换热器管程破裂工况下安全阀泄放量计算.pdf

石 油化 工设 计 P e t r o c h e mi c a l De s i g n 换热器管程破裂工况下安全 阀泄放量计算 曹颜玉 海洋石油工程股份有限公司特种设备公司， 天津 3 0 0 4 5 2 摘要管程破裂是换热器压力泄放阀设计中最常见的一种超压工况。A S ME相关换热器规 范 中明 确要求换热器需要配置足够泄放能力的泄压装置以避免超压导致的换热器内部损坏情况的发生， 但并没 有提供 如何进行泄压装置 的选型以及管程破 裂 工况下泄放 量 的计 算 方法。A P I R P 5 2 0 P a r t I [ 以及 A P I R P 5 2 1 虽然提供 了一些对 于换热器 管程破 裂工况下 P R V设计的指导方针 ， 但这些方针 太过 于宏观 而不 能进行详细的计算或用于换热器超压泄放分析计算中。介绍了一种换热器管程破裂工况下安全阀泄放 量的计算方法， 解决了换热器低压侧安全阀的设计 问题。 关键词 换 热器管程破裂安全 阀泄放 量 1 管程破裂工况的判别标准 A P I R P 5 2 1 L 3 J 中推荐当换 热器低压侧设计压 力低于 2 ／ 3高压侧设计压力 时， 换热器管程破裂 工况需要考 虑。该推荐做 法 已广泛被石油 、 石化 行业接受 ， 并被证 明在确定换热器 管程破裂时配 置 P R V则十分有效。 一 个需要注意的问题是避免在上述 A P I 推荐 的判别标准 中使用高压侧操作压力代替设计 压力 最高需用压力 ， 用 以 mJ S ,J 换热器是否需要考虑 管程破裂情况 的发生 。原 因是 由于环境 因素 、 人 为操作 、 系统流程等可能导致换 热器高压侧操作 压力升高 ； 当高压侧操作压力骤升 ， 而换热器没有 考虑管程破 裂工况 的保护时 ， 换热器存在 因管程 破裂导致发生经济损失 的可能。 2 流体通过破裂 口的形式 对于可能的换热 器管程破 裂情 况 ， 一 般有 4 种不 同的状态 使流体 从换热 器高 压侧 流过低 压 侧 1 气体流过管程破裂处时无相变 ； 2 液体流过 管程破裂处时无相变 ； 3 液体流过管程破裂处时 有相变 ； 4 两相流体流过管程破裂处。 在管程破裂泄放计算 中复杂流模型是不需要 考虑的， 为简 化 流体 通 过 管程 破裂 处 的计算 做 注 C R A NE公 司 F L O W O F F L U I D S 作 为石油化工 行业基 础工 具用书 ， 其 归纳推导公式广泛应用在行业相关计算 中 如下假设 ①管程破裂工 况认 为只发生在单 根换 热管上 ， 并且高压流体从 破裂 的单根换热 管两个 破裂界面流人低压侧 ； ② 管程破裂工况流 体通过 破裂 口的面积等于单根换 热管截面积 的两倍 ； ③ 流体流过管程破裂处视为等焓 绝热 膨胀 ； ④流 体流过管程破裂处时不考 虑增量闪蒸 ； ⑤ 两相流 被认为是均匀混合相流体 ； ⑥不考虑 由于流体 闪 蒸导致的 自冷却情况 。 基于 以上 假 设 ， 英 国 C R A N E 公 司 编 写 的 F L O W O F F L U I D S } 【 E l l 4 中对于流体流过孔板的 计算公式可 以用于管程破裂下流体通过破裂处流 量的计算 。 3 管程破裂工况下流体压力泄放机理分析 换热器管程破裂 时， 流体将从高压侧 经破裂 处进入到低压侧 。若换热器低压侧在超 出其设计 压力 1 0 ％ 的情况下仍无法容纳从高压侧进入的流 体 ， 无法容纳 的部分流体应 通过换热器低压侧 的 P R V排放至下游火炬管 网、 容器 或大气。整个 管 程破裂的两次压力释放过程见图 1和图 2 。 收稿 日期 2 0 1 40 71 5 。 作者简介 曹颜玉， 男， 2 0 0 7年毕业于天津大学一般 力学与力学基础专业， 硕士， 工程师， 现主要从事天然 气压 缩 机 橇 装 工 艺设 计 工 作。联 系 电 话 0 2 2 258 0 0 04 5； Ema i l c y y ma i l ． c o o e c． c o m． c n 2 0 1 5年第 2期 第3 2卷 曹颜王． 换热器管程破裂工况下安全阀泄放量计算 。1 1 低压侧设计压力 1 ．0 3 3 M P a 高压侧设计压力 2 ． 2 7 3 M P a 图 1 流程示意 高压侧 低压侧 背压 m 1 ．3 8 9 M P a A m 0 7 2 4 MP a A ／ ／ 换热 管肇 安全 喷嘴 换热器管壁 _女坌嘲喷嘴 2 _ 3 7 5 MP a A P R tL 1 ． 