压缩机出口止回阀泄漏量的计算

王 岩，杨 欢

(北京航天石化技术装备工程有限公司，北京 100176)

压缩机出口止回阀泄漏量的计算

王 岩，杨 欢

(北京航天石化技术装备工程有限公司，北京 100176)

以某项目天然气压缩机系统为例，分析了压缩机出口管线止回阀逆流对系统的危害，研究了逆流过程中泄漏量的计算方法及影响泄漏量的主要因素，指导了低压系统安全阀的设置，保障了压缩机系统的稳定运行和工艺系统的安全性。

天然气压缩机；止回阀；泄漏量；孔板；安全阀

止回阀是石油化工装置中较常见的阀门类型，主要目的是防止管道内流体介质倒流、保护设备及管道的安全，主要应用于离心泵系统、压缩机系统、高低压系统分界等处的工艺管线设计中。常用止回阀根据结构型式主要分为升降式止回阀、旋启式止回阀、斜盘式止回阀、双板式止回阀以及轴流式止回阀等，虽然上述止回阀在密封效果、启闭噪音、压力降及生产成本等方面各有特点，但止回阀只能在一定程度上缓解流体从高压系统流至低压系统，而无法完全避免高压系统流体至低压系统的逆流现象[1]。一旦低压系统为封闭空间，止回阀的泄漏量还会引起低压系统超压，形成安全隐患。因此止回阀的逆流泄漏不仅影响工程建设的投资和装置的正常生产，还会影响管道以及设备系统的安全性。因此，分析止回阀泄漏对工艺系统的负面影响，寻求消除该影响的有效措施是非常重要的。

本文以某项目天然气压缩机系统为依托，分析了压缩机出口管线止回阀逆流对系统的危害，参照规范要求，找到了计算逆流过程中泄漏量的计算方法，计算了逆流泄漏量，指导了低压系统安全阀泄放工况的设计和选取，维持压缩机系统稳定运行的同时，保障了低压系统的安全性。

1 计算基础

1.1 压缩机增压外输流程描述

来自压缩机入口管线(物流1)的低压天然气经天然气压缩机增压后(物流2)，与来自天然气气化外输管网(物流3)混合后一起进入天然气外输总管外输(物流4)。在天然气压缩机出口管线上设置有设定压力为5000kPaG的安全阀，如图1所示。

图1 天然气压缩外输图

Fig.1 The pressurized nature gas send out drawing

当天然气压缩机运行时，物流2的操作压力为4500 kPaG，同外输总管的操作压力相同；当天然气压缩机不运行时，由于止回阀密封性能差，来自天然气外输总管的天然气会维持物流2的高压状态，当物流3的操作压力增大时，物流4和物流2的操作压力会相应的增加，由于物流2管线的设计压力(5000kPaG)低于外输总管的设计压力(7800kPaG)，物流2管线存在安全隐患，必要时应考虑设置压力高高联锁等控制手段，并保证安全阀的泄放量能满足该工况的止回阀逆流泄漏量。

1.2 主要工艺参数

天然气增压机系统物流的主要工艺参数及天然气的主要物性详见表1～2所示。

表1 天然气压缩机系统物流的主要工艺参数Table 1 The main process parameter of nature gas compressor stream

表2 外输总天然气的主要物性Table 2 The main property of nature gas send out header

1.3 止回阀泄漏面积确定

规范[2]提供了估算止回阀微量泄漏的假设和方法，如下所示。

(1)止回阀泄漏面视为孔板截面；

(2)孔板截面积按照止回阀截面积的1%考虑；

(3)流经孔板的流体物性按照实际泄放状态考虑；

(4)孔板上游按照最大可能操作压力考虑；下游按照安全阀超压状态对应的泄放压力考虑。

由于此项目中止回阀尺寸为6''，止回阀泄漏面面积约为176mm2，孔板上游最大压力7800kPaG，下游安全阀的泄放压力为5500kPaG。

2 孔板的流通量计算公式

2.1 孔板流体的流型号判断

作为一种节流装置，孔板的基本原理和其它的截流装置如调节阀、喷咀、短管都是一致的。对于一定孔径的孔板，当孔板前后的压力降超过一定数值(临界压力降)，流体通过孔板缩孔处的流速达到音速，不论如何降低出口压力，只要孔板上游的压力保持一定，流量将维持一定的数值而不再增加[3-5]。

