两种安全阀设置方法的比较

文　征

(中国寰球工程公司煤化工和无机化工事业部，北京　100012)



两种安全阀设置方法的比较

文征

(中国寰球工程公司煤化工和无机化工事业部，北京100012)

摘要：化工石化装置中安全阀的设置一般是每个压力系统安全阀的设置数量尽可能少。本文用实例比较这种安全阀设置方法和相同条件下采用多个安全阀设置的方法。通过计算得到基于这两种安全阀设置方法所建立的安全泄放系统的设计数据，并对这两个安全阀系统进行定量和定性分析，得出两个系统性能上的差别和对其它设备和装置的影响。最后说明应根据具体情况合理选择安全阀设置方法。

关键词：安全阀设置；单个安全阀；多个安全阀；备阀

0引言

安全阀是石油天然气工业生产装置里最重要的保护措施之一[1，2]。对于它的设计主要集中在泄放工况分析、泄放量计算、喉径尺寸计算、安全阀出入口管线设计等方面。但对于安全阀设置，除了对备阀设置有相应规定外，其它方面说明甚少。

传统的安全阀设置一般是以最大泄放量工况为基础，根据API526规定选取相应尺寸的安全阀。选取时，泄放量在安全阀额定流通范围内，只选取一个安全阀。这种设置方法简单、安全。

在相同条件下，多安全阀设置是在保证足够泄放量的前提下，以安全阀设置的合理性为目标，通过将一个大排量的安全阀合理地分成几个小排量的安全阀，从而控制总泄放量有一个合理的泄放余量。这种设置方法与单安全阀设置法相比，在控制额定泄放量、减小火炬总管乃至整个火炬系统尺寸及其所需的公用工程用量、减少机械设计负荷、减小环境污染等方面有相当的优势。

1单安全阀与多安全阀设置方法

下面通过一个例子来介绍单安全阀和多安全阀设置过程，特别说明如何为系统选择多个安全阀的方案。某压力系统安全阀设定压力为12ba，泄放温度为60℃，泄放量为40000kg/h。

单安全阀设置过程为首先根据PAI520标准，计算得到必需的泄放面积为42.85cm2[3]，然后根据API526标准选择Q级喉径(喉径尺寸为71.20cm2)[4]安全阀，同时设置一个相同喉径的安全阀为备阀。泄放条件和详细设计结果见表1：对于多安全阀设置，可以分别设置2、3、4个安全阀进行计算并比较结果，再择优选取。根据API520规定，多安全阀系统其余安全阀设定压力为第一个安全阀设定压力的105%，超压为116%。多安全阀泄放物性及设计结果见表2～7：

表1　单安全阀泄放条件及设计结果

注：*需要泄放量与额定泄放量的比值

表2　两个安全阀方案1的泄放物性及设计结果

表3　两个安全阀方案2的泄放物性及设计结果

表4　三个安全阀方案1的泄放物性及设计结果

表5　三个安全阀方案2的泄放物性及设计结果

表6　四个安全阀方案1的泄放物性及设计结果

表7　四个安全阀方案2的泄放物性及设计结果

上面所列结果表明，安全阀个数增加有利于精确控制排放总量，同时表明当安全阀设置由一个变为两个时，增加效果最为明显。对于安全阀泄放余量的选择可以从如下几个方面考虑：

1)假设基础。安全阀泄放量计算的假设基础是建立在最苛刻的条件下；

2)计算公式。API520中的安全阀计算公式是建立在理想气体绝热膨胀过程的基础上，对于可压缩气体(Z<1.0)是个保守的计算方法；

3)安全阀泄放余量即安全阀额定排放量大于需要泄放量；

在实际工程设计中，安全阀泄放余量取10%～20%为宜。由于在安全阀计算和选择过程中都存在一定的余量，所以一般单安全阀的设置，特别是对大排量的工况，往往会过度设计。

