塔系统安全阀配置与经济性讨论

王波 张璐璐 李汉华 陆工程科技有限责任公司 西安 710065

张炜宝鸡市环境监测站宝鸡721006

塔系统安全阀配置与经济性讨论

王波*张璐璐 李汉华 陆工程科技有限责任公司 西安 710065

张炜宝鸡市环境监测站宝鸡721006

在塔系统的设计中，针对整个塔及其相关联设备进行安全防护，分析不同安全阀的配置对系统的影响以及经济性。在事故状态下，选用多个安全阀能够及时准确的泄放超压物，降低危险隐患，有效地保证设备安全。由于安全阀的费用随个数的增加而上升，故可以根据不同系统对安全等级的要求，选择与经济性和安全性相匹配的安全设施。

安全阀泄放量经济性

在化工工艺设计中，为防止超压，广泛地采用安全阀来保护整个设备系统。随着工艺装置和设备的大型化，往往一个安全阀泄放装置并不能满足被保护系统的泄放要求，必须设置多个安全泄放装置才能解决这个工程问题［1］。由于安全阀尺寸越大，价格越高，所以如何合理配置安全阀对整个工程的费用控制显得尤其重要。

在一个被保护系统中存在多个可能的超压事故，如:外部火灾、换热器管子破裂、循环水故障、电力故障、出口堵塞、控制阀失灵以及化学反应失控等因素［2］。当各个超压事故需要的泄放量相差较大时，若按常规做法设置单个安全阀，则应采用几个超压事故中最大的泄放量作为确定安全阀泄放装置尺寸的安全泄放量。但当发生泄放量较小的超压事故时，单个安全阀泄放尺寸显得过大。更重要的是，安全阀可能发生频跳或颤振而使其性能恶化，引起阀座密封性降低，进而损坏阀门及连接管道。因此可以设置多个较小尺寸的安全阀泄放装置以适应不同泄放量的多个超压事故。

在塔的工艺设计中，由于有多个设备相关联，采用传统单个安全阀用于保护整个塔系统具有一定的局限性。单个安全阀配置并未充分考虑其他设备发生状况时的泄放，以及单个设备与安全阀相关联对于整个泄放量的影响。本文针对以往选用的欠缺，分析单个和多个安全阀的设置对于系统安全的影响，并结合费控评价其经济性能。

1 工艺简述

塔系统单个安全阀工艺见图1。

图1 塔系统单个安全阀工艺简图

以典型的精馏塔为例，精馏塔所连接的设备多，操作状况复杂，在事故状况下安全阀对整个设备的保护非常重要。整个系统包括塔、再沸器、冷凝器、回流罐四个主要设备。将物料输入塔中，塔顶馏出的物料回流。塔底经再沸器加热，气化物料返回塔内，釜液送出处理。从安全阀排出的废气进入收集总管，当系统发生超压状况时，塔顶的安全阀1开启保护整个单塔系统。

2 安全阀配置

2.1 单个安全阀配置

在传统工艺中，精馏塔及未设切断阀的回流罐、冷凝器、再沸器系统仅设置一个安全阀即可［3］。由此被保护系统中存在外部火灾、换热管破裂、循环水故障三个最可能发生的超压事故:常规计算火灾工况一般只考虑塔及其回流罐的润湿面积;换热管破裂要根据物料的性质和换热器两侧压差大小，考虑工艺物料是否与冷却介质(加热介质)发生反应或膨胀的复杂效应;根据规定以循环水为冷媒的塔顶冷凝器，当循环水发生故障时，塔顶设置的安全阀泄放量为正常工作下进入冷凝器的最大蒸汽量［4］。

单安全阀的配置存在着一些弊端，一方面因为塔系统由多个设备组成，只设一个安全阀会造成不同事故下的起跳偏差，另一方面对于具有多个不同泄放量的超压事故系统，采用单个大尺寸的安全泄放装置，不能改善泄放性能和提高安全性。

2.2 多个安全阀配置

塔系统双安全阀工艺见图2。

图2 塔系统双安全阀工艺简图

由于单安全阀设置的弊端，此塔系统分别在塔顶气相出口和塔底再沸器物料出口处设置安全阀，此系统存在三种可能发生的安全阀起跳现象:①当塔底发生超压事故时，首先检测到超压的安全阀3开启，释放一部分气体，塔压恢复正常时安全阀2仍未起跳;②当塔顶聚集大量气体时，安全阀2首先检测到超压，阀瓣开启泄压，瞬间系统回到平衡状态，安全阀3未检测到超压保持原状;③当发生其他泄放量大的工况时，首先接触到超压的安全阀开启，若不能满足泄放要求或其他超压事故接连发生时，另一个安全阀开启，释放多余气体以保护整个塔系统。此系统设置的双安全阀既保护了设备，又能迅速泄放气体，间接地减少了物料的泄放量，为事故处理争取了宝贵的时间。

