壓力管道安全閥選用計(jì)算

1、安全閥選用計(jì)算1 選用原則1.1 臨界條件安全閥的選取規(guī)定是，在單位時(shí)間內(nèi)需要泄放的氣體流速大于等于達(dá)到臨界條件或亞臨界條件時(shí)的流速。氣體泄放時(shí)，安全閥排口處所能達(dá)到的壓力Pc取決于進(jìn)口壓力Pi與排口背壓Po的比值，即Po/Pi。由理論計(jì)算可知，泄放過(guò)程開(kāi)始后，出口處壓力由Pi逐漸下降，流速由0開(kāi)始逐漸增大；當(dāng)流速達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲贂r(shí)，因阻力過(guò)大而不再增大，出口處壓力下降至臨界壓力Pc后將不再下降。1這里要求Po/Pi的比值足夠使氣體流速達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲伲礉M足：臨界條件：P0PiPcPi=(2k+1)kk-1 2 式中，Po-出口側(cè)背壓，絕對(duì)壓力（Mpa），由使用條件決定 Pi -整定壓力，絕對(duì)壓力（

2、即，入口側(cè)壓力/Mpa），由熱力計(jì)算給定 -臨界壓力比 Pc -臨界壓力，絕對(duì)壓力（Mpa），滿足臨界條件時(shí)的出口壓力 k -氣體絕熱指數(shù)，由介質(zhì)組份確定 此時(shí)，安全閥最小排放截面積： Amin=Ws7.6×10-2CKPdM/(ZTd) ，mm2 2 式中，WS-安全泄放量（kg/h），由標(biāo)態(tài)流量×標(biāo)態(tài)密度 C -氣體特性系數(shù) Pd -排放壓力，絕對(duì)壓力（即，入口側(cè)氣體絕對(duì)壓力/Mpa） Td -排放溫度（即，入口側(cè)氣體溫度/K） M -氣體摩爾質(zhì)量（kg/kmol） K -安全閥的額定泄放系數(shù)，按TSG D 0001-2009壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程工業(yè)管道·

3、附件E·E2.1的規(guī)定：安全閥一般取其泄放系數(shù)的0.9倍；在沒(méi)有參考數(shù)據(jù)時(shí)可按如下選取，全啟式安全閥：K=0.600.70帶調(diào)節(jié)圈的微啟式定全閥：K=0.400.50不帶調(diào)節(jié)圈的微啟式定全閥：K=0.250.35 壓縮機(jī)用安全閥多為全啟式，一般選取：K=0.65 Z -氣體壓縮性系數(shù)，與氣體排放狀態(tài)和臨界狀態(tài)有關(guān)若Po/Pi的比值不足使氣體流速達(dá)到當(dāng)?shù)匾羲伲礉M足：亞臨界條件：P0Pi>PcPi=(2k+1)kk-1 1 此時(shí)，安全閥最小排放截面積： Amin=Ws55.85KPdMZTdkk-1P0Pd2k-(P0Pd)k+1k ，mm2 21.2 適用介質(zhì)上述(1.1)所說(shuō)

4、的臨界條件只適合一般介質(zhì)氣體，不適用于水蒸氣等高沸點(diǎn)的氣體。飽和水蒸氣雖然屬于可壓縮性氣體，但在泄放過(guò)程中其絕熱指數(shù)k不能同理想氣體一樣用常數(shù)來(lái)表達(dá)。所以對(duì)其所用安全閥最小排放面積計(jì)算公式加以修正，1 這里不過(guò)多論述了。 當(dāng)介質(zhì)為液體時(shí)，亦不必論述。2 選用計(jì)算當(dāng)容器壓力超過(guò)其最高工作壓力一定比例時(shí)，為防止壓力繼續(xù)升高而使容器破壞，需要將能夠引起壓力升高的部分氣體排出容器。理論上講，單位時(shí)間需要排出的氣體量，即為安全泄放量。用Ws表示，單位：kg/h 。下面只討論容積式壓縮機(jī)工藝管路中各級(jí)安全閥的選用計(jì)算。2.1 安全泄放量WsGB 150.1150.42011壓力容器·附錄B.超壓

5、泄放裝置·B5.容器安全泄放量的計(jì)算，給出了各種容器的安全泄放量的計(jì)算公式。對(duì)于壓縮機(jī)的工藝管路或各級(jí)容器的安全泄放量，可按下式計(jì)算： Ws=Vt ，kg/h式中， Vt -氣體標(biāo)態(tài)流量（Nm3/h），一般為壓縮機(jī)額定流量 -氣體標(biāo)態(tài)密度（kg/m3）該公式，適用于一般氣體及水蒸氣介質(zhì)。2.2 排放壓力Pd安全閥的整定壓力，亦稱開(kāi)啟壓力，在TSG R0004-2009固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程·第3.9.2節(jié)規(guī)定了超壓泄放裝置開(kāi)始動(dòng)作的壓力：1）裝有超壓泄放裝置的壓力容器，超壓泄放裝置的整定壓力不得高于壓力容器的設(shè)計(jì)壓力；2）對(duì)于設(shè)計(jì)圖樣中注明最高允許工作壓力的壓力容器

