王波 張璐璐 李漢華 陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

張煒寶雞市環(huán)境監(jiān)測(cè)站寶雞721006

塔系統(tǒng)安全閥配置與經(jīng)濟(jì)性討論

王波*張璐璐 李漢華 陸工程科技有限責(zé)任公司 西安 710065

張煒寶雞市環(huán)境監(jiān)測(cè)站寶雞721006

在塔系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，針對(duì)整個(gè)塔及其相關(guān)聯(lián)設(shè)備進(jìn)行安全防護(hù)，分析不同安全閥的配置對(duì)系統(tǒng)的影響以及經(jīng)濟(jì)性。在事故狀態(tài)下，選用多個(gè)安全閥能夠及時(shí)準(zhǔn)確的泄放超壓物，降低危險(xiǎn)隱患，有效地保證設(shè)備安全。由于安全閥的費(fèi)用隨個(gè)數(shù)的增加而上升，故可以根據(jù)不同系統(tǒng)對(duì)安全等級(jí)的要求，選擇與經(jīng)濟(jì)性和安全性相匹配的安全設(shè)施。

安全閥泄放量經(jīng)濟(jì)性

在化工工藝設(shè)計(jì)中，為防止超壓，廣泛地采用安全閥來保護(hù)整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)。隨著工藝裝置和設(shè)備的大型化，往往一個(gè)安全閥泄放裝置并不能滿足被保護(hù)系統(tǒng)的泄放要求，必須設(shè)置多個(gè)安全泄放裝置才能解決這個(gè)工程問題［1］。由于安全閥尺寸越大，價(jià)格越高，所以如何合理配置安全閥對(duì)整個(gè)工程的費(fèi)用控制顯得尤其重要。

在一個(gè)被保護(hù)系統(tǒng)中存在多個(gè)可能的超壓事故，如:外部火災(zāi)、換熱器管子破裂、循環(huán)水故障、電力故障、出口堵塞、控制閥失靈以及化學(xué)反應(yīng)失控等因素［2］。當(dāng)各個(gè)超壓事故需要的泄放量相差較大時(shí)，若按常規(guī)做法設(shè)置單個(gè)安全閥，則應(yīng)采用幾個(gè)超壓事故中最大的泄放量作為確定安全閥泄放裝置尺寸的安全泄放量。但當(dāng)發(fā)生泄放量較小的超壓事故時(shí)，單個(gè)安全閥泄放尺寸顯得過大。更重要的是，安全閥可能發(fā)生頻跳或顫振而使其性能惡化，引起閥座密封性降低，進(jìn)而損壞閥門及連接管道。因此可以設(shè)置多個(gè)較小尺寸的安全閥泄放裝置以適應(yīng)不同泄放量的多個(gè)超壓事故。

在塔的工藝設(shè)計(jì)中，由于有多個(gè)設(shè)備相關(guān)聯(lián)，采用傳統(tǒng)單個(gè)安全閥用于保護(hù)整個(gè)塔系統(tǒng)具有一定的局限性。單個(gè)安全閥配置并未充分考慮其他設(shè)備發(fā)生狀況時(shí)的泄放，以及單個(gè)設(shè)備與安全閥相關(guān)聯(lián)對(duì)于整個(gè)泄放量的影響。本文針對(duì)以往選用的欠缺，分析單個(gè)和多個(gè)安全閥的設(shè)置對(duì)于系統(tǒng)安全的影響，并結(jié)合費(fèi)控評(píng)價(jià)其經(jīng)濟(jì)性能。

1 工藝簡述

塔系統(tǒng)單個(gè)安全閥工藝見圖1。

圖1 塔系統(tǒng)單個(gè)安全閥工藝簡圖

以典型的精餾塔為例，精餾塔所連接的設(shè)備多，操作狀況復(fù)雜，在事故狀況下安全閥對(duì)整個(gè)設(shè)備的保護(hù)非常重要。整個(gè)系統(tǒng)包括塔、再沸器、冷凝器、回流罐四個(gè)主要設(shè)備。將物料輸入塔中，塔頂餾出的物料回流。塔底經(jīng)再沸器加熱，氣化物料返回塔內(nèi)，釜液送出處理。從安全閥排出的廢氣進(jìn)入收集總管，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生超壓狀況時(shí)，塔頂?shù)陌踩y1開啟保護(hù)整個(gè)單塔系統(tǒng)。