2.3 安全阀配置方案的分析

2.3.1 塔底安全阀配置

火灾是化工厂中计算安全阀最常考虑的工况之一，外部火焰传入的热量通过润湿面积使容器内的物料气化，瞬间排出的大量气体引起系统压力剧增，达到设定压力时安全阀起跳。由于精馏塔较高，框架以上很难发生火灾工况，所以将安全阀装在再沸器物料出口处，当塔下部发生火灾时能够及时排出被气化的物料，有力地保护了再沸器和塔。

2.3.2 塔顶安全阀配置

塔系统上部的主要设备是以循环水为冷媒的塔顶冷凝器，当循环水发生故障时，大量蒸汽源源不断进冷凝器，聚集到设定压力时，安全阀起跳排出大量未冷凝下来的物料气。如果换热管破裂，物料可能与水发生化学反应，放出大量气体，需要考虑反应工况。

以多晶硅装置精馏塔为例，背压0.05MPa (G)，安全阀允许超压10%，各种工况下安全阀的泄放量计算参数［5］见表1。

表1 塔系统安全阀的设置及参数

安全阀排放量应采用多种考虑因素中的最大量，如果设置单个安全阀用于保护整个系统，应选择四种工况下泄放量的最大值405453 kg/h，安全阀口径为14Y18。若图2设置双安全阀，塔顶气相管应考虑选择口径较大的冷凝器换热管破裂反应工况，安全阀型号为10V14，塔釜泄放量为总量减去塔顶安全阀所对应的的额定泄放量。塔顶安全阀型号10V14的额定泄放量计算为232480kg/h，则塔釜安全阀3应选择排量为:

405453－232480 =172973 kg/h。

3 安全阀配置的经济衡算

3.1 安全阀选用口径与泄放量

不同泄放量下安全阀费用见表2。

表2 不同泄放量下安全阀费用

根据相关规定，设置多个安全阀泄放装置的最大泄放压力(GB150为112或116%MAWP，ASME为116或121%MAWP)比设置单个安全阀泄放装置(GB150和ASME均为110%MAWP)大［1］，故本装置塔釜安全阀3允许超压16%。在表2中，单个安全阀1报价为10.5万元，安全阀2和安全阀3，总计11.4万元。由实际计算可知，在选用相同材质的情况下，双安全阀费用与单个安全阀相差不大，但其安全性能将会增加。故通过对比不同安全阀配置的方法以及安全性能的优劣，可以依照所设计工艺中物质的有毒性和可燃性等级，结合费用控制选用与工艺配套的安全设施。

4 结语

随着工程设计对安全系统要求的增高，安全阀的设计也愈加严格。由于很难对安全阀进行各种工况下的在线超压试验，因此有必要对其进行精确的设计和配置，使安全阀的设计在技术上更加安全，在经济上更加合理。塔是一个高压复杂系统，在塔顶和塔底设置两个安全阀有助于控制整个塔系统的泄放安全。如果塔下部发生火灾工况，塔底安全阀首先起作用，排放出气体降低塔温;如果塔上部发生事故，当压力达到最大设定压力时，塔顶安全阀及时开启。如此设置能够全面考虑到塔与各个设备之间的关联效应，尽快排出超压气体以降低系统压力，确保设备安全。

此安全阀配置方法按照规范选取并结合实际工况进行计算，综合考虑几种工况的叠加效应对整个系统的影响。从安全阀的配置和费用分别剖析计算，为以后相似工段的设计提供借鉴与参考。特别是对于有毒、易燃、易爆和贵重的工艺物料，多级设定的多个装置，能够有效的减少超压事故的泄放量，有利于工艺操作稳定、环保、安全和经济性［1］。

鉴于安全阀费用随其口径的增大而剧增的特性，根据以上的计算和费用分析可知，按照安全性与经济性的最优点分级设置安全阀，能够进一步优化配置，为整个装置提供更加安全节能的保护设施。

1 应道宴，夏德楷，丁伯民，等．《压力管道规范工业管道》实施指南．化工设备与管道［J］．2007，44(增刊二) (2):297－298．

2 王炜，吴德荣．管壳换热器中管子断裂泄放量的计算［J］．化工设计．2002，12(3):16－18．

3 张慧，王佳杰，季忠斌．安全阀系统设计应用解析［J］．化工设计．2009，19(3):30－36．

4 HG/T 20570－95．工艺系统工程设计技术规定［S］．北京:化工部工程建设标准编辑中心，1996:31－32．

5 张璐璐，李汉，王波等．多晶硅精馏塔系统中安全阀泄放量的计算［J］．化学工程．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:工程师。2002年毕业于西安交通大学化学工程与工艺专业。一直从事化工工艺设计工作。联系电话(029)87989892，EMail:wb1961@chinahualueng.com。

2012－3－23)