液相调节阀失效工况下安全阀泄放量的分析与确定

苏凤莉 惠生工程(中国)有限公司 上海 201210

安全阀作为石油化工装置中重要的保护设施，其泄放量的计算尤为重要。安全阀的超压原因有很多，包括出口阀门误关闭、冷却介质或回流中断、不凝气积累、溢流、调节阀故障、火灾、化学反应、过度热量输入等。随着工程项目国际化程度越来越高，安全阀的计算需工艺人员分析考虑各种工况，并提供每种工况的计算结果，通过各种工况结果分析比较，最终确定安全阀的泄放量。若安全阀存在不同相态的物料泄放，则需将不同相态的泄放量均提供给安全阀厂商，便于安全阀选型更加准确。

自控调节阀在确保工艺装置自动化运行及连续生产过程中发挥着重要作用。但调节阀出现故障，将会导致设备的超压，也是安全阀泄放量计算的一种重要工况。调节阀故障的原因包括仪表气源故障、变送器信号故障、电力故障及机械故障等导致的阀门全开或全关。关于控制阀故障的计算方法，《安全阀的设置和选型》HG-20570[1]中介绍，针对液相管道，安全阀的泄放量为控制阀最大通过量与正常流量之差，而并未涉及如何计算控制阀的最大通过量即泄放工况下阀门全开时的通量，工程实践中设计人员在确定此量时也存在困扰。部分工艺中，工艺包商为了管道材料降级，常通过调节阀和安全阀组合来实现；搅拌器或泵的密封系统中，为了保护密封腔，高压密封液减压后也常设置安全阀；此时，调节阀失效导致安全阀泄放是安全阀排放的决定工况，精确计算尤为重要。同时，泄放工况下调节阀所通过的最大通量还需与调节阀及安全阀所在的管路系统相匹配。本文将全面分析介绍调节阀失效时安全阀泄放量的计算流程，对迭代计算中需考虑的因素做分类举例说明，最终确定安全阀的泄放量，为安全阀选型提供参考。API 520[2]中液相调节阀失效导致上游设备高压气相反串的工况不在本文的讨论范围，原因在于根据液体计算的调节阀流量系数Cv值与此阀门通过气相时Cg值为不同数据，需调节阀厂商严格计算。

1 液体调节阀流量系数计算说明

对于液体，计算调节阀流量系数Cv时，首先需判断流体是否为阻塞流，根据是否为阻塞流选择不同的计算公式。阻塞流的判断依据为：

(1)

ΔP=P1-P2

(2)

若ΔP<ΔPc，则为非阻塞流，此时调节阀流量系数Cv可按式(3)计算：

(3)

若ΔP≥ΔPc，则为阻塞流，此时调节阀流量系数Cv可按式(4)计算:

(4)

式中，P1为调节阀上游压力，bar(a)；P2为调节阀下游压力，bar(a)；Pv为液体饱和蒸汽压，bar(a)；Pc为液体临界压力，bar(a)；P0为大气压，bar(a)；G为液体比重；△Pc为临界压差，bar；W为液体质量流量kg/h；Fc为压力恢复系数，初步计算选取0.9。

需要说明的是：对一定特定形式的调节阀，Fc是一个固定常数，它只与阀的结构、流路形式有关，而与阀径无关。此数值最终需以厂商资料为准。

2 调节阀失效导致安全泄放的计算过程

(1)工程设计初始阶段，控制阀厂商还未返回调节阀Cv值，工艺专业可按上述公式先计算阀门正常工况下的Cv值，亦可采用部分控制阀厂商提供的计算软件进行计算；计算得到Cv值后，根据阀门开度及工程经验选择阀门的实际Cv值，一般适当扩大2～3倍即可，最终复核应以调节阀厂商返回的阀门实际额定Cv值为准。

(2)当此调节阀失效时，调节阀下游压力初步仍为低压侧正常压力P2,根据阻塞流判断依据判断是否为阻塞流，进而选择相应的计算公式，此时也需充分考虑调节阀旁路误开的影响，调节阀旁路手动阀的流量系数为Cb,初步计算出调节阀的最大通量W1。

若为非阻塞流，

(5)

若为阻塞流，

(6)

此时判断阻塞流公式(2)中P2应为P2′,即安全阀泄放压力。

若考虑调节阀旁路全开工况，则Cb=Cv；若不考虑调节阀旁路全开工况，则Cb=0。确定了调节阀的最大通量后，还需综合考虑下游低压设备的容量，并综合考虑高压侧流体泄放至低压侧导致设备溢流的时间与操作人员的响应时间的比较，最终确定调节阀失效是否会导致低压侧安全阀泄放，因本文着重讨论调节阀失效导致的安全阀泄放工况，故此部分不做详细说明。

(3)当此调节阀失效导致安全阀泄放时，调节阀下游压力应初步选为安全阀泄放压力P2′,调节阀上游为此时流体正常操作压力P1，根据阻塞流判断依据判断是否为阻塞流，进而选择相应的计算公式，此时也需充分考虑调节阀旁路误开的影响，调节阀旁路手动阀的流量系数为Cb,初步计算出调节阀的最大通量W2。

