流程简述 以精馏塔为例，整个塔系统包含塔、冷凝器、 回流罐和再沸器等设备。将待分离物料输入塔中，塔 顶馏出物料部分采出，部分回流人塔，以形成沿塔下 降的液流。塔底再沸器为塔进行气液传质提供能量， 使底部物料部分气化返回塔内，以形成沿塔上升的汽 流，其余部分采出。当系统出现超压时，塔顶安全阀 开启保护整个塔系统。塔系统工艺流程见图 1 。 2 泄放量的计算 2 ． 1 外部火 灾工况 对于具有易燃易爆特性的介质，如果发生火灾， 由于辐射、对流传热和火焰的直接接触，容器内的物 料将被加热，压力升高，形成超压 。若安全阀的泄放 能力小于产生的蒸汽量，则容器内的压力就会升高到 最大允许压力以上，这是不安全的。盛有溶液的容器 暴露在外部火灾中，按传人容器的热量计算安全阀所 图1 塔系统工艺流程简图 F i g ． 1 P r o c e s s d i a g r a m o f t o we r s y s t e m 需的排放量 。 2 ． 1 ． 1 润湿面积 润湿面积包括分馏塔、再沸器、塔顶冷凝器等 设备和在火灾范围内的管道外表面积。如果塔釜无裙 座，则加上塔底部封头，否则不需要。其中 1 分馏塔的润湿面积为塔底正常最高液位和7 ． 5 m高度内塔盘上液体部分的表面积之和 ” ，即 A 1 n D L 1 mt D ／ 2 1 2 椭圆形封头的设备 包括距地面 7 ． 5 m高度 内再沸器、塔顶冷凝器等 的润湿面积 收稿 日期 2 0 1 5 ． 0 1 ． 2 3 基金项 目 中石油集 团公 司技术开发项 目 2 0 1 2 A--2 9 0 2 。 作者简介 杨立平 1 9 8 0 一 ，女 ，河北昌黎人，注册安全工程师 ， 注册化 学工程师 ，工 学硕士 。主要从事 P T A工艺管 道 设计工作。 北工设备与管道 第 5 2卷第 5 期 A2 n D 0． 3 D 2 式 中 、 润湿面积 ，Ⅱ l 2 ； D设备直径，m； 塔底正常最高液位，m ； n 塔盘个数 ； 设备总长 包括封头 ，m。 3 火灾范围内的管道外表面积建议使用受火 灾影响的实际管道管径及长度计算 。如果没有准确的 实际管道管径及长度参数，管道 的润湿面积可参照 化工厂系统设计 建议 的贮 罐表面积的 1 0 ％ 2 0 ％ 进行计算。 2 ． 1 ．2 安全阀 的泄放量 [3 1 1 当有足够的消防保护措施和能及时排走地 面上泄露的物料措施时 ，容器 的泄放量为 W 3 fI v 2 当没有合适的消防保护措施和能及时排走 地面上泄露的物料措施时，容器的泄放量为 W型 4 1 7 式 中 质量泄放量 ，k g ／ h； 鼠 泄放条件下汽化热，k J ／ k g； 润湿面积 ，H l 2 ； F 环境系数。 2 ． 2 塔顶 回流故 障 塔顶 回流故障的原因包括塔顶冷凝器给水故障 中断和塔顶回流中断等，下面分别进行讨论。 2 ． 2 ． 1 塔顶冷凝器给水故障中断工况 以循环冷却水或其他液体为冷媒的塔顶冷凝器， 当给水发生故障 断水时，塔顶气相就会在系统内 集聚，从而引起超压。塔顶设置的安全阀泄放量为正 常工作工况下进人塔顶冷凝器的最大蒸汽量 。 2 ． 2 ． 2 塔顶回流中断工况 塔顶回流中断会使回流液无法进入塔系统，由 于 回流液的集聚，逐渐使塔顶冷凝器失去能力，从 而引起系统超压。塔顶回流中断的原因有多种 ，如 塔顶回流罐出口控制阀故障、塔顶回流罐底部回流泵 故障等。此时如果热源仅由原料带进塔者，安全阀的 泄放量可考虑为原料进塔的气体量。如果有其他热源 如再沸器 时， 还要考虑传人热能所产生的气体量 M ] 。 2 ． 3 塔底再沸器换热 管破裂 通常 由于换热器设计不合理，换热器厂家制造 有问题及设备运行异常工况等原因，塔底再沸器会出 现换热管破裂，出现塔顶超压工况，此时安全阀的泄 放量可按下式 计算 G2 4 6 _ 3l 0 △ P p 、， 5 式中G 气体泄放量，k g ／ h； 换热器管内径，m ； △ P 高低压侧压力差，MP a； p 气体密度，k g ／ m 。 