蘇鳳莉 惠生工程(中國(guó))有限公司 上海 201210

安全閥作為石油化工裝置中重要的保護(hù)設(shè)施，其泄放量的計(jì)算尤為重要。安全閥的超壓原因有很多，包括出口閥門誤關(guān)閉、冷卻介質(zhì)或回流中斷、不凝氣積累、溢流、調(diào)節(jié)閥故障、火災(zāi)、化學(xué)反應(yīng)、過度熱量輸入等。隨著工程項(xiàng)目國(guó)際化程度越來越高，安全閥的計(jì)算需工藝人員分析考慮各種工況，并提供每種工況的計(jì)算結(jié)果，通過各種工況結(jié)果分析比較，最終確定安全閥的泄放量。若安全閥存在不同相態(tài)的物料泄放，則需將不同相態(tài)的泄放量均提供給安全閥廠商，便于安全閥選型更加準(zhǔn)確。

自控調(diào)節(jié)閥在確保工藝裝置自動(dòng)化運(yùn)行及連續(xù)生產(chǎn)過程中發(fā)揮著重要作用。但調(diào)節(jié)閥出現(xiàn)故障，將會(huì)導(dǎo)致設(shè)備的超壓，也是安全閥泄放量計(jì)算的一種重要工況。調(diào)節(jié)閥故障的原因包括儀表氣源故障、變送器信號(hào)故障、電力故障及機(jī)械故障等導(dǎo)致的閥門全開或全關(guān)。關(guān)于控制閥故障的計(jì)算方法，《安全閥的設(shè)置和選型》HG-20570[1]中介紹，針對(duì)液相管道，安全閥的泄放量為控制閥最大通過量與正常流量之差，而并未涉及如何計(jì)算控制閥的最大通過量即泄放工況下閥門全開時(shí)的通量，工程實(shí)踐中設(shè)計(jì)人員在確定此量時(shí)也存在困擾。部分工藝中，工藝包商為了管道材料降級(jí)，常通過調(diào)節(jié)閥和安全閥組合來實(shí)現(xiàn)；攪拌器或泵的密封系統(tǒng)中，為了保護(hù)密封腔，高壓密封液減壓后也常設(shè)置安全閥；此時(shí)，調(diào)節(jié)閥失效導(dǎo)致安全閥泄放是安全閥排放的決定工況，精確計(jì)算尤為重要。同時(shí)，泄放工況下調(diào)節(jié)閥所通過的最大通量還需與調(diào)節(jié)閥及安全閥所在的管路系統(tǒng)相匹配。本文將全面分析介紹調(diào)節(jié)閥失效時(shí)安全閥泄放量的計(jì)算流程，對(duì)迭代計(jì)算中需考慮的因素做分類舉例說明，最終確定安全閥的泄放量，為安全閥選型提供參考。API 520[2]中液相調(diào)節(jié)閥失效導(dǎo)致上游設(shè)備高壓氣相反串的工況不在本文的討論范圍，原因在于根據(jù)液體計(jì)算的調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)Cv值與此閥門通過氣相時(shí)Cg值為不同數(shù)據(jù)，需調(diào)節(jié)閥廠商嚴(yán)格計(jì)算。

1 液體調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)計(jì)算說明

對(duì)于液體，計(jì)算調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)Cv時(shí)，首先需判斷流體是否為阻塞流，根據(jù)是否為阻塞流選擇不同的計(jì)算公式。阻塞流的判斷依據(jù)為：

(1)

ΔP=P1-P2

(2)

若ΔP<ΔPc，則為非阻塞流，此時(shí)調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)Cv可按式(3)計(jì)算：

(3)

若ΔP≥ΔPc，則為阻塞流，此時(shí)調(diào)節(jié)閥流量系數(shù)Cv可按式(4)計(jì)算:

(4)

式中，P1為調(diào)節(jié)閥上游壓力，bar(a)；P2為調(diào)節(jié)閥下游壓力，bar(a)；Pv為液體飽和蒸汽壓，bar(a)；Pc為液體臨界壓力，bar(a)；P0為大氣壓，bar(a)；G為液體比重；△Pc為臨界壓差，bar；W為液體質(zhì)量流量kg/h；Fc為壓力恢復(fù)系數(shù)，初步計(jì)算選取0.9。

需要說明的是：對(duì)一定特定形式的調(diào)節(jié)閥，F(xiàn)c是一個(gè)固定常數(shù)，它只與閥的結(jié)構(gòu)、流路形式有關(guān)，而與閥徑無關(guān)。此數(shù)值最終需以廠商資料為準(zhǔn)。

2 調(diào)節(jié)閥失效導(dǎo)致安全泄放的計(jì)算過程

(1)工程設(shè)計(jì)初始階段，控制閥廠商還未返回調(diào)節(jié)閥Cv值，工藝專業(yè)可按上述公式先計(jì)算閥門正常工況下的Cv值，亦可采用部分控制閥廠商提供的計(jì)算軟件進(jìn)行計(jì)算；計(jì)算得到Cv值后，根據(jù)閥門開度及工程經(jīng)驗(yàn)選擇閥門的實(shí)際Cv值，一般適當(dāng)擴(kuò)大2～3倍即可，最終復(fù)核應(yīng)以調(diào)節(jié)閥廠商返回的閥門實(shí)際額定Cv值為準(zhǔn)。