此时判断阻塞流公式(2)中P2应为P2′,即安全阀泄放压力，计算调节阀通量公式(5)中ΔP也需相应改变。

(4)根据计算得出的调节阀最大通量W2，带入到调节阀所在管路系统，反算此流量下调节阀上游的真实压力P1′,重复步骤(3)。

步骤(3)与步骤(4)迭代计算，最终确定调节阀失效工况下最大的通过量。

当调节阀厂商返回最终资料时，上述计算公式中压力恢复系数Fc和调节阀额定流量系数Cv均应调整为厂商提供的数值，重复上述所有计算过程，最终确定此调节阀失效时通过调节阀的最大通量，即可确定安全阀的泄放量。

3 计算调节阀最大通过量迭代过程需考虑因素及举例说明

3.1 示例1 调节阀上游为泵类输送设备的情况

首先需分析泵的类型，当泵为容积式泵时，泵的输送量不变，调节阀上游的压力保持不变，此时当调节阀失效时，上游压力P1′的计算仅需考虑此管道阻力降即可，最终根据流体水利学计算确定P1′,带入公式(5)或(6)，计算出调节阀的通量，多次简单迭代，使得计算管线阻力降所需的流量与根据实际压差计算调节阀通量一致后，迭代结束。当泵的类型为离心泵时，需考虑流量变化导致的泵出口压力的变化，即调节阀上游的压力是动态的，此时迭代计算需结合泵的曲线进行严格水力学计算。举例如下：① G-001A/B泵的基本信息：额定流量338.8m3/h,扬程160m,NPSHr 5.8m, 效率72%，功率250kW, 转速2950r/min, 电机型号 YB3-4004-2WF2；② 泵与调节阀之间管路基本信息：8″管线5m，球阀4个，止回阀1个，弯头1个，管壁粗糙度0.046mm；③ 流体性质：密度999.0kg/m3，粘度0.904mPa·s;液体饱和蒸气压 0.33bar(a);④ 安全阀设定压力10.3bar(g)，泄放压力11.33bar(g)。

迭代计算结果见表1。

表1 示例1计算结果

注：① 正常操作工况；② 调节阀失效工况，初定高压侧出口压力不变，计算调节阀通过量及管路压降；③ 调节阀失效工况，结合泵的特性曲线及所在管路系统的水力学，多次迭代计算流量；④ 调节阀失效工况，最终压力与管路系统平衡，调节阀最大通量确定。

故此调节阀失效时通过调节阀最大通量为347531kg/h，安全阀泄放量为347531.76-238541=108990.76 kg/h。

3.2 示例2 调节阀上游存在限流孔板或孔板流量计的情况

因孔板具有节流降压的作用，孔板的压降随流量变化很大，见公式(7)。

(7)

式中，W为液体质量流量，kg/h；d0为孔板孔径，m；C为孔板流量系数，初步可选取0.6，最终根据厂商资料确定；G为液体比重；ρ为液体密度， kg/m3；ΔP1为孔板前后压差， Pa。

当调节阀上游存在孔板而调节阀失效时，孔板的流量计压降也会发生很大变化，此时，水力学计算需将调节阀与孔板紧密结合，进而确定最终调节阀失效时的通过量。举例如下：①调节阀及孔板所在管线尺寸6″, 限流孔板孔径d=50.7mm；②流体性质：密度999.0kg/m3，粘度0.904mPa·s,液体饱和蒸气压0.33bar(a)；③安全阀设定压力3.5 bar(g)，泄放压力3.85 bar(g)；④孔板上游压力恒定为P0=18.36bar(g)。

因高低压设备距离很近，孔板与调节阀靠近布置，故本例中管道阻力降可忽略不计。计算结果见表2。

表2 示例2计算结果

注：① 正常操作工况;② 调节阀失效工况，初定孔板压降不变，及调节阀前压力不变，计算调节阀最大通量；③ 调节阀失效工况，将第二步计算的通量代入式(7)，计算孔板压降，此数值超过上游最高压力，显然不合理；假设管路压降全部为孔板压降，根据式(7)计算孔板通过的最大量，此通过量也为调节阀失效管路可能的最大通过量；④ 综合考虑管路系统的压力降分配，结合式(5)(或式(6))与式(7)多次反复迭代计算，最终确定调节阀的最大通过量。

此例中调节阀失效工况下调节阀最大通过量为222694.9kg/h, 故安全阀泄放量为222694.9-149865=72829.9 kg/h。

3.3 示例

3 调节阀上游存在导致压力变化的设备(比如过滤器或换热器)情况

当调节阀上游有换热器或过滤器及其他因流量变化导致压降变化的设备而调节阀失效全开时，计算调节阀最大通过量时需着重考虑上游设备的压降变化。多次迭代计算时，需结合专有软件，如HTRI或过滤器滤芯厂商资料，最终使整个系统的压力相匹配，从而得出调节阀失效的最大通量。

4 结语

本文着重介绍了液体调节阀失效时安全阀泄放量的计算方法及流程，同时对调节阀最大通过量迭代过程需考虑因素进行分析。根据工程设计经验，结合调节阀所在实际管路系统给出了部分详细计算实例，清楚阐述了具体计算过程，便于设计人员更准确地计算安全阀泄放量，为后续安全阀选型提供依据，保证装置正常安全运行的同时使设计更经济合理。