对于采用与水共沸精馏技术的精馏塔，由于再沸 器换热管破裂后蒸汽与塔内的共沸剂会形成共沸，此 时安全阀的泄放量就不能仅仅使用上式，而需要参考 形成共沸时的温度下水与共沸物的共沸比，乘以相应 的倍数。另外，对于会与水发生反应的介质，需考虑 由于反应放热蒸发饱和液体而增加的泄放量。例如 在多晶硅精馏塔系统中，由于氯硅烷遇水极易发生反 应，当再沸器换热管破裂后，由塔底再沸器中反应放 出的热量可蒸发饱和的氯硅烷液体， 也会增大泄放量 c 5 ] 。 2 ． 4 控制阀故障 通常造成控制 阀故障的原因有两个，即仪表压 缩空气故障和弹簧故障。如果安装在塔出口的控制阀 发生故障，阀门处于全闭位置，则所设安全阀的泄放 量 为流 经此 控制 阀 的最大 正常 流量 。如果安 装 在塔 人 口的控制阀发生故障，人口阀门全开或部分开启， 则有可能需要设置泄压措施 ，以防止超压 。 2 ．4 ． 1 塔入 口气相管道控制 阀故 障 对于气 相 管道 ，安 装在 塔人 口的控制 阀发 生故 障时若处于全开位置时，如果满足低压侧的设计压力 小于高压侧的设计压力的 2 ／ 3 ，则安全阀的泄放量按 下式 Ⅲ计算 3 1 7 1 - 3 C v l C p h G ／ 6 式 中 质量泄放量 ，k g ／ h； G 阀门流量系数 ； 控制 阀最小流量下 的阀门流量 系数 ； h高压侧工作压力 ，MP a； G 气相密度，k g ／ m ； 泄放温度 ，K。 2 ． 4 ． 2 塔人 口液相管道控制阀故障 对于液相管道，安装在塔人 口的控制阀发生故 障时若处于全开位置时，安全阀的泄放量为控制阀最 大通过量与正常流量之差。要计算控制阀的液体体积 流量，需先判别流体是否为阻塞流，再根据流体的流 型采用不同的计算公式 『 6 ] 。具体计算如下 2 0 1 5年 1 0月 杨 立平． 化工装置塔 系统 中安全 阀的泄放量计算 1 当 A PE L P 只 时， 流体为非阻塞流， 此时控制阀的体积流量按下式计算 0 ．0 8 6 5 C v ／ 7 2 当 A P≥F L P 1 一 P v 时， 流体为阻塞流， 此时控制阀的体积流量按下式计算 Q L 0 ．0 8 6 5 G ／ 8 式中 △ P 阀门人 口与出口压差，k P a； P 阀 门入 口处压力 ，k P a； 尸 v 液体的饱和蒸汽压，k P a； ． 压力恢复系数 ； 液体临界压力比系数，可由下式确定 0 ． 9 60 ． 2 8 , ／ p v ，P c为液体 临界 压力 ，k P a； Q L 液体的体积流量，1 1 1 3 ／ h； 阀门流量系数 ； p ／ p 。 液体的相对密度。 的设计也愈加严格。安全阀泄放量的计算对安全阀选 型的正确与否起着至关重要的作用。通过对石油化工 行业塔系统可能出现的安全阀泄放的典型工况进行 分析，讨论了不同工况下的安全阀泄放量的计算方 法，为今后的工程设计及应用提供参考。此外，由于 安全阀的泄放量计算还会遇到一些特殊工况，包括吹 扫阀门误操作、全场停电等，因此设计人员还应根据 具体情况进行综合考虑。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 【 4 】 3结束语 [ 6 ] 随着工程设计对安全系统要求 的增高，安全阀 参 考 文 献 H G／ T 2 0 5 7 O 一9 5 ，工艺系统工程设计技术规定 [ s ] ． 蔡尔辅，陈树辉 ． 化工厂系统设计 [ M] ． 北京 化学工业出 版社，2 0 0 4 ． ANSI ／ API 5 21 ， Pr e s s u r e r e l i e v i n g a nd d e p r e s s u r i n g s y s t e ms ． 