天然气压缩机组安全阀的设置

夏思访，席少锋

（北京杰利阳能源设备制造有限公司，北京101500）

1 引言

安全阀是一种适用于清洁、无颗粒、低粘度流体的自动阀门，它不借助任何外力，而是利用介质本身的力来排出额定数量的流体，以防止系统内压力超过预定的安全值。当压力恢复正常后，阀门再自行关闭并阻止介质继续流出。

关于压缩机安全阀的设置，在HG/T 20570.2《安全阀的设置和选用》中规定“容积式泵和压缩机的出口管道”必须安装安全阀[1]；GB/T50106《石油化工企业设计防火规范》中规定“往复式压缩机各段出口或电动往复泵、齿轮泵、螺杆泵等容积式泵的出口”应设置安全阀[2]。本文依据上述规范的有关条款，围绕天然气压缩机组的工艺系统设计，介绍安全阀整定压力的设定、安全阀形式的选择、动背压和静背压的考虑、安全阀工况的选择，并利用化工工艺模拟软件Aspen HYSYS对安全阀进行选型计算。

2 安全阀的整定压力设定

安全泄放系统是天然气压缩机组工艺设计的一个重要部分，包括紧急泄放系统和安全阀超压泄放系统。

紧急泄放系统设置有自动放空阀，用于机组故障或者停电停机时，15 min内将系统压力降至690 kPa或者50%设计压力，取其中较低值[3]。

安全阀超压泄放系统，是指在压缩机组进出口及每一级排气管线上设置有安全阀，系统压力超过设定压力，安全阀全流量泄放。在压缩机组工艺流程设计时，各级排气均设有压力变送器，根据工作压力，设定报警、联锁值，一般该级的安全阀整定压力高于联锁停机值。当某级排气压力升高，越过联锁值，由于仪表失控等原因而未停机，压力持续升高至安全阀的整定压力，安全阀起跳泄放。安全阀作为压缩机组的最后一道防线，保障机组内设备和容器的安全。

如图1所示是某气田三级压缩机组的安全阀设置，一级进气和各级排气均设有安全阀。各级排气安全阀的整定压力，可根据工作压力设定，一般为工作压力的1.1倍，有时为了与报警、联锁值拉开间距，可将其分别设定为工作压力的1.05、1.1、1.15倍。

一级进气安全阀的整定压力一般不是根据进气压力的大小来设定，而是根据压缩机组的均压。当机组停机时，进排气切断阀关闭，回流阀打开，整个压缩机组成为一个密闭系统，并迅速达到压力均衡，为了防止停机瞬间系统超压，安全阀整定压力应按此均压的1.1设定。

图1 某三级压缩机组的安全阀设置

3 安全阀形式的选择

根据相关标准及设计经验，天然气压缩机组的安全阀一般选用以下两种形式：

3.1 弹簧全启式，见图2

由弹簧作用的安全阀，其定压由弹簧控制，其动作受背压的影响。背压的要求：pb＜10%ps（pb代表背压力，ps代表整定压力）。全启式是指当安全阀入口处的静压达到其设定压力时，阀瓣迅速上升至最大高度，最大限度地排出超压的物料。

该形式安全阀具有以下优点：结构简单、可靠性高、使用范围广、价格经济。

3.2 封闭先导式，见图3

由导阀控制的安全阀。其设定压力由导阀控制，其动作性能基本上不受背压的影响。当导阀失灵时，主阀仍能在不超过泄放压力时自动开启，并排出全部额定泄放量。背压的要求：pb≥30%ps。

从单独来看，导阀本身也是一种直接载荷式安全阀。当介质压力达到导阀的开启压力时，导阀先行开启，排出的介质从旁通管进入主阀。由结构可见导阀排放的介质与主阀一致，用在天然气压缩机组，应采用封闭式。

4 背压对安全阀的影响

安全阀的背压，是由于排放系统有压力而存在于安全阀出口处的压力，背压可以是固定的，也可以是变化的。背压分为附加背压和积聚背压。附加背压（也叫静背压），当安全阀未启动时，由于火炬管网系统中如火炬头、水封等产生的静压，或由其它阀排放而存在于安全阀出口的静压；积聚背压（也叫动背压），当安全阀打开后，介质在火炬管网流动所产生的流动阻力。安全阀起跳后的总背压是附加背压和积聚背压之和。

如图4，其中ps为安全阀开启压力，pb为背压力，F1为弹簧力，A为密封面面积。开启压力ps为安全阀阀瓣在运行条件下开始升起的进口压力，在该压力时，使阀瓣开启的力与使阀瓣重新保持在阀瓣上的力平衡。当阀后存在背压pb时，则有psA=pbA+F1，可见背压的存在使阀门的开启压力增加[4]。