综上，两个安全阀方案2为最优。这个方案安全阀数量少，系统结构简单；同时额定排放量控制精确。

2基于两种设置方法的安全阀系统设计比较

选择单安全阀和两个安全阀方案2形成的安全阀泄放系统进行比较。通过对安全阀系统设计尺寸，相关设备尺寸及其它方面的比较，说明两者的区别。

2.1　安全阀出入口管径

安全阀出入口管线设计流量应为额定泄放量，假设入口管线当量长度为50m，普通安全阀，动被压不超过超压的10%，火炬总管压力为0.05ba。表8列出了设计结果数据：

表8　安全阀出入口管线尺寸的设计结果

注：*包括备阀

多安全阀系统排放管线尺寸比较小，有利于排放管线的布置。随着排放管线尺寸增大，布置会越来越困难。

2.2　火炬总管

为了说明排放量对火炬的影响[5]，假设某公用工程故障导致10个相同的安全阀同时开启，向火炬排放，要求火炬总管马赫数<0.7。表9列出火炬总管尺寸：

表9　火炬总管设计结果

由于火炬总管尺寸的减小，与之相关的分液罐、液封罐、火炬柱及吹扫密封用公用工程消耗量也随之减少；同时，火炬燃烧产生的废气、热辐射和声光噪音污染也相应减少。

2.3　排放反力

假设采用放空系统，安全阀排放反力计算结果见表10：

F排放点出的反力，N；

W气体流量，kg/s；

K比热比；

T温度，K；

M分子量，kg/kmol；

A排放面积，mm2；

P排放点处静压，barg。

表10　安全阀排放反力比较

上述排放反力结果为静态数据，对于动态过程做如下分析：

由于多安全阀的设定压力不同，安全阀工作时，第一个安全阀先打开，当系统压力达到第二个设定压力时，其它安全阀再打开。从第一个安全阀起跳到达到最大泄放量时的时间要大于一个安全阀的设置，所以多安全阀系统中排放反力在单位时间的变化要小于单安全阀系统，这可以得出多安全阀排放时所产生的反力对相关设备的影响较小。

2.4　其它定性说明

上述对安全阀及其相关系统的主要设计数据进行了定量分析，表明了两种设计方法设计出的安全阀系统的差别。下边将对其它有关经济，环境，安全等方面的区别进行定性说明。

(1)震颤和频跳[5]是影响安全阀使用寿命的主要因素，也是破坏安全阀操作性能的主要原因。产生这两种不正常现象的主要原因就是安全阀排放过程中产生的超压不够；同时振颤和频跳也减少额定泄放量。也就是说，控制合理的泄放余量将有利于保护安全阀和保障安全阀的操作性能。

(2)根据API520 I中规定，对多个安全阀的系统来说，除第一个安全阀外，其它的安全阀设定压力可以是第一个的105%[4]。这保证了在安全阀泄放的初期和末期，当泄放量较小时不会引起安全阀震颤和频跳。设定压力高的安全阀相比设

定压力低的有更好的密封性。对于第一个安全阀和单安全阀相比，在相同设定压力下，需要密封面积小，安全阀泄漏量更低。

此外，多安全阀可以有更高的超压，可以用较小的泄放面积泄放相同的量。同时可以提高安全阀背压，从而减小排放管线尺寸。

(3)由于安全阀是非经常操作设备，单安全阀设置中的是全尺寸备阀，每个阀(包括备阀)使用频率低；多安全阀设置中，总有两个阀是处于工作状态，而且备阀只是替代了一部分排量，大大增加了安全阀的使用率。考虑到设备折旧，多安全阀设置有明显的经济效益。

(4)单安全阀设置方法中的排放管线管径大，配管所需的连续占地面积和空间大，不利于合理利用空间，使管道设计和装配变得的不灵活，有时甚者不能满足排放管线与火炬总管的配管要求。

(5)此外单个安全阀尺寸变小，重量变轻，有利于拆装、维修和运输。

3结论

综上所述，通过对安全阀合理的设置，可以精确的控制安全阀额定泄放量，从而达到改善安全阀操作性能，延长安全阀使用寿命，减少相关设备尺寸和建造费用，降低排放过程对相关设备的影响，减少污染物排放的作用。

参考文献：

[1]王江峰.超临界压力下火灾工况安全阀泄放量的计算[J].化工设计，2010，20(1)：29～32.

[2]王延宗.石化工艺装置安全阀设置方式探讨[J].石油化工安全环保技术，2011，27(5)：24～26.

[3]American Petroleum Institute.API STANDARD 520 EIGHTH EDITION，DECEMBER 2008 Sizing，Selection，and Installation of Pressure-relieving Devices in Refineries Part I-Sizing and Selection[S].

[4]American Petroleum Institute.API STANDARD 526 SIXTH EDITION，APRIL 2009 Flanged Steel Pressure-relief Valves[S].

[5]American Petroleum Institute.ANSI/API STANDARD 521 FIFTH EDITION，JANUARY 2007 Pressure-relieving and Depressuring Systems[S].

[6]American Petroleum Institute.API RECOMMENDED PRACTICE 520 FIFTH EDITION，AUGUST 2003 Sizing，Selection，and Installation of Pressure-relieving Devices in Refineries Part II-Installation[S].

汽 轮 机

Comparison of Two Safety Vavle Setting Method

WENZheng

(Department of Coal Chemical Industry and Inorganic Chemical Industry of China

Huanqiu Contracting & Engineering Corporation，Beijing，100012)

Abstract：This article introduces the setting method of safety valve.

Key words：safety valve setting；single safety valve；multiple safety valve；back-up valve

中图分类号：TQ055.8+1

文献标志码：B

文章编号：1003-6490(2015)01-0071-03

作者简介：文征(1987-)，男，2007年毕业于北京化工大学，硕士，注册化工工程师，主从事石油化工工程设计工作。

收稿日期：2014-09-03