管壳式换热器安全阀优化设计探讨

钟文思

摘 要：以行业标准和国外工程公司的设计处理为基础，分析了管壳式换热器的4种安全阀泄放工况。简要介绍了相关的计算公式，说明了泄放量计算所需的主要参数，阐述了国外工程公司设计管壳式安全阀遵循的原则，并列举了一些工程实例。

关键词：管壳式换热器；安全阀；主要参数；处理方法

中图分类号：TQ051.5 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.107

随着我国经济的增长和技术的发展，换热器被广泛应用于各行各业中，它的普及进一步推动了社会的发展。但是，换热器的工况比较复杂，所以，安全阀的设置显得十分重要。因此，如何根据实际情况设计换热器的安全阀已经成为了工作人员急需解决的问题。

1 换热器安全阀泄放工况

在设置换热器安全阀时，需要考虑4种工况，即出口阀关闭、热胀、火灾和换热管破裂。对于管壳式换热器，应逐一进行工况超压分析，在设计换热器安全阀设计时，要考虑换热器安全管理，安全阀设置判断、分析，换热器泄放计算等非常复杂的问题，而这些问题困扰了很多设计人员。为此，提出了在设置安全阀时，安全阀泄放量的详细计算方法。

2 出口阀关闭工况

当管壳式换热器冷侧介质出口阀关闭时，热侧介质仍处于操作状态，冷侧则可能会发生气化，引起超压。如果冷侧介质在热侧介质入口温度下的饱和蒸汽压不超过冷侧设计压力的1.3倍，则可以不考虑该工况，否则，冷侧需要设置安全阀。冷侧泄放量可按照公式计算：

式（1）（2）中：W为泄放量，kg /h；Q为换热器正常操作热负荷，kJ/h；T1为热侧流体入口温度，℃；Tbp为冷侧泄放压力下饱和温度，℃；λ为在Tbp 时的气化潜热，kJ/kg；tav为冷侧平均温度，℃；t1为冷侧入口温度，℃；t2为冷侧出口温度，℃。

以某硫酸法烷基化装置的烷基化油—循环碱水换热器为例，1台型号为BES500-1.35/1.50-55-6/25-4I的换热器，管程走冷碱水，壳程走烷基化油，操作参数如表1所示。

当冷碱水在热侧的烷基化油入口温度为161 ℃时，饱和蒸汽压（表）为0.63 MPa，小于管程设计压力（表）1.35 MPa，所以，无需考虑冷侧出口阀关闭气化工况。

3 热胀工况

当换热器冷侧出入口阀或管路上相关的调节阀等关闭时，

热侧仍然处于操作状态或从日光中吸热。这时，冷侧会发生热膨胀而超压，冷侧需要设置安全阀，烃类和水的典型膨胀系数如表2所示。泄放量可式（3）求得：

W1=αvφ/1 000dc. （3）

式（3）中：W1为泄放流量，m3/s；αv为体积膨胀系数，1/℃；φ为传热速率，W。

液体体积膨胀系数由式（4）求得：

αV=（ρ12-ρ22）/[2（T2-T1）ρ1ρ2]. （4）

式（4）中：ρ1为T1温度下的液体密度，kg/m3；ρ2为T2温度下的液体密度，kg/m3。

注：*为15.6 ℃下的数值

以中烷基化油-循环碱水换热器为例，当冷侧冷碱水在出入口的阀关闭时，热侧烷基化油仍然给冷侧加热，那么，冷侧冷碱水的体积膨胀系数按照公式计算可得αv=5.18×10-4 1/℃，按照公式计算得泄放量为1.11×10-4 m3/s，约为400.5 kg/h。

4 火灾工况和参数计算

当设备暴露于火灾下时，是因为换热器内介质气化或膨胀而引起超压。在火灾工况下，所有进出系统的物流都会终止，内部的加热源也会停止，所有工艺过程假定停止。

火灾工况泄放量W的计算公式为：

W=0.859 8φ/λ. （5）

在计算热通量φ时，如果压力容器有消防设施和足够的可燃物质排放系统，那么，火灾热通量可用式（6）计算；如果无消防设施和足够的可燃物质排放系统，那么，火灾热通量用式（7）计算。