通常，安全阀出厂前做冷态实验，厂家会根据提供的背压值调整弹簧的预紧力，来补偿附加背压，使安全阀在实际投入使用时，阀前压力达到设的开启并不会受到影响。但如果安全阀的附加背压受其他泄放源排放的影响而升高，安全阀的开启便会受到影响。

天然气压缩机组在设置机组安全阀时，对于背压应注意以下几点。

图2 弹簧全启式安全阀

图3 封闭先导式安全阀

图4 背压对开启压力的影响

4.1 恒定附加背压的考虑

恒定的附加背压取管网的固有背压，主要由整个厂站的放空系统决定：安全阀放空总汇管若直接引去火炬头，可取背压为0.1 MPa；通常放空总管会汇总到一个闪蒸分离罐后再接至火炬头，背压就要根据罐体的压力确定，一般为0.2~0.3 MPa。

该背压值应由设计院提供，其大小直接影响到安全阀的开启压力，如前所述，安全阀厂家是根据该值调整弹簧的预紧力。例如安全阀的整定压力为1.9 MPa，设计院提供的背压为0.6 MPa，为了补偿背压，则设置安全阀的弹簧力为1.9-0.6=1.3 MPa。实际运行中，安全阀的背压仅为0.2 MPa，那么开启压力为1.5 MPa，而设计的整定压力是1.9 MPa，导致安全阀将在工作压力下提前泄放，影响机组的稳定运行。

4.2 变化附加背压的考虑

变化的附加背压为安全阀起跳前，由于其他安全阀泄放所产生的管道阻力降使阀后压力的增加值。在安全阀设置时需要考虑其他安全阀的影响，特别是低压端安全阀，整定压力比较小，附加背压增大，将会导致增大该安全阀的开启压力，很有可能超过管道或者设备的设计压力，造成安全事故。

4.3 积聚背压的考虑

积聚背压是安全阀排放时，因排放侧阻力在安全阀出口侧形成的压力。一台天然气压缩机组往往需要设置2个及以上的安全阀，在设计放空总管时，需要考虑多个安全阀同时起跳产生的积聚背压值，对于普通安全阀，积聚背压不应超过泄放阀设定压力的10%，否则将会影响安全阀的泄放能力。

5 安全阀工况的选择

引起安全阀超压的原因在SY/T 10043-2002《泄压和减压系统指南》中列举了16种，大致总结为过程工况和火灾工况两种；过程工况是超压原因在系统运行过程中出现的，如容器出口阀误关闭、控制故障、化学反应等非外部火灾引起的事故；火灾工况是因外部发生火灾而产生的超压事故。

天然气压缩机组安全阀设计时，考虑到会因出口切断阀关闭而引起上游设备超压，故末级排气和各级排气安全阀一般按阻塞工况设计。当发生火灾时，压缩机组进出口切断阀关闭，整个系统可以看成是一个压力容器，一级进气安全阀可按此工况进行设计。

6 HY SY S模拟火灾工况安全阀选型

以图1压缩机组的一级进气安全阀为例，介绍化工工艺模拟软件Aspen HYSYS对安全阀火灾工况下的选型计算。

选择组分，选择PR状态方程，建立工艺流程，设置物料参数，入口参数：温度20℃，压力0.1 MPa，流量4173 Nm3/h；切换到安全阀分析模块，增加一级进气安全阀，输入整定压力1.9 MPa（该值由系统均压确定）；创建方案，设计标准选择API520，521，在Relief Load选择火灾工况，泄放流量选择系统计算，火灾计算类型选择湿润类型，容器类型选择立式，容器参数可以根据整个系统的容积，设定容器直径为1 m，长度4 m，湿润高度0.8 m，环境因子F=1.0，最终计算出泄放量3822 kg/h，然后自动计算出泄放面积2.45 cm2，选择标准吼径3.245 cm2，喉径代号J，安全阀进口尺寸为DN50-300LB，出口尺寸为DN80-150LB。

查看计算结果，尽管火灾工况的泄放量比堵塞工况的要大，其实很多时候堵塞工况的泄放量要大很多，无关乎大小，笔者认为一级进气安全阀按火灾工况计算，是比较合理的。

7 结语

安全阀作为天然气压缩机组的最后一道防线，保障着机组内设备和容器的安全。本文依据安全阀的相关标准和规范，介绍了天然气压缩机组各级安全阀的整定压力设定，安全阀形式的选择；设置安全阀时需要考虑背压的影响，该背压应该细化为恒定的附加背压、变化的附加背压和积聚背压[5]；关于安全阀工况的选择，天然气压缩机组的一级进气安全阀应按火灾工况计算，各级排气安全阀按堵塞工况计算；最后简单介绍了化工工艺模拟软件Aspen HYSYS对安全阀火灾工况下的选型计算。