5 e d i t i o n [ S ] ． 2 0 0 7 ． 张德姜，王怀义，刘绍叶 ． 石油化工装置工艺管道安装设计 手册 第一篇 设计与计算 [ M] l 3 版 ． 北京 中国石化出版社， 2 00 4 3 30 3 31 ． 张璐璐 ，李汉 ，王波 ，等 ． 多晶硅精馏塔系统 中安全 阀泄放 量 的计算 f J ] ． 化学工程 ，2 0 1 1 ，3 9 1 9 4 9 7 ． 陆德 民 ． 石 油化工 自动 控制设计 手册 [ M] ． 北京 化 学工业 出版社 ，2 0 0 09 0 8 9 1 3 ． Ca l c u l a t i o n o f Re l e a s i n g Vo l u me o f S a f e t y Va l v e i n Co l u mn s Us e d i n Ch e mi c a l P l a n t YANG Li pi n g C h i n a Ku n l u n C o n t r a c t i n g＆ En g i n e e r i n g Co r po r a t i o n ． Be ij i n g 1 0 0 0 3 7 ． C h i n a Abs t r a c t S a f e t y v a l v e r e l e a s i n g c o n d i t i o n i n t o we r s y s t e m i n c h e mi c a l pl a nt i s r e l a t i v e l y c o mpl i c a t e d a n d i s s o m e wh a t r e p r e s e n t a t i v e ．I n t h i s a r t i c l e ， s o me c o n d i t i o n s i n d u c i n g r e l e a s e o f s a f e t y v a l v e we r e a n a l y z e d ， s u c h a s t h a t o f o u t e r fi r e ， f a i l u r e o f b a c k flo w a t t o we r t o p ， b r e a k o f h e a t t r a n s f e r t u b e a n d f a u l t o f c o n t r o l v a l v e ． Th e c a l c u l a t i o n me t h o d s f o r r e l e a s i n g v a l u m e o f s a f e t y v a l v e u n d e r d i f f e r e n t c o n d i t i o n s we r e p r o v i d e d ， wh i c h ma y r e f e r e n c e d i n e n g i n e e r i n g l a t e r ． Ke y wo r d s t o we r ； s a f e t y v a l v e ； r e l e a s i n g a m o u n t 简 讯 HG／ T 2 0 5 9 3 --2 0 1 4 钢制化工设备焊接与检验工程技术规范发布实施 HG ／ T 2 0 5 9 3 --2 0 1 4 钢 制化工设备焊接 与检 验工程技 术规 范 自2 0 1 5年 6月 1日起 实施 。本规 范规 定 了 钢制化 工设 备的焊接结构设计 、焊接 、无损检测 、耐压 试验 与泄漏试验技 术要求 。本规 范适 用于化 工、石 油化 工装 置及其他 类似 装置 中钢制化 工设备 的设计 、制造 、检验 与验 收。