根据规范[6]要求，流体流经孔板的流动状态分为临界流和亚临界流类别，判别依据如公式(3)所示。

其中：P0——大气环境压力(kPaA)，取值101.325kPaA；

P1——安全阀的设定压力(kPaG)，取值5000kPaG；

P2下游管线的最大操作压力(kPaA)，取值为5601.325kPaA；

P3上游管线的最大操作压力(kPaA)，取值为7901.325kPaA；

Pcf临界流压力(kPaA)；

k——天然气的绝热指数，取值为1.31。

如符合公式(3)，则安全阀泄放过程中流体的流动过程为临界流，否则为亚临界流。

将上述数据带入公式(1)、(2)和公式(3)后计算得到 为4297.7kPaA，小于 ，由此判断流体流经孔板的为亚临界流。

2.2 亚临界流的孔板计算公式

亚临界流下孔板的流量和孔径间的关系可采用公式(4)进行计算[7]，如下所示。

其中：w——流体的质量流量(kg/h)；

C——孔板流量系数，由 和 值查规范[7]的附图可得；

d0——孔板孔直径(m)，取值0.015；

D——止回阀直径(m)，取值0.15；

P3——孔板前压力(PaA)，取值为7901325；

P2——下游管线的最大操作压力(PaA)，取值为5601325；

M——气体相对分子量，取值16.04kg/kmol；

Z——压缩系数，取值0.864；

T——泄放温度(K)，取值303 K；

K——天然气的绝热指数，取值为1.31。

经公式(4)计算流经孔板的最大质量流量为4750kg/h。通常天然气压缩机出口管线安全阀泄放工况考虑下游系统堵塞工况，此工况下安全阀的泄放流量为正常流量的1.1倍，泄放流量约为3850kg/h。而出口管线止回阀泄漏量为4750kg/h，大于堵塞工况的泄放量3850kg/h，因此该压缩机出口管线的安全阀泄放量应考虑止回阀泄漏的工况，才能保证工艺系统的安全。

2.3 影响亚临界流型的因素分析

通过上述计算可以看出，影响天然气压缩机出口管线止回阀逆流泄放量的因素具体如下所示：

(1)天然气外输总管的最大允许操作压力。压力越高，止回阀逆流泄漏量越大；

(2)天然气压缩机出口管线止回阀的直径。出口管线的直径越大，止回阀的直径越大，止回阀逆流泄漏量越大；

(3)压缩机出口安全阀的设定压力及超压。当流体流经孔板为亚临界流状态时，安全阀的设定压力和超压越大，止回阀逆流泄漏量越小；当流体流经孔板为临界流状态时，止回阀逆流泄漏量受安全阀设定压力和超压影响较小；

(4)天然气的组成。天然气组成中重组分的摩尔分数越多，分子量越大，止回阀逆流泄漏质量流量越大；(5)止回阀的检维修周期及维护水平。止回阀的检维修水平越高，止回阀的密封性越能得到保障，止回阀逆流泄漏量越小。

3 结论

针对本项目的天然气压缩机系统，分析了压缩机出口管线止回阀逆流对系统的危害，计算了止回阀逆流泄漏量，指导了低压系统安全阀泄放工况的设计和选取，结论如下所示：

(1)本系统止回阀泄漏面视为孔板截面；

(2)孔板截面积按照止回阀截面积的1%考虑；

(3)天然气压缩机止回阀逆流泄放过程为亚临界流流型；

(4)天然气外输总管的最大允许操作压力、管线直径、安全阀设定压力和超压、天然气组成以及止回阀的检维修等因素均可影响止回阀逆流泄放量。

综上所述，分析计算天然气压缩机出口止回阀的逆流泄漏量是十分必要的。准确合理的计算泄放量不仅可以保障装置的正常生产和管道设备系统的安全性，还有助于止回阀供货商和设计人员提高对止回阀泄漏造成后果的认识，为技术的发展进步打下基础。

[1] 王金富，姜万军. 石油化工装置中止回阀的应用[J].炼油技术与工程. 2016, 46(12):42-45.

[2] The American Petroleum Institute .API 521 Pressure-relieving and depressurng systems[S]. Washington D C : The American Petroleum Institute ,2014.

[3] 胡 毅.放空用限流孔板选型及计算探讨[J]. 山东化工，2016, 45(9)：104-105.

[4] 李志勤，邱泽刚，曹 虎. 限流孔板在安全阀泄放量计算中的应用[J]. 化工技术与开发, 2016, 45(7) :58-60.

[5] 李海润，宋凌燕，张 鹏. 气田集输站场火灾泄压放空限流孔板计算解析[J].天然气与石油， 2014, 32(2)：16-19.

[6] The American Petroleum Institute .API 520 Size, selection, and Installation of pressure-relieving devices in refineries[S]. Washington D C : The American Petroleum Institute ,2003.

[7] 中华人民共和国化工部.HG/T20570.15-1995，管路限流孔板的设置[S].北京：中国化工出版社，1995.

(本文文献格式：王 岩，杨 欢.压缩机出口止回阀泄漏量的计算[J].山东化工，2017，46(12)：110-111,114.)

2017-04-18

王 岩(1983—)，河北献县人，工程师，2011年毕业于北京科技大学车辆工程专业，现在北京航天石化技术装备工程有限公司从事阀门市场推广工作。

TH134; TH45

A

1008-021X(2017)12-0110-02