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控制閥故障工況下安全閥泄放量的計算
來源: | 作者: | 發布時間: 41天前 | 34 次瀏覽 | 分享到:

    當前新建煉油生產裝置均趨向大型化,集中處理,生產過程連續,自動化程度高,但是一旦生產中發生事故,造成的危害和損失也隨之增大。安全閥作為一種安全保護用閥龙8国际手机版注册-首页,可以保證鍋爐龙8国际手机版注册-首页、壓力容器和壓力管道的安全運行龙8国际手机版注册-首页,在出現超壓時為保護系統安全而進行有效泄放。安全閥選型非常重要龙8国际手机版注册-首页,其中準確確定安全閥的泄放量是關鍵參數之一龙8国际手机版注册-首页。

    《HG/T20570.2-1995安全閥的設置和選用》(下文簡稱《標準》)是國內計算和選用安全閥可以參考的主要標準之一。雖然其提供了部分事故工況下泄放量的計算公式,但是尚不足以滿足所有工程計算的需要。因此,已有工程技術人員在工程實踐過程中,對各種事故工況下安全閥泄放量的計算規律進行過探索和總結[4-6]。常見的安全閥事故工況包括熱膨脹龙8国际手机版注册-首页、控制閥故障龙8国际手机版注册-首页、換熱器管破裂龙8国际手机版注册-首页、外部火災等[7]。在這些工況中,除了控制閥故障情況下的液體管道外,其他工況下安全閥泄放量,《標準》均提供了計算公式。針對控制閥故障情況下的液體管道,《標準》僅提及安全閥的泄放量等于“控制閥*大通過量與正常流量之差”,未作進一步分析和計算。此處的“控制閥*大通過量”不能理解為工藝裝置正常運行中可能出現的*大流量(即穩態*大流量),而應視為在泄放工況下,閥門全開時控制閥所能通過的液體流量龙8国际手机版注册-首页。關于全開工況下閥門通過的液體流量計算,目前鮮有研究。工程實踐中龙8国际手机版注册-首页,遇到此種情況,常以正常流量乘以一定倍數的安全裕量作為控制閥的*大通過量。這種經驗做法龙8国际手机版注册-首页,缺乏理論分析支持,會帶來安全隱患。

    本文針對這一情況龙8国际手机版注册-首页,根據實際工程經驗,在一定條件下,建立經驗公式對控制閥故障工況下液體泄放量進行初步計算龙8国际手机版注册-首页,以便對項目初期安全閥選型給予更為準確的數據支持。

    1 計算原理簡述

    根據標準《HG/T20570.2-1995安全閥的設置和選用》可知,在控制閥故障工況下準確得到“控制閥*大通過量”是計算的關鍵龙8国际手机版注册-首页,即閥門全開時通過液體流量的計算??刂崎y所能通過的物料量受介質密度、閥門壓降和閥門流量系數等的影響龙8国际手机版注册-首页。其中,介質密度、閥門壓降等工程參數一般可以直接得到龙8国际手机版注册-首页。閥門流量系數(CV)是在給定行程下龙8国际手机版注册-首页,閥門兩端壓差為1lb•in-2時龙8国际手机版注册-首页,溫度為60℉的水龙8国际手机版注册-首页,每分鐘流經控制閥的體積(以美國加侖USgal表示)。流量系數CV一般需要通過特定公式進行計算龙8国际手机版注册-首页龙8国际手机版注册-首页,具體如下所示龙8国际手机版注册-首页。

    計算液體介質的流量系數CV,應首先判別流體是否為阻塞流。判別式如式(1)所示。

        (1)

    式中:Δp為閥門入口與出口壓差,kPa;p1為閥門入口處壓力,kPa;pv為液體的飽和蒸汽壓龙8国际手机版注册-首页,kPa;FL為壓力恢復系數(FL值是閥體內部幾何形狀的函數,它表示控制閥內流體流經縮流處之后動能變成靜壓的恢復能力);FF為液體臨界壓力比系數。

    其中龙8国际手机版注册-首页,FF可由式(2)近似確定。

        (2)

    式中:pv為液體的飽和蒸汽壓,kPa;pc為液體臨界壓力,kPa。

    1.1 非阻塞流

    若式(1)成立龙8国际手机版注册-首页,則流體為非阻塞流。此時控制閥的流量系數CV可以按式(3)計算。

        (3)

    式中:QL為液體體積流量,m3•h-1龙8国际手机版注册-首页;ρ/ρ0為液體的相對密度龙8国际手机版注册-首页;Δp為閥門入口與出口壓差,kPa龙8国际手机版注册-首页。

    1.2 阻塞流

    若式(1)不成立,則流體為阻塞流。此時控制閥的流量系數CV按式(4)計算。

        (4)

    式中:QL為液體體積流量,m3•h-1;ρ/ρ0為液體的相對密度龙8国际手机版注册-首页;p1為閥門入口處壓力龙8国际手机版注册-首页,kPa龙8国际手机版注册-首页;pv為液體的飽和蒸汽壓,kPa;FF為液體臨界壓力比系數;FL為壓力恢復系數。