2 3 8 M P a A A c 。 1 3 6 M P a A 图 2 管程破裂压力特性 1 通过管程破裂处泄压 当换热器管程破裂 ， 压力为 2 ． 3 7 5 MP a A 的工艺流体将通过管程 破 裂处泄压至换 热器低压侧。低压侧 配置有 P R V， 其启跳压力为低压侧设计压力 的 1 ． 1倍 ，P 1 ． 0 3 3 X 1 ． 1 0 ． 1 0 21 ． 2 3 8 MP a A 。在气相管 程破裂情况下 ， 如果临界压力高 于在低 压侧的泄 压压力则管程破 裂流体 由破裂 口临界压力控 制。 A P I R P 5 2 1 l 3 对临界压力的计算定义如下 ， ， 、K ／ KI P ㈣ P 一 【 J i 式中， P 。 换热器 高压侧操作 压力 ， P 2 ． 3 7 5 MP a A ； 理想气 体 比热 比， 由模拟计 算得 到 ， 此例 K1 ． 1 。将 P． 及 K值代人公式 1 得到 Pc F R1 ． 3 8 9 MP a A 。 由于 P c F R P R E L ， 压差 d 。 P 1 一P c F R 将是流体 流过管程破裂处的驱动力 。 2 通过 P R V泄压 来 自高压侧流体的第二次 泄压发生在低压侧 P R V处 ， 流体通过 P R V泄压至 系统背压侧 ， 泄压过程 与上 面讨 论 的流体通过管 程破裂处泄压一样 。同样 ， 对 于气相流体需要确 认在 P R V处的临界流还是非临界流情况。 ， ， 、K ／ K一1 P c 。 P n 【 2 其中 P 为换热器低压侧 P R V启跳压力 ， P 1 ． 2 3 8 M P a A ； K由模拟计算得到 ， 此例 K1 ． 1 ； P c F o 0 ． 7 2 4 MP a A 。由于 P c F PB A c K ， 压差 d p P 一P 。 将 是 流体流 过 P R V孔 板处 的驱 动 力 。 4 管程破裂工况泄放量计算 气体流过 管程 破裂处时无相变 基 于前文假 设 ， 利用 F L O W O F F L U I D S 第 三章关 于流体 流经阀门 、 管件及管线公式 、 图表推导中提供的公 式 E q ． 3 2 2 可得到如下压缩流体通过锐边孔板 时流量计算公式 Wv1 8 9 1 Y d C d ／ V 3 其 中， 气 体质 量流量 ， k g ／ s ；y _压缩 流 体通过孑 L 板的净膨胀 系数 ； d 孔板孔径 ， m m； c 流体流经孔板 的流通系数 ； d 孔板前后 压差 ， k P a ； 流体 比容。 上述公式仅计算换热管单个破裂 口气体泄放 量 ， 式 中 Y10 ． 3 1 7 d ／ P 1 ， 由 F L O W O F F L U I D S 附录 A图表简化计算得出。C 0 ． 6 ， 此锐 边孔板流量系数 由 F L O W O F F L U I D S 附录 A 图表得到 ， d 4 A ／ 3 ． I 4 1 6 ， 其 中 A 为孔板 开孑 L 面积 单位 1T I 。 整理上述公式得到 Wv1 4 4 4 ． 6 A v 1 0 ． 3 1 7 d 。 ／ P 1 d p ／ V 3 液体流过管程破裂处 时无相变 临界流情 况 在液 体 流 过 管 程 破 裂 处 无 相 变 时无 需 考 虑。 F L O W O F F L U I D S 第三章提供的公式 E q ． 3 2 2 可用于液体通过锐边孑 L 板时流量计算 WE 1 8 9 1 d C d p p L ” 其 中， 液体质 量 流量 ， k g ／ s ； 孑 L 板 孑 L 径 ， m m； c 流体流经孑 L 板 的流通系数 ； d p 孔板前后压差 ， k P a ； P L 液体密度 ， k g ／ m 。 上述公式仅计算换热管单个破裂 口流体泄放 量， 式中 C0 ． 6 ， 此锐边孔板流量系数 由 F L O W O F F L U I D S 附录A图表得到， d 4 A ／ 3 ． 1 4 1 6 ， 整理上述公式得到 WE 1 4 4 4 ． 6 A L d o p L 4 液体流过 管程破裂处时有相变 两相流 中的 汽相 比需要通过模拟计算得到 ， 详细 的泄放量计 1 2。 