塔系统安全阀若干典型工况的分析和探讨

2014-08-10张宇剑

化工与医药工程 2014年1期

张宇剑

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

1 引言

安全阀在系统中起安全保护作用，其设定压力一般小于或者等于系统的设计压力。当系统压力达到安全阀的设定压力时，安全阀打开，将系统中的一部分物料排出，从而保证系统不因压力过高而发生事故（比如压力容器因压力过高而破裂后，其中有毒有害、易燃易爆的工艺物料外泄而引起爆炸、中毒等危害）。当系统通过安全阀排出一定量的物料之后，系统内的压力开始降低，直至降低到安全阀的回坐压力时安全阀关闭，以避免因过多的物料排出而造成不必要的浪费。

安全阀所需泄放量一般按照API 521 对各种工况进行分析而得到。在API 521-2007 的表格“Table 2 – Guidance for required relieving rates under selected conditions”中，简要罗列了各工况下液相及气相所需泄放量的确定[1]。

塔系统，一般包括塔、塔顶回流罐、塔顶冷凝器、塔釜再沸器、进料泵、回流泵、出料泵等设备，属于较复杂的系统。塔系统安全阀的工况分析不同于一般单元操作设备，有一些其特有的超压工况，比如塔顶气相出口阀门关闭、塔顶冷凝器冷却水故障、回流故障、塔釜过度热量输入等，这些工况的分析均需要结合整个塔系统进行分析，而不能只局限于塔本体这个设备。为了更直观地探讨塔系统的这些超压工况，本文将结合笔者在具体工程项目中遇到的一个塔系统，对塔系统相关的工况进行分析与探讨，给出可行的分析思路与计算方法。

2 塔系统安全阀若干工况的分析

2.1 流程简介

该塔系统的主要流程详见图1，主要包括塔T01、进料泵P01、塔顶冷凝器E01、回流罐V01、回流泵P02、塔釜再沸器E02、塔釜出料泵P03 等。

进料物流01 由P01 泵送进塔，控制方案是流量控制（调节阀FV-01，失气时状态为FC）。在该塔系统的工艺流程中，塔顶和回流罐顶设有气相平衡线，整个塔顶气相部分的压力由分程调节控制，压力低时PV-01B 打开补氮增压，压力高时PV-01A 打开卸压。回流罐V01 内的物料由泵P02 送出，一部分由流量控制（调节阀FV-03，失气时状态为FO）回流至塔；另一部分送往下游，其流量与V01 的液位串级控制（调节阀FV-02，失气时状态为FC）。塔釜出料经P03 送出至下游，其流量与塔的液位串级控制（调节阀FV-04，失气时状态为FC）。塔釜再沸器E02 中，热源蒸汽走壳程，工艺物料走管程。热源的控制点在蒸汽管线上，由塔的灵敏板温度串级控制蒸汽流量（调节阀FV-05，失气时状态为FC）。

本系统中T01 与E01、E01 与V01 之间分别由气相管线与气相平衡管线连接，整个系统的设计压力相同。系统设置两个安全阀，分别为T01 塔顶的PSV-01和V01 回流罐顶的PSV-02，设定压力均设为系统的设计压力。以下对这些安全阀的工况进行分析与探讨。

2.2 塔顶安全阀PSV-01 若干工况分析

2.2.1 塔顶出口阀门关闭工况

根据API 521 规范，此工况的安全阀排放量描述为：“Total incoming steam and vapor plus that generated therein at relieving conditions”，笔者理解为在泄放条件下进料中的气相以及压力系统内产生的气相之和。

图1 塔系统简图

在本系统中，塔顶气相出口至塔顶冷凝器E01 之间不设阀门，E01 和回流罐V01 之间设有切断阀。当该切断阀关闭时，由于其下游的塔顶回流罐V01、回流泵P02 等还在继续工作，因此在一段时间内，塔的回流还处于正常情况，所以塔内的气液相负荷也处于正常情况。但由于切断阀的关闭，E01 所冷凝的液相将从这个切断阀处开始积聚并逐渐沿着管道向上游阻塞直至将冷凝器E01 浸没，冷凝器E01 的冷凝作用将逐渐减弱并最终失去，在整个过程中塔内压力将逐渐上升。由于气相出口被堵塞，塔内的气相负荷变为0；而回流还未停，液相负荷还维持在正常流量，这就破坏了塔内正常的气液传质过程（多级气液平衡）。因此可以将超压泄放工况下的塔T01 简化为一个底部有热源输入的容器（即一级气液平衡）。

由于塔压降的作用，塔内的压力随塔高变化，塔顶压力最低，塔釜压力最高。根据气液平衡原理，对于一定组成的混合物，如果温度不变，那么在气液两相区域内压力越低气相分率越大。在超压泄放工况下，塔内压力沿塔高越来越低，到塔顶处压力最低；所以大体上塔内产生的气相量沿塔高越来越多，在塔顶处最多。如果忽略塔压降的影响进行简化，从压力与气相分率关系的角度来说，也足以保证工况分析的结果能覆盖塔内产生的气相量最大这一对安全阀来说最苛刻的情况。

