安全阀的合理设置需要综合设计、制造、检验、安装、使用、校验和维修等多方面因素, 是制造商、设计者、使用者、监管机构共同参与才能完成的。对于工程设计人员来说, 如何正确的计算和选用安全阀, 在化工装置中对于防止设备管道超压、预防安全事故是极其重要的。
目前化工装置中的安全阀主要按国家标准 (GB/T 12241) 、阀瓣开启高度、结构、平衡内压的方式等条件进行分类。通过合理的分类, 以细化安全阀的类型, 从而使用者才可以根据不同的使用条件进行安全阀类型的初步选择。
安全阀的设置首先应满足化工装置的工艺系统要求。通常工艺对安全阀的要求主要体现在压力、输送介质和泄放量三个方面。
安全阀所属管线, 尤其是进出口管道布置和支吊架选型对安全阀是否能够正常运行起到非常重要的作用。一般情况下, 需要结合安全阀的实际安装条件, 进行管道应力计算, 通过改变管道走向和设置合理的管道支吊架, 以确保安全阀在各个工况下运行时的应力得以消除, 避免局部应力对被保护的设备和管道造成振动或损坏。
在安全阀的计算选型中, 应首先确定安全阀的泄放量。造成设备超压的原因一般分为三大类:一是操作故障;二是动力故障;三是火灾。安全阀的最大泄放量是指能够排放任何一个单独原因而引起的超压。在确定泄放量时应考虑有可能发生的不同事故工况下的泄放量并取最大值。不同事故工况下的超压原因复杂, 具体有:操作人员影响、阀门误关闭、冷却或回流发生故障、、控制阀故障、电力故障、不凝性气体积聚、过度热量输入、换热器管破裂、外部火灾等。本文着重介绍外部火灾工况下盛装液化气体容器的安全泄放量。其他事故工况下的泄放量按照相关规范取值即可。
(1) 介质为易爆液化气体或位于有可能发生火灾环境下工作的非易爆液化气体的容器, 分有、无绝热保温层情况:
A) 无绝热保温层时, 安全泄放量按式 (2.1) 计算:
B) 有完整的绝热保温层时 (例如在火灾条件下, 保温层不被破坏) , 安全泄放量按式 (2.2) 计算:
(2.2)
(2) 介质为非易爆液化气体的容器, 置于无火灾危险的环境下工作时, 安全泄放量可根据有、无绝热保温层, 分别参照式 (2.1) 或式 (2.2) 计算, 取值不低于计算值的30%。
在式 (2.1) 及式 (2.2) 中, W为安全泄放量 (kg/h) , t为泄放温度 (℃) , λ为保温材料的导热系数 (KJ/ (m·h·℃) ) , d0为保温材料厚度 (m) , Hl为泄放条件下的气化热 (KJ/kg) , F为容器外壁校正系数, A为润湿面积 (m2) 。
其中, 容器外壁校正系数F根据以下情况取值:
A) 容器置于地面上:F=1.0
B) 容器置于地面下用砂土覆盖:F=0.3
C) 容器顶部设有大于10L/ (m2·min) 的水喷漆装置时:F=0.6
其中, 润湿面积A根据以下情况取值:
A) 卧式容器半球形封头:A=3.14D0L
B) 卧式容器椭圆形封头:A=3.14D0 (L+0.3×D0)
C) 立式容器:A=3.14D0h1
D) 球形容器:A=1.57D02或从地面起到7.5m高度以下所包括的外表面积, 取两者中较大值。
以上各式中, D0为容器外直径 (m) , L为容器总长度 (m) , h1为容器最高液位 (m) 。
以下以国内某工程的氯硅烷精馏塔塔顶安全阀为例说明火灾工况下的泄放量计算。条件如下:该精馏塔外形尺寸:φ2200×43760, 裙座高度6.2m, 塔身保温材料为硅酸铝镁质卷毡, 导热系数为0.1548 KJ/ (m·h·℃) , 保温厚度70mm。安全阀设定压力0.6MP。塔顶物料质量分数分别为Si HCl3:93.8%;Si Cl4:0.3%;Si H2Cl2:5.9%。通过相关流程模拟软件计算得出泄放温度为103.6℃, 泄放条件下的汽化热为155.8KJ/kg。
此工况属于有完整保温层的易燃液化气体容器, 应按式 (2.2) 进行计算。首先计算润湿面积, 取离地面高度7.5米以下的润湿面积为计算面积。
由此可知, 此精馏塔在火灾工况下的安全阀泄放量为122.4kg/h。此处需要说明的是, 安全阀的最终泄放量选择及安全阀选型还需考虑其他工况, 并作出比较才能确定。
安全阀在化工装置中起着安全保障的重要作用, 其计算、选型也至关重要。本文着重阐述了安全阀选型的影响因素, 对火灾工况下的盛装液化气体容器的安全阀泄放量进行了详细分析, 并列举了工程实例。
摘要：作为重要的安全保障措施, 安全阀在化工装置中的应用已相当普遍。但是在近些年的安全事故中, 也有不少是由于安全阀故障及设置不当造成的。由于设备超压原因复杂, 给安全阀的选型造成一定困难。本文从选用安全阀的影响因素、安全阀泄放量计算及工程实例说明等方面阐述化工装置中安全阀的正确设置, 希望对化工从业人员一定的参考意义。
关键词：安全阀,泄放量,火灾工况
[1] 李晓亮, 化工装置中安全阀工艺设计及附属管道应力分析[D], 2014.
[2] 安全阀的设置和选用.HG/T 20570.2-95.
[3] 压力容器.GB150-2011.
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