6、，允許超壓泄放裝置的整定壓力不高于該壓力容器的最高允許工作壓力。GB 150附錄B規(guī)定：容器超壓限度P10%×P或20kPa中的較大值（需要可用Pw代替上式中的P）；安全閥整定壓力PsP（需要可用Pw代替上式中的P）。ASME-1規(guī)定：容器超壓限度P10%×Pw或21kPa中的較大值；安全閥整定壓力PsPw 。在壓縮機(jī)工藝管路設(shè)計(jì)時(shí)，通常每級(jí)管路只安裝1個(gè)安全閥。正常工作條件下，安全閥動(dòng)作壓力必須高于容器工作壓力，安全閥的整定壓力（表壓）通常選取為1.051.10倍各級(jí)排氣壓力，即：Pz(1.051.10) Pn 式中， Pz -安全閥整定壓力，表壓（MPa） Pn -容器

7、工作壓力，表壓（MPa）安全閥排放壓力制造要求：Pd 1.10Pz 。為計(jì)算簡(jiǎn)便，一般取Pd1.10Pz 。3）對(duì)于加氣站內(nèi)緩沖罐、壓縮機(jī)出口、儲(chǔ)氣瓶組應(yīng)設(shè)置安全閥，應(yīng)符合固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程的有關(guān)規(guī)定。安全閥的整定壓力Pd除應(yīng)符合固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程的有關(guān)規(guī)定外，尚應(yīng)符合下列規(guī)定： 當(dāng)P1.8MPa時(shí)，P0=P+0.18MPa。 當(dāng)1.8MPaP4.0MPa時(shí)，P0=1.1P 當(dāng)4.0MPaP8.0MPa時(shí)，P0=P+0.4MPa 當(dāng)8.0MPaP25.0MPa時(shí)，P0=1.05P。 注：P-設(shè)備最高操作壓力。2.3 氣體特性系數(shù)C氣體特性系數(shù)C，是反應(yīng)氣體特性的綜合數(shù)值

8、，與氣體絕熱指數(shù)有關(guān)?？刹镚B150.1150.4-2011壓力容器·表B1或由下式確定， C=520k(2k+1)k+1k-1 式中， k -氣體絕熱指數(shù)，與介質(zhì)氣體組份的性質(zhì)有關(guān)，可查活塞式壓縮機(jī)設(shè)計(jì)·表2-2或按下式確定： k=CpCv 式中， Cp -氣體的定壓比熱，kC/kg·，指每千克氣體在固定壓力時(shí)溫度每升高1時(shí)所吸收的熱量Cv -氣體的定容比熱，kC/kg·，指每千克氣體在固定容積時(shí)溫度每升高1時(shí)所吸收的熱量2.4 額定泄放系數(shù)K安全閥的泄放系數(shù)，即我們常說(shuō)的排量系數(shù)。排量系數(shù)是實(shí)際排量與理論排量的比值，即安全閥排放氣體量與按安全閥喉徑計(jì)

9、算泄放量的比值。排量系數(shù)越大安全閥設(shè)計(jì)越合理,但受多種因素制約。一般情況下，同一型號(hào)不同口徑排量系數(shù)基本相同。 GB 150.1150.4-2011壓力容器·附錄B·超壓泄放裝置規(guī)定：安全閥的額定泄放系數(shù)K取0.9倍的匯放系數(shù)，泄放系數(shù)由安全閥制造廠提供。 在安全閥泄放量計(jì)算時(shí)，通常K0.60.7，一般取K0.65。2.5 氣體摩爾質(zhì)量M 3 摩爾是物質(zhì)量的單位，相當(dāng)于12g12C的原子個(gè)數(shù)，大約為6.02×1023。1mol氣體質(zhì)量為其分子量，單位：g/mol，標(biāo)態(tài)下的體積：22.4L。安全閥計(jì)算時(shí)所用的氣體摩爾質(zhì)量M，單位：kg/kmol，數(shù)值為氣體分子量。2

10、.6 氣體壓縮性系數(shù)Z 4氣體壓縮性系數(shù)Z，是氣體在相同狀態(tài)（P，V）下，實(shí)際氣體的比容同理想氣的比容的偏差。比容，是描述氣體同外界交換熱量時(shí)，氣體溫度變化特性的物理量。壓縮性系數(shù)：Z=PVRT式中，為氣體常數(shù)，對(duì)于理想氣體：R=848M ，式中M-氣體分子量理想氣體壓縮性系數(shù)：Z1，R=PVT=848M 。實(shí)際氣體在壓縮過(guò)程中，尤其在其狀態(tài)接近臨界狀態(tài)時(shí)，其氣體常數(shù)R將偏離理想氣體常數(shù)很大，此時(shí)在工程計(jì)算中已經(jīng)不可容忍，所以有必要對(duì)根據(jù)理想氣體計(jì)算所得的氣體常數(shù)進(jìn)行修正，這就是給R乘以一個(gè)壓縮性系數(shù)Z，即RmZR。壓縮性系數(shù)Z的值與介質(zhì)性質(zhì)和氣體狀態(tài)(P,V,T)有關(guān)。按GB150-1998