如上所述，可以忽略塔压降的影响，并将超压工况下的塔T01 简化为一个底部有热源输入的容器（即一级气液平衡过程），详见图2。塔的进料和回流流量维持正常流量不变，热源通过塔釜的再沸器向塔内输入热量。

图2 塔的简化

在分析与计算的过程中，需要注意塔内产生的气相流量以及气相温度的合理性。

塔内产生的气相流量主要包括①塔的进料和回流进入塔时，在设定压力下闪蒸产生的气相量；以及②塔釜热源输入使塔釜物料部分气化所产生的气相量，两者之和为此时塔内产生的气相总和。对于其中的第②部分气相，还需要对塔釜再沸器的换热面积进行校核。

塔内产生的气相温度应小于灵敏板的控制温度。由于塔釜热源的流量由塔的灵敏板温度串级控制（如果塔内温度过高，受仪表系统的控制，塔釜热源调节阀会关小），而安全阀的分析不考虑两种没有关联的超压原因同时发生的可能性，所以在仪表系统调节功能正常运作的状态下，塔内产生气相的最大温度为灵敏板的控制温度。

以上为一般情况。特殊地，如果塔内进料的温度本身就大于或等于灵敏板温度时，塔釜热源调节阀即使全关（即塔釜无热量输入），塔内物料温度也会大于灵敏板的控制温度。这时只需考虑进料在设定压力下闪蒸产生的气相量即可。

考虑到塔T01 顶部和回流罐V01 顶部气相联通，而且在气相空间压力过高时系统能够通过排放阀PV-01A 排放一部分气体，因此在分析时也需要考虑PV-01A 全开所起到的卸压作用。计算时需注意PV-01A的入口压力并不等于安全阀的设定压力，还应考虑PSV-01 至PV-01A 之间的系统压降。

将塔内产生的气相量，减去此时PV-01A 全开所能排出的物料量，其差值即本工况安全阀所需泄放量。

根据上文的分析，本工况安全阀所需泄放量的计算主要步骤如下：

（1）比较塔的进料和回流物料温度与灵敏板控制温度之间的高低。如果塔的进料和回流物料温度更高，转步骤（2）；反之转步骤（3）。

（2）在设定压力下，对进料和回流进行一次闪蒸计算（利用各类流程模拟软件，经过一次闪蒸计算即可得出涵盖塔内气相量两个产生来源的气相产生总量），将得到的气相量减去此时PV-01A 全开所能排出的物料量，其差值即本工况安全阀所需泄放量。计算完毕。

（3）在设定压力、灵敏板控制温度下，对进料和回流进行一次闪蒸计算。将计算得到的热负荷、气液相物料的流量和物性等已知数据输入换热器计算软件进行换热面积校核。如果再沸器的换热面积足够，转步骤（4）；反之转步骤（5）。

（4）将步骤3 计算得到的气相量减去此时PV-01A全开所能排出的物料量，其差值即本工况安全阀所需泄放量。计算完毕。

（5）利用换热器计算软件反算此时塔釜内所能产生的气相量，减去此时PV-01A 全开所能排出的物料量，其差值即本工况安全阀所需泄放量。计算完毕。

可见塔的安全阀工况分析必须考虑各方面条件的约束才能得到较为准确的结果。

2.2.2 冷却水发生故障

当发生冷却水停水故障时，由于冷凝器失去功能，气相堵塞，压力上升。类似“出口阀门关闭工况”，塔内的气相负荷为0，而液相负荷在一段时间内维持正常状态。本工况产生原因与“出口阀门关闭工况” 虽然不同，不过泄放状态下塔内发生的过程与“出口阀门关闭工况”基本相同，因此本工况的安全阀所需泄放量的计算可参照“出口阀门关闭工况”。

2.2.3 回流发生故障

当塔的回流发生故障时，塔内精馏段的液相负荷为0，提馏段的液相负荷最多相当于进料01 的流量。（因提馏段液相负荷取决于进料的热状态，物料01 进塔后闪蒸，气相进入精馏段，液相进入提馏段。极端工况为全液相，所有进料进入提馏段。）

此工况发生时，精馏段几乎不会发生气液传质；塔釜热源仅用于气化进料中的液相，因此塔内仅提馏段的各块塔板（或填料）中可能还会发生气液传质（如果进料为过热气相，且过热度较大，以致提馏段液相负荷为0，则提馏段也不发生气液传质）。所以塔内气相负荷在提馏段可能会有变化，而在精馏段将基本维持不变（即精馏段可以简化为一个闪蒸罐）。

为了简化处理，将此工况下的塔T01 简化为一个闪蒸罐进行计算，计算步骤类似“出口阀门关闭工况”，仅需修改塔的回流量为0 即可。

2.2.4 塔釜过度热量输入

根据API 521 规范，此工况的安全阀排放量描述为：“Estimated maximum vapor generation including noncondensables from overheating”，笔者理解为在泄放条件下压力系统内产生的最大蒸汽量。