    2 計算的前提假設

    由式(3)或式(4)可以看出龙8国际手机版注册-首页,要想計算通過控制閥的流量QL,除了需要知道物料的物性參數,還需要知道閥門全開時的CV和FL值。其中,閥門的流量系數CV與閥門的流量特性有著密切關系??刂崎y的流量特性是指在閥門兩端壓差保持恒定的條件下龙8国际手机版注册-首页龙8国际手机版注册-首页,閥門流量系數與它的行程之間的關系??刂崎y的流量特性有線性特性、等百分比特性及拋物線特性3種。在工程實踐中,*常用的控制閥基本都為等百分比特性閥門。

    如果閥門已經采購,可以由供貨商提供這些參數。但是,在實際工藝設計過程中,計算安全閥的泄放量時,控制閥的詢價可能尚未完成龙8国际手机版注册-首页龙8国际手机版注册-首页。如果需要計算控制閥故障工況下的泄放量,則需要假設部分工程參數如下所示。

    1)假定閥門的流量特性曲線為等百分比特性龙8国际手机版注册-首页。其特點是在閥門行程的每一點上單位行程變化所引起的流量變化與此點的流量成正比龙8国际手机版注册-首页龙8国际手机版注册-首页,即流量變化的百分比是相等的龙8国际手机版注册-首页。在此條件下,CV值可以按式(5)進行估算龙8国际手机版注册-首页。

        (5)

    式中:a為與閥門有關的常數龙8国际手机版注册-首页;x為閥門行程。

    2)一般正常操作時等百分比特性的調節閥其開度宜在30%~75%之間。假定工藝裝置穩態*大流量對應的閥門行程為75%,指定閥門流量系數為CV1。當閥門因故障全開時(閥門行程為100%),指定閥門流量系數為CV2。

    3)閥門因類別的不同壓力恢復系數FL在0.5~0.9之間,而大多數控制閥門的FL在0.8~0.9之間。出于計算的方便,本文假定FL=0.85。

    3 計算實例

    為了進一步說明式(3)和(4)的使用方法,下面舉例說明其計算過程。如圖1所示龙8国际手机版注册-首页,該系統包括壓力容器R1和R2龙8国际手机版注册-首页,其中R1中的物料經過控制閥V1進入R2,擬對R2的安全閥進行選型計算。

圖1 安全閥泄放流程簡圖

    假定壓力容器R2的安全閥泄放原因包含控制閥V1故障工況龙8国际手机版注册-首页;容器R1內物料為水龙8国际手机版注册-首页,不含不溶氣,且處于沸點,正常操作壓力是10barg,*大操作壓力為15barg龙8国际手机版注册-首页;容器R2的正常操作壓力是2barg龙8国际手机版注册-首页,設計壓力為3.5barg;正常工況下,控制閥的*大流量為20t•h-1龙8国际手机版注册-首页,正常流量為16t•h-1。則已知參數如下:p1=10barg=1000kPa;p2=2barg=200kPa龙8国际手机版注册-首页;Δp=8barg=800kPa龙8国际手机版注册-首页;ρ=880kg•m-3龙8国际手机版注册-首页;QL=20000kg•h-1=22.73m3•h-1;pv=11barg=1100kPa;pc=221barg=22100kPa龙8国际手机版注册-首页;FL=0.85。

    由式(2)可知,

    根據式(1)可得:0龙8国际手机版注册-首页,流體形成阻塞流,應按式(3)進行計算。

    因此龙8国际手机版注册-首页,當控制閥流量*大(閥門行程為75%)時,流量系數CV1為:

    

    當控制閥全開(閥門行程為100%)時,流量系數CV2按式(5)進行計算。

    

    當R2處于泄放工況時,假定R1處于*大操作壓力(15barg)之下龙8国际手机版注册-首页龙8国际手机版注册-首页,且容器內的水處于沸點(201℃),R2內壓力達到3.5barg。所以各項已知參數如下:p1′=15barg=1500kPa;p2′=3.5×1.1=3.85barg=385kPa;Δp′=11.15barg=1115kPa;p′=860kg•m-3龙8国际手机版注册-首页;pv′=16barg=1600kPa;pc=221barg=22100kPa;FL=0.85。

    由式(2)可知:

    由式(1)可得:>0,流體形成阻塞流。將式(3)變形可得:

    

    帶入相關工程參數進行計算,由計算結果可知閥門全開時,控制閥的通過量為:QL′=42.5m3•h-1=36.6t•h-1。

    一般來講,基于此種方式計算獲得的流量可以加上10%的安全裕量作為“控制閥*大通過量”龙8国际手机版注册-首页。則容器R2頂部安裝的安全閥在控制閥故障工況下的泄放量為:Q=36.6×1.1-16=24.3t•h-1。

    4 結論

    安全閥泄放量的計算事關重大,直接決定安全閥的選型龙8国际手机版注册-首页。如果因為標準《HG/T20570.2-1995安全閥的設置和選用》中未提供計算公式,或者因為控制閥詢價尚未結束而無法計算龙8国际手机版注册-首页,安全閥的采購進度將會受到影響龙8国际手机版注册-首页。本文根據相關工程經驗龙8国际手机版注册-首页,建立了一種控制閥故障工況下安全閥液體泄放量的計算方法。在項目設計階段,可以依照本文介紹的方法先行對涉及控制閥故障工況的安全閥進行計算,待控制閥采購結束后龙8国际手机版注册-首页,再借助供貨商提供的資料修正安全閥泄放量。