石 油 化 工 设 计 2 0 1 5 年第 2 期 第 3 2 卷 算过程与下面讨论 的情 况类 似 ， 即两相 流体 流过 管程破裂处， 此种工况计算基础有两条 1 在两相 流体 中气相流体和液相流体通过管程破裂处流量 进行分别计算 ； 2 换热管破 裂后流体从破 裂 口两 侧同时进入低压侧 ， 两 相流体通过破裂 口的面积 等于单根换热管截 面积的两倍 。 ①基于此， 气相流体泄放量计算公式 1 4 4 4 ． 6 A v 1 0 ． 3 1 7 d 。 ／ P 1 d p ／ V ②液相流体泄放量计算公式 Wv1 4 4 4 ． 6 A I z L ③两相流体通过破裂口的面积 T o lr A L A L A v 2 X 3 ． 1 4 1 6 d ／ 4 5 气卡 目 比 RWv ／ rvWE 6 气相 比可 以通过管程破裂 口闪蒸模拟得 到， 需要注意的是闪蒸压力应该取下游低压侧泄压压 力和临界压力 的大值。 管程破裂时液体及气 体泄放量 和 可 以通过公式 1 ～ 6 计算得到。 参 考文 献 [ 1 ] A S M E C o d e V I I I ． U G一1 3 3 d ， J u l y 1 1 9 8 9 ． [ 2 ] A P 1 R P 5 2 0 R e c o mm e n d e d P r a c t i c e f o r S i z i n g ． S e l e c t i o n a nd I n s t a l l a t i o n o f Pr e s s ur e Re l i e f De v i e e Pa r t I [ S ] ． [ 3 ] A P I R P 5 2 1 G u i d e f o r P r e s s u r e R e l i e v i n g a n d D e p r e s ． s u r i n g S y s t e m[ S ] ． [ 4 ] C r a n e C o ． ， T e c h n i c a l P a p e r N o ， 4 1 0，” F l o w o f fl u i d ” [ M] ． 2 0 0 9 ． [ 5 ] Wo n g W Y．S a f e r R e l i e f --V a l v e S i z i n g [ J ] ．C h e m i c a l En g i n e e r i n g，1 9 8 9， 3 9 5 1 3 71 4 0． [ 6 ] Wo n g W Y．A N e w A p p r o a c h o f S i z i n g P S V f o r T w o P h a s e L i q u i d ／ V a p o r R e l i e f [ J ] ．C h e m i c al E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 2 ， 4 5 3 9 71 0 1 ． 上接第9页 备 布 置 限 制 ， 增 加1 台 大 尺 寸 的 换 热 器 台 E 1 5 1 9 3 C N ／ D N 。稀 释蒸 汽过热器 因负荷增 大而更换 E l 5 1 9 1 R 。急冷系统设 备改 造方案汇 E 1 5 1 9 2 J N ， 中压蒸汽再沸器 也根据需要增加 2 总见表 1 。 表 1 急冷 区改造涉及设备汇总 台／ 套 类别 代号 新增 更换 改造 备注 塔 c l 4 改造更换高效填料 ， 更换分布器等 新增 l套聚结 器 罐 D 1 l 改造更换高效除沫器 管壳式换热器 E 9 1 l 新增并 联换热器为主 急冷器 1 卧式更换成立式 泵 P 3 l O 4 其中 2台新增大泵没装现场 综 上 所述 ， 本 次 F R E P乙烯装 置 改造 采用 J ， 中 石化 自有的工艺包设 计和工程设计 ， 为 乙烯装 置 参考文献 改造提高生产能力 、 装置 的热量 回收效率 以及 消 [ 1 ] 王松汉． 乙烯装置技术与运行[ M] ． 北京 中国石化 除瓶颈 ， 提供 了强有力 的保证 。急冷系统 改造设 出版社， 2 0 0 9 4 0 8 - 计中汽油分馏塔 、 急冷塔等大塔利用原壳体 ， 通过 [ 2 ] 郭英爽， 郭英姿， 刘英 急冷油塔技术改造和运行参 改造塔内件如采用高效填 料等 内件 ， 更换 分布器 数优化探讨[ J ] ． 炼油与化工， 2 0 ， 2 2 6 4一 7 明 2 01 在的 0, 4 5 7 及解 - 61 决措 ． 造 、 施工安装 、 操作运行经验 和能力 已达到国际先 ⋯～‘ 。 ～ ～