(2)當(dāng)此調(diào)節(jié)閥失效時(shí)，調(diào)節(jié)閥下游壓力初步仍為低壓側(cè)正常壓力P2,根據(jù)阻塞流判斷依據(jù)判斷是否為阻塞流，進(jìn)而選擇相應(yīng)的計(jì)算公式，此時(shí)也需充分考慮調(diào)節(jié)閥旁路誤開的影響，調(diào)節(jié)閥旁路手動(dòng)閥的流量系數(shù)為Cb,初步計(jì)算出調(diào)節(jié)閥的最大通量W1。

若為非阻塞流，

(5)

若為阻塞流，

(6)

此時(shí)判斷阻塞流公式(2)中P2應(yīng)為P2′,即安全閥泄放壓力。

若考慮調(diào)節(jié)閥旁路全開工況，則Cb=Cv；若不考慮調(diào)節(jié)閥旁路全開工況，則Cb=0。確定了調(diào)節(jié)閥的最大通量后，還需綜合考慮下游低壓設(shè)備的容量，并綜合考慮高壓側(cè)流體泄放至低壓側(cè)導(dǎo)致設(shè)備溢流的時(shí)間與操作人員的響應(yīng)時(shí)間的比較，最終確定調(diào)節(jié)閥失效是否會(huì)導(dǎo)致低壓側(cè)安全閥泄放，因本文著重討論調(diào)節(jié)閥失效導(dǎo)致的安全閥泄放工況，故此部分不做詳細(xì)說明。

(3)當(dāng)此調(diào)節(jié)閥失效導(dǎo)致安全閥泄放時(shí)，調(diào)節(jié)閥下游壓力應(yīng)初步選為安全閥泄放壓力P2′,調(diào)節(jié)閥上游為此時(shí)流體正常操作壓力P1，根據(jù)阻塞流判斷依據(jù)判斷是否為阻塞流，進(jìn)而選擇相應(yīng)的計(jì)算公式，此時(shí)也需充分考慮調(diào)節(jié)閥旁路誤開的影響，調(diào)節(jié)閥旁路手動(dòng)閥的流量系數(shù)為Cb,初步計(jì)算出調(diào)節(jié)閥的最大通量W2。

此時(shí)判斷阻塞流公式(2)中P2應(yīng)為P2′,即安全閥泄放壓力，計(jì)算調(diào)節(jié)閥通量公式(5)中ΔP也需相應(yīng)改變。

(4)根據(jù)計(jì)算得出的調(diào)節(jié)閥最大通量W2，帶入到調(diào)節(jié)閥所在管路系統(tǒng)，反算此流量下調(diào)節(jié)閥上游的真實(shí)壓力P1′,重復(fù)步驟(3)。

步驟(3)與步驟(4)迭代計(jì)算，最終確定調(diào)節(jié)閥失效工況下最大的通過量。

當(dāng)調(diào)節(jié)閥廠商返回最終資料時(shí)，上述計(jì)算公式中壓力恢復(fù)系數(shù)Fc和調(diào)節(jié)閥額定流量系數(shù)Cv均應(yīng)調(diào)整為廠商提供的數(shù)值，重復(fù)上述所有計(jì)算過程，最終確定此調(diào)節(jié)閥失效時(shí)通過調(diào)節(jié)閥的最大通量，即可確定安全閥的泄放量。

3 計(jì)算調(diào)節(jié)閥最大通過量迭代過程需考慮因素及舉例說明

3.1 示例1 調(diào)節(jié)閥上游為泵類輸送設(shè)備的情況

首先需分析泵的類型，當(dāng)泵為容積式泵時(shí)，泵的輸送量不變，調(diào)節(jié)閥上游的壓力保持不變，此時(shí)當(dāng)調(diào)節(jié)閥失效時(shí)，上游壓力P1′的計(jì)算僅需考慮此管道阻力降即可，最終根據(jù)流體水利學(xué)計(jì)算確定P1′,帶入公式(5)或(6)，計(jì)算出調(diào)節(jié)閥的通量，多次簡(jiǎn)單迭代，使得計(jì)算管線阻力降所需的流量與根據(jù)實(shí)際壓差計(jì)算調(diào)節(jié)閥通量一致后，迭代結(jié)束。當(dāng)泵的類型為離心泵時(shí)，需考慮流量變化導(dǎo)致的泵出口壓力的變化，即調(diào)節(jié)閥上游的壓力是動(dòng)態(tài)的，此時(shí)迭代計(jì)算需結(jié)合泵的曲線進(jìn)行嚴(yán)格水力學(xué)計(jì)算。舉例如下：① G-001A/B泵的基本信息：額定流量338.8m3/h,揚(yáng)程160m,NPSHr 5.8m, 效率72%，功率250kW, 轉(zhuǎn)速2950r/min, 電機(jī)型號(hào) YB3-4004-2WF2；② 泵與調(diào)節(jié)閥之間管路基本信息：8″管線5m，球閥4個(gè)，止回閥1個(gè)，彎頭1個(gè)，管壁粗糙度0.046mm；③ 流體性質(zhì)：密度999.0kg/m3，粘度0.904mPa·s;液體飽和蒸氣壓 0.33bar(a);④ 安全閥設(shè)定壓力10.3bar(g)，泄放壓力11.33bar(g)。