φ=C1FAws0.82. （6）

φ=C2FAws0.82. （7）

式（6）（7）中：C1为常数，43 200；C2为常数，70 900；F为环境因数；AWS为受热润湿面积，m2。

在计算环境因数F时，未保温的容器F=1.如果使用保温材料的容器，那么，环境因素F可由式（8）求得：

F=k（a-Tf）/Ct. （8）

式（8）中：Tf为泄放条件下的容器温度，℃。

发生火灾后，保温材料不能抵抗900 ℃的高温2 h以上，所以，环境因数采用数值1.

气化潜热可以使用文献值或流程模拟数值，对于临界区域，可采用最小值115 kJ/kg。对于有些操作介质，比如常减压蒸馏装置减压塔底油，气化温度高于设备的承受温度，此时，火灾安全阀应考虑介质的热裂解。

5 其他国际工程公司的处理方法

5.1 壳牌公司

对于超过2 h才到达泄放工况，并且有完好的消防设施，不予考虑，但是，会排除介质存在发生反应的危险。当潜在的设备失败后，会泄放大量的有毒物质。换热器处于以下2中情况时，可不作为火灾工况考虑：①利用一些必要的行政管理手段，规定一旦换热器隔断后，要立即将其中的液体排放掉。②在正常操作时，火灾的泄放负荷可泄放至其他处。当换热器介质为液化天然气时，需要考虑火灾工况气相泄放保护；当火灾发生时，换热器介质有潜在的反应危险时，需要考虑火灾气相泄放保护；固定管板式换热器壳侧按压力容器考虑，对于容积大于500 L容器，通常需要设置火灾工况安全阀。

5.2 柏克德公司

在4 h内，火灾吸收的热量在泄放压力下，液相介质达到泡点时，则不考虑设置火灾安全阀。假设危险已经消除或业主放弃该设备，那么，对于不同的设备，在这4 h内是需要进行评估的。

5.3 ExxonMobil公司

通常的换热器系统不需要设置火灾安全阀，因为当换热器系统发生火灾时，它可以利用畅通的通道到达塔或罐。对于设置前后切断阀和副线阀的单台换热器，有2种选择——设置火灾安全阀或利用行政管理手段消除该工况，即一旦换热器隔断后，应立即将其中的液体排放掉，甚至可在隔断阀和副线阀处设置醒目的标识牌。

5.4 实际工程应用

以中烷基化油-循环碱水换热器为例，当发生火灾时，壳程前后切断阀关闭，壳程侧烷基化油可能会超压，但是，这些动作最终都需要与业主沟通。在换热器前后切断阀和副线阀处设置醒目的标识牌，并且要求操作人员在换热器前后切断阀关闭时，立即排放掉换热器内的操作介质，进而将火灾工况安全阀泄放消除掉。

6 换热管破裂工况

换热器低压侧（包括上下游系统）的水压试验压力低于高压侧的设计压力时，则应考虑是换热器换热管断裂。如果在管程和壳程设计压力中，低压侧大于高压侧的10/13，则可以不考虑该工况，否则，需要考虑换热管破裂。

在计算换热管破裂泄放量时，换热管破裂考虑单根管高压侧介质流入低压侧介质，可假定换热管在管板背面一侧，高压流体通过留在管板中的管接头和另一处管子断面比较长的部分。

7 结束语

综上所述，在设计管壳式换热器安全阀时，要依据出口阀关闭、热胀、火灾和换热管破裂这4种不同工况来设计。在设计的同时还应该考虑到换热器的生产维修方式，这样才能全方位地保证管壳式换热器处于正常的运行情况，为企业创造更好的经济效益和社会效益。

参考文献

[1]丁传琪，寿涛.管壳式换热器安全阀设计选型[J].科技传播，2014，16（08）：104-105.

[2]全国压力容器标准化技术委员会.GB 151—1999 管壳式换热器[S].北京：中国标准出版社，1999.

[3]全国锅炉压力容器标准化技术委员会.GB 150.1～150.4—2011 压力容器[S].北京：中国标准出版社，2011.

〔编辑：白洁〕