某铜冶炼厂蒸汽管网放空阀和安全阀设计

孙彦文

(矿冶科技集团有限公司,北京 100160)

随着我国对节能要求的不断提高，现有冶炼厂均不同程度地开始进行冶炼余热回收并加以利用，新建冶炼项目设计时就要求节能审查。烟气节能方式主要以余热回收为主，采用余热锅炉产生蒸汽。科学合理的蒸汽管网设计需要满足工艺生产过程的所有工况，为工艺装置安全、平稳、高效地连续运行，应对整个蒸汽管网的工况调节与安全运行等综合考虑，全面设计。蒸汽管网安全设计时，最常用的方法是设置安全阀和放空阀[1]。放空阀一般是按照管网蒸汽压力专门设置的用于蒸汽排空的阀门，是保证蒸汽管网稳定运行的第一手段。在蒸汽管网超压时，安全阀能够自动开启，是确保安全的最后保障。对整个蒸汽系统而言，调节蒸汽管网上的阀门，在各种工况下确保蒸汽管网压力稳定和安全极为重要。本文以某大型新建铜冶炼项目蒸汽管网系统的设计为例，探讨蒸汽管网放空阀和安全阀的选型计算。

1 工艺流程

以某铜冶炼项目为例，其冶炼产能为年产15万吨阴极铜。项目火法工艺采用侧吹熔炼+底吹吹炼+回转式阳极炉精炼技术生产粗铜，侧吹熔炼炉和底吹吹炼炉各有一台余热锅炉用于余热回收产生4.5 MPa饱和蒸汽。余热锅炉蒸汽通过蒸汽管网输送到动力车间供汽轮机发电，当汽轮机停机或故障时，切换到旁通管路，接减温减压装置，经减温减压后送入0.6 MPa分气缸供全厂低压用汽，中压蒸汽流程图如图1所示。

图1 中压蒸汽流程图

一般来说，依据余热发电机组的凝汽量来确定蒸汽管网放空阀流量。本项目放空阀额定流量为55 t/h。当汽轮机出现故障或者临时停机，并且厂区无低压蒸汽使用时，蒸汽将不通过减温减压装置而通过放空阀全量放空，以保证在汽轮机故障工况下，剩余蒸汽不会对中压管网的安全造成危害。设计时要考虑以下几点：

(1)当汽轮机临时停止运行时，必须考虑两点：①中压蒸汽通过减温减压后送入低压进入分气缸；②蒸汽通过放空阀排空处理，此时联锁控制系统，通过控制系统调节余热锅炉负荷，降低中压蒸汽供气量，同时开启减温减压装置，直至中压放空阀关闭，以确保中压管网系统安全。

(2)当放空阀故障或开启迟缓时，造成大量蒸汽无法泄放，此时需要安全阀来排放蒸汽。当蒸汽管网超压时，安全阀能够自动开启排放蒸汽，从而降低管网压力，确保管网的安全运行。因此，余热锅炉的蒸汽母管安全阀排放量设计为全容量排放。

(3)蒸汽母管上设置的安全阀是最后一道保安措施。本项目中压蒸汽管网上安全阀和放空阀的最大流量为55 t/h，设计时应考虑在一台安全阀故障时，总排放量仍然能满足最大连续排放量的要求并有一定的安全裕量。

2 放空阀、安全阀选型设计

2.1 开启压力值选取

《蒸汽锅炉安全技术监察规程》2012版中对安全阀最低、最高开启压力做了相应规定，放空阀的开启压力可以选取安全阀的最低开启压力。蒸汽管网放空阀和安全阀开启压力[3]见表1。

表1 放空阀及安全阀的开启压力

2011版《化工厂蒸汽系统设计规范》中有关放空阀开启压力的规定略低于《蒸汽锅炉安全技术监察规程》，增大了放空阀和安全阀的压差。放空阀开启压力和安全阀整定压力[4]见表2。

表2 放空阀开启压力和安全阀整定压力

余热锅炉出口中压蒸汽母管饱和蒸汽压力为4.5 MPa，通过蒸汽管网输送到动力车间入口时，蒸汽有压力损失，约0.2 MPa，在动力车间入口位置蒸汽管道的工作压力为4.3 MPa，因此将4.3 MPa作为动力车间入口蒸汽管道的额定压力较为可靠。本设计取蒸汽母管设计压力为安全阀开启压力，按《化工蒸汽系统设计规定》2011版的原则，将管网工作压力降低2%设为放空阀开启压力，既能够保证放空阀优先起跳，也可保证安全阀开启时，蒸汽管网仍然能够安全运行。放空阀和安全阀开启压力取值见表3。

表3 放空阀和安全阀开启压力

2.2 管径选型计算

安全阀的最小泄放面积[4]应根据安全泄放量、最大泄放压力、泄放流体温度、额定泄放系数以及流体的物理性质计算。安全阀的泄放面积应不小于最小泄放面积。最小泄放面积可按照《压力管道规范 工业管道 第6部分：安全防护》附录A的规定进行计算。

(1)安全阀泄放面积[4-5]计算。

(1)

将泄放量55 t/h，K=0.7，pd=4.56+0.1=4.66 MPa代入公式(1)可得dτ≥64，为安全起见，可取安全阀内径为80 mm，因此选择DN80的饱和蒸汽全启式安全阀即可，安全阀出口配相同规格的蒸汽消音器。

(2)放空阀管径选型计算。阀门出口流速过高时容易产生噪声，其程度用流体流