11、鋼制壓力容器·附錄B·超壓泄放裝置·圖B1，查氣體壓縮性系數(shù)。其中，需要計(jì)算兩個(gè)數(shù)值：對(duì)比溫度： Tr=TTc 式中， Tc-氣體的臨界溫度，K T -氣體的泄放溫度，K對(duì)比壓力： Pr=PPc式中， Pc-氣體的臨界壓力，Mpa（A） P -氣體的整定壓力，Mpa（A）3 設(shè)計(jì)算例本例是某型壓縮機(jī)的一級(jí)排氣安全閥的選用計(jì)算。3.1 工作條件混合氣體分子量： M2.46絕熱指數(shù)： K1.404密度： I0.1098 kgf/m3排氣量： Vt23.5 Nm3/min混合氣體假臨界壓力：Pc'=13.0259 MPa混合氣體假臨界溫度：Tc'=34.

12、702 °K一級(jí)排氣壓力： Pc0.315 MPa (G)安全閥排口壓力： P00.1 MPa (A)一級(jí)排氣溫度： Td406 °K3.2 計(jì)算參數(shù)1）安全泄放量 Ws=60IVt=60×0.1098×23.5=154.82(kg/h)2）整定壓力 Pz1.10 Pc1.10×0.3150.35 (MPa) (G) 排放壓力 Pd1.10 Pz1.10×0.350.39 (MPa) (G) Pd0.49 (MPa) (A)3）氣體特性系數(shù) C=520×1.404×(21.404+1)1.404+11.404-1=

13、356.44）氣體壓縮性系數(shù) 對(duì)比溫度：Tr=TdTc'=40634.702=11.7 對(duì)比壓力：Pr=PdPc'=0.4913.0259=0.0376 查GB 150.1150.4-2011壓力容器·附錄B·超壓泄放裝置·圖B1，得混合氣體壓縮性系數(shù)，Z1 。5）額定泄放系數(shù) 在安全閥泄放量計(jì)算時(shí)，通常K0.60.7，一般取K0.65。3.3 最小排放面積1）臨界條件 P0Pd=0.10.49=0.204 ，(2k+1)kk-1=(21.404+1)1.4041.404-1=0.528 所以，滿足臨界條件：P0Pi(2k+1)kk-1 。2）計(jì)算

14、最小排放面積 Amin=Ws7.6×10-2CKPdM/(ZTd) =154.827.6×10-2×356.4×0.65×0.49×2.46/(1×402) =224(mm2)3）計(jì)算所需喉頸 d0=4Amin=4×2243.1416.9(mm)選用安全閥為：A42Y-16C-DN32；喉頸：d020mm。4 安全閥設(shè)置1） 安全閥適用于清潔、無(wú)顆粒、低粘度流體。凡下列情況之一的必須安裝安全閥：獨(dú)立壓力系統(tǒng)（有切斷閥與其它系統(tǒng)分開(kāi)）；容器壓力物料來(lái)源處沒(méi)有安全閥的場(chǎng)合；設(shè)計(jì)壓力小于壓力來(lái)源處的壓力容器及管道；容積式

15、泵和壓縮機(jī)的出口管道；由于不凝氣的累積產(chǎn)生超壓的容器；升壓系統(tǒng)出口管道上，如設(shè)有切斷閥、止回閥或控制閥時(shí)，在該閥上游應(yīng)設(shè)置安全閥。 其它應(yīng)設(shè)置安全閥的地方。52）安全閥應(yīng)設(shè)置在容器本體或其連接管線上容易安裝、檢查、維護(hù)的部位，閥體應(yīng)在容器或管線頂部并垂直向上。安全閥應(yīng)設(shè)置在靠近容器壓力源的位置。若用于氣體介質(zhì)，應(yīng)設(shè)置在氣相空間；若用于液體介質(zhì)，應(yīng)設(shè)置在正常液面以下。容器與安全閥之間一般不宜設(shè)置中間截?cái)嚅y。對(duì)于連續(xù)操作的容器，可在容器與安全閥之間設(shè)置截?cái)嚅y專供檢修用。容器正常工作期間，截?cái)嚅y應(yīng)處于全開(kāi)的位置并鉛封。安全閥支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，以保證能承受泄放時(shí)產(chǎn)生的反力。23）壓縮機(jī)級(jí)間安全閥應(yīng)設(shè)置在冷卻器入口前。6參考文獻(xiàn)1 李世玉. 壓力容器設(shè)計(jì)工程師培訓(xùn)教程. 第1版. 北京：新華出版社，2005年10