2 安全閥配置

2.1 單個(gè)安全閥配置

在傳統(tǒng)工藝中，精餾塔及未設(shè)切斷閥的回流罐、冷凝器、再沸器系統(tǒng)僅設(shè)置一個(gè)安全閥即可［3］。由此被保護(hù)系統(tǒng)中存在外部火災(zāi)、換熱管破裂、循環(huán)水故障三個(gè)最可能發(fā)生的超壓事故:常規(guī)計(jì)算火災(zāi)工況一般只考慮塔及其回流罐的潤濕面積;換熱管破裂要根據(jù)物料的性質(zhì)和換熱器兩側(cè)壓差大小，考慮工藝物料是否與冷卻介質(zhì)(加熱介質(zhì))發(fā)生反應(yīng)或膨脹的復(fù)雜效應(yīng);根據(jù)規(guī)定以循環(huán)水為冷媒的塔頂冷凝器，當(dāng)循環(huán)水發(fā)生故障時(shí)，塔頂設(shè)置的安全閥泄放量為正常工作下進(jìn)入冷凝器的最大蒸汽量［4］。

單安全閥的配置存在著一些弊端，一方面因?yàn)樗到y(tǒng)由多個(gè)設(shè)備組成，只設(shè)一個(gè)安全閥會(huì)造成不同事故下的起跳偏差，另一方面對(duì)于具有多個(gè)不同泄放量的超壓事故系統(tǒng)，采用單個(gè)大尺寸的安全泄放裝置，不能改善泄放性能和提高安全性。

2.2 多個(gè)安全閥配置

塔系統(tǒng)雙安全閥工藝見圖2。

圖2 塔系統(tǒng)雙安全閥工藝簡圖

由于單安全閥設(shè)置的弊端，此塔系統(tǒng)分別在塔頂氣相出口和塔底再沸器物料出口處設(shè)置安全閥，此系統(tǒng)存在三種可能發(fā)生的安全閥起跳現(xiàn)象:①當(dāng)塔底發(fā)生超壓事故時(shí)，首先檢測(cè)到超壓的安全閥3開啟，釋放一部分氣體，塔壓恢復(fù)正常時(shí)安全閥2仍未起跳;②當(dāng)塔頂聚集大量氣體時(shí)，安全閥2首先檢測(cè)到超壓，閥瓣開啟泄壓，瞬間系統(tǒng)回到平衡狀態(tài)，安全閥3未檢測(cè)到超壓保持原狀;③當(dāng)發(fā)生其他泄放量大的工況時(shí)，首先接觸到超壓的安全閥開啟，若不能滿足泄放要求或其他超壓事故接連發(fā)生時(shí)，另一個(gè)安全閥開啟，釋放多余氣體以保護(hù)整個(gè)塔系統(tǒng)。此系統(tǒng)設(shè)置的雙安全閥既保護(hù)了設(shè)備，又能迅速泄放氣體，間接地減少了物料的泄放量，為事故處理爭取了寶貴的時(shí)間。

2.3 安全閥配置方案的分析

2.3.1 塔底安全閥配置

火災(zāi)是化工廠中計(jì)算安全閥最?？紤]的工況之一，外部火焰?zhèn)魅氲臒崃客ㄟ^潤濕面積使容器內(nèi)的物料氣化，瞬間排出的大量氣體引起系統(tǒng)壓力劇增，達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)安全閥起跳。由于精餾塔較高，框架以上很難發(fā)生火災(zāi)工況，所以將安全閥裝在再沸器物料出口處，當(dāng)塔下部發(fā)生火災(zāi)時(shí)能夠及時(shí)排出被氣化的物料，有力地保護(hù)了再沸器和塔。

2.3.2 塔頂安全閥配置

塔系統(tǒng)上部的主要設(shè)備是以循環(huán)水為冷媒的塔頂冷凝器，當(dāng)循環(huán)水發(fā)生故障時(shí)，大量蒸汽源源不斷進(jìn)冷凝器，聚集到設(shè)定壓力時(shí)，安全閥起跳排出大量未冷凝下來的物料氣。如果換熱管破裂，物料可能與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，放出大量氣體，需要考慮反應(yīng)工況。

以多晶硅裝置精餾塔為例，背壓0.05MPa (G)，安全閥允許超壓10%，各種工況下安全閥的泄放量計(jì)算參數(shù)［5］見表1。

表1 塔系統(tǒng)安全閥的設(shè)置及參數(shù)

安全閥排放量應(yīng)采用多種考慮因素中的最大量，如果設(shè)置單個(gè)安全閥用于保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)，應(yīng)選擇四種工況下泄放量的最大值405453 kg/h，安全閥口徑為14Y18。若圖2設(shè)置雙安全閥，塔頂氣相管應(yīng)考慮選擇口徑較大的冷凝器換熱管破裂反應(yīng)工況，安全閥型號(hào)為10V14，塔釜泄放量為總量減去塔頂安全閥所對(duì)應(yīng)的的額定泄放量。塔頂安全閥型號(hào)10V14的額定泄放量計(jì)算為232480kg/h，則塔釜安全閥3應(yīng)選擇排量為:

405453－232480 =172973 kg/h。

3 安全閥配置的經(jīng)濟(jì)衡算

3.1 安全閥選用口徑與泄放量

不同泄放量下安全閥費(fèi)用見表2。

表2 不同泄放量下安全閥費(fèi)用

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，設(shè)置多個(gè)安全閥泄放裝置的最大泄放壓力(GB150為112或116%MAWP，ASME為116或121%MAWP)比設(shè)置單個(gè)安全閥泄放裝置(GB150和ASME均為110%MAWP)大［1］，故本裝置塔釜安全閥3允許超壓16%。在表2中，單個(gè)安全閥1報(bào)價(jià)為10.5萬元，安全閥2和安全閥3，總計(jì)11.4萬元。由實(shí)際計(jì)算可知，在選用相同材質(zhì)的情況下，雙安全閥費(fèi)用與單個(gè)安全閥相差不大，但其安全性能將會(huì)增加。故通過對(duì)比不同安全閥配置的方法以及安全性能的優(yōu)劣，可以依照所設(shè)計(jì)工藝中物質(zhì)的有毒性和可燃性等級(jí)，結(jié)合費(fèi)用控制選用與工藝配套的安全設(shè)施。

4 結(jié)語

隨著工程設(shè)計(jì)對(duì)安全系統(tǒng)要求的增高，安全閥的設(shè)計(jì)也愈加嚴(yán)格。由于很難對(duì)安全閥進(jìn)行各種工況下的在線超壓試驗(yàn)，因此有必要對(duì)其進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)和配置，使安全閥的設(shè)計(jì)在技術(shù)上更加安全，在經(jīng)濟(jì)上更加合理。塔是一個(gè)高壓復(fù)雜系統(tǒng)，在塔頂和塔底設(shè)置兩個(gè)安全閥有助于控制整個(gè)塔系統(tǒng)的泄放安全。如果塔下部發(fā)生火災(zāi)工況，塔底安全閥首先起作用，排放出氣體降低塔溫;如果塔上部發(fā)生事故，當(dāng)壓力達(dá)到最大設(shè)定壓力時(shí)，塔頂安全閥及時(shí)開啟。如此設(shè)置能夠全面考慮到塔與各個(gè)設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，盡快排出超壓氣體以降低系統(tǒng)壓力，確保設(shè)備安全。

此安全閥配置方法按照規(guī)范選取并結(jié)合實(shí)際工況進(jìn)行計(jì)算，綜合考慮幾種工況的疊加效應(yīng)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。從安全閥的配置和費(fèi)用分別剖析計(jì)算，為以后相似工段的設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。特別是對(duì)于有毒、易燃、易爆和貴重的工藝物料，多級(jí)設(shè)定的多個(gè)裝置，能夠有效的減少超壓事故的泄放量，有利于工藝操作穩(wěn)定、環(huán)保、安全和經(jīng)濟(jì)性［1］。

鑒于安全閥費(fèi)用隨其口徑的增大而劇增的特性，根據(jù)以上的計(jì)算和費(fèi)用分析可知，按照安全性與經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)點(diǎn)分級(jí)設(shè)置安全閥，能夠進(jìn)一步優(yōu)化配置，為整個(gè)裝置提供更加安全節(jié)能的保護(hù)設(shè)施。

1 應(yīng)道宴，夏德楷，丁伯民，等．《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道》實(shí)施指南．化工設(shè)備與管道［J］．2007，44(增刊二) (2):297－298．

2 王煒，吳德榮．管殼換熱器中管子斷裂泄放量的計(jì)算［J］．化工設(shè)計(jì)．2002，12(3):16－18．

3 張慧，王佳杰，季忠斌．安全閥系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用解析［J］．化工設(shè)計(jì)．2009，19(3):30－36．

4 HG/T 20570－95．工藝系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］．北京:化工部工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)編輯中心，1996:31－32．

5 張璐璐，李漢，王波等．多晶硅精餾塔系統(tǒng)中安全閥泄放量的計(jì)算［J］．化學(xué)工程．2011，39(1):95－96

Focusing on the protection and safety of the tower and relevant equipment，this paper analyzes the different configuration of safety valves and corresponding impact on the system design and cost．The results show that in case of emergency several safety valves can relieve over-pressure quickly and correctly，which reduces the potential hazards to the tower，thus protecting all of the equipment in the whole system against danger．For the expense of safety valves increases along with its quantity，appropriate safety devices can be selected with balance between cost and safety based on required safe level of the system concerned．

Discussion on Configuration and Economy of Safety Valves in Tower System

Wang Bo，et al(Hualu Engineering and Technology Co.，Ltd.，Xi'an 710065)

safety valverelief capacityeconomy

*王波:工程師。2002年畢業(yè)于西安交通大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)。一直從事化工工藝設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話(029)87989892，EMail:wb1961@chinahualueng.com。

2012－3－23)