在塔正常运行过程中，塔釜热量突然发生过量输入，即热源调节阀FV-05 开大，此时塔内的气相负荷增加，而液相负荷不变（进料01 不变；回流由泵和流控阀FV-03 控制，也不变），塔的正常操作被破坏。因此塔釜的热量将加速把塔釜储存的液相气化成气相，导致压力升高。类似于“回流发生故障工况”，将此工况的T01 简化成一个闪蒸罐。分析步骤如下：

第一步：计算进料01 和回流08 进入T01，在泄放压力下的泡点温度。然后将这个泡点温度与塔釜热源进行比较。

（1）如果泡点温度高于塔釜热源温度，意味着在泄放压力下，塔内物料即使由热源加热至极限温度（即热源温度），塔内物料也不会气化（未达到泡点温度），因此不会造成安全阀起跳。

（2）如果泡点温度低于塔釜热源温度，说明塔釜热源的输入会导致塔内物料在泄放压力下产生一定量的气相（即需要泄放的气量）。此时需要继续计算。

第二步：计算进料01 和回流08 进入T01，在泄放压力、极限温度（即塔釜热源温度。因塔釜热源调节阀FV-05 全开，灵敏板温度控制失灵）下产生的气相量。

塔釜蒸汽的产生通过塔釜再沸器实现，对于热虹吸式再沸器，热虹吸的动力源是塔釜液位和再沸器液位的位差，塔釜依靠这个位差来克服热虹吸过程的流动阻力。随着塔釜气化量的增加，流动阻力增加，因此塔釜再沸器产生的蒸汽量有个极限值，即位差正好克服流动阻力从而维持热虹吸过程。

因此对第二步计算所得的气相量，需要进行热虹吸流动阻力的校核。

（1）如果计算所得的气相量产生的热虹吸流动阻力小于位差提供的推动力，那么这部分气相量再减去此时PV-01A 全开所能排出的物料量以及塔顶冷凝器E01 能够液化的物料量，其差值即本工况的安全阀所需泄放量。

（2）如果计算所得的气相量产生的热虹吸流动阻力大于位差提供的推动力，那就需要反算位差正好克服热虹吸流动阻力时的气相量，再减去此时PV-01A 全开所能排出的物料量以及塔顶冷凝器E01 能够液化的物料量，其差值即本工况的安全阀所需泄放量。

2.2.5 进料阀FV-01 故障开大的工况

在本系统中，进料为液相，灵敏板在提馏段。本工况发生时，进料量增加，而回流量不变，所以提馏段的液相负荷增大，灵敏板温度降低，由灵敏板温度串级控制的塔釜热源调节阀FV-05开大，塔釜热源增加，塔釜有更多的液相被气化成气相，塔内气相负荷增大，可能引起超压。

此工况的分析与计算类似“塔釜过度热量输入工况”，不过需要把“塔釜过度热量输入工况”中的进料01 的流量由正常流量改为本工况下由调节阀全开时的CV 值算出的FV-01 全开工况的流量。

2.2.6 火灾工况

火灾工况下，考虑距地面7.5 m 或距能形成大面积火焰的平台之上7.5 m 高度范围内、在设备最高操作液位以下的外表面积作为受热面，详细计算过程本文不做赘述，可参照API 521-2007 的5.15 节。

2.3 回流罐顶安全阀PSV-02 若干工况分析

2.3.1 气相泄放工况

由于本系统中，塔T01 和回流罐V01 气相联通，而且PSV-01 与PSV-02 的设定压力也相同，因此对于压力源在上游设备的气相超压工况，当上游安全阀PSV-01设计泄放量大于所需泄放量时，仅PSV-01 会起跳泄放，而PSV-02 不起跳泄放。但须注意，有如下例外：

（1）本设备的火灾工况；

（2）氮气阀PV-01B 故障，在全开位置。此时从压力源分析，V01 在T01 的上游，因此如果此工况时发生安全阀起跳，则应该是PSV-02 起跳。在不考虑两种非正常工况同时发生的原则下，此工况发生时仪表系统的控制功能正常，PV-01A 也会打开以泄压。此时需要计算PV-01A 和PV-01B 在泄放压力下的全开流量，再进行比较。如果排放阀PV-01A 的全开流量更大，安全阀不会起跳；如果氮气阀PV-01B 的全开流量更大，那么两个调节阀全开流量的差值为此工况安全阀PSV-02 的泄放量。

需注意，如果塔顶气相中有无法被E-01 冷凝的不凝气，则上述各工况的安全阀所需排量计算都需要叠加这部分不凝气的量。

2.3.2 液相泄放工况

引起液相排放的工况一般是由于液相出口阀门关闭或者停泵等原因。根据API 521-2007 的5.4 描述，操作工能够在10～30 min之内对不正常工况进行响应。因此，需要计算罐内正常液位至满罐之间的缓冲时间，判断操作工是否有足够的响应时间，进而判断是否需要考虑液相泄放的工况。

此外还需要注意，除了这些一次原因（直接原因）引起的排放工况之外，也需要考虑二次原因（间接原因）是否可能引发安全阀的起跳。同时，也需结合操作工的响应时间，综合分析与判断这些工况。