迭代計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 示例1計(jì)算結(jié)果

注：① 正常操作工況；② 調(diào)節(jié)閥失效工況，初定高壓側(cè)出口壓力不變，計(jì)算調(diào)節(jié)閥通過量及管路壓降；③ 調(diào)節(jié)閥失效工況，結(jié)合泵的特性曲線及所在管路系統(tǒng)的水力學(xué)，多次迭代計(jì)算流量；④ 調(diào)節(jié)閥失效工況，最終壓力與管路系統(tǒng)平衡，調(diào)節(jié)閥最大通量確定。

故此調(diào)節(jié)閥失效時(shí)通過調(diào)節(jié)閥最大通量為347531kg/h，安全閥泄放量為347531.76-238541=108990.76 kg/h。

3.2 示例2 調(diào)節(jié)閥上游存在限流孔板或孔板流量計(jì)的情況

因孔板具有節(jié)流降壓的作用，孔板的壓降隨流量變化很大，見公式(7)。

(7)

式中，W為液體質(zhì)量流量，kg/h；d0為孔板孔徑，m；C為孔板流量系數(shù)，初步可選取0.6，最終根據(jù)廠商資料確定；G為液體比重；ρ為液體密度， kg/m3；ΔP1為孔板前后壓差， Pa。

當(dāng)調(diào)節(jié)閥上游存在孔板而調(diào)節(jié)閥失效時(shí)，孔板的流量計(jì)壓降也會(huì)發(fā)生很大變化，此時(shí)，水力學(xué)計(jì)算需將調(diào)節(jié)閥與孔板緊密結(jié)合，進(jìn)而確定最終調(diào)節(jié)閥失效時(shí)的通過量。舉例如下：①調(diào)節(jié)閥及孔板所在管線尺寸6″, 限流孔板孔徑d=50.7mm；②流體性質(zhì)：密度999.0kg/m3，粘度0.904mPa·s,液體飽和蒸氣壓0.33bar(a)；③安全閥設(shè)定壓力3.5 bar(g)，泄放壓力3.85 bar(g)；④孔板上游壓力恒定為P0=18.36bar(g)。

因高低壓設(shè)備距離很近，孔板與調(diào)節(jié)閥靠近布置，故本例中管道阻力降可忽略不計(jì)。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 示例2計(jì)算結(jié)果

注：① 正常操作工況;② 調(diào)節(jié)閥失效工況，初定孔板壓降不變，及調(diào)節(jié)閥前壓力不變，計(jì)算調(diào)節(jié)閥最大通量；③ 調(diào)節(jié)閥失效工況，將第二步計(jì)算的通量代入式(7)，計(jì)算孔板壓降，此數(shù)值超過上游最高壓力，顯然不合理；假設(shè)管路壓降全部為孔板壓降，根據(jù)式(7)計(jì)算孔板通過的最大量，此通過量也為調(diào)節(jié)閥失效管路可能的最大通過量；④ 綜合考慮管路系統(tǒng)的壓力降分配，結(jié)合式(5)(或式(6))與式(7)多次反復(fù)迭代計(jì)算，最終確定調(diào)節(jié)閥的最大通過量。

此例中調(diào)節(jié)閥失效工況下調(diào)節(jié)閥最大通過量為222694.9kg/h, 故安全閥泄放量為222694.9-149865=72829.9 kg/h。

3.3 示例

3 調(diào)節(jié)閥上游存在導(dǎo)致壓力變化的設(shè)備(比如過濾器或換熱器)情況

當(dāng)調(diào)節(jié)閥上游有換熱器或過濾器及其他因流量變化導(dǎo)致壓降變化的設(shè)備而調(diào)節(jié)閥失效全開時(shí)，計(jì)算調(diào)節(jié)閥最大通過量時(shí)需著重考慮上游設(shè)備的壓降變化。多次迭代計(jì)算時(shí)，需結(jié)合專有軟件，如HTRI或過濾器濾芯廠商資料，最終使整個(gè)系統(tǒng)的壓力相匹配，從而得出調(diào)節(jié)閥失效的最大通量。

4 結(jié)語

本文著重介紹了液體調(diào)節(jié)閥失效時(shí)安全閥泄放量的計(jì)算方法及流程，同時(shí)對(duì)調(diào)節(jié)閥最大通過量迭代過程需考慮因素進(jìn)行分析。根據(jù)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合調(diào)節(jié)閥所在實(shí)際管路系統(tǒng)給出了部分詳細(xì)計(jì)算實(shí)例，清楚闡述了具體計(jì)算過程，便于設(shè)計(jì)人員更準(zhǔn)確地計(jì)算安全閥泄放量，為后續(xù)安全閥選型提供依據(jù)，保證裝置正常安全運(yùn)行的同時(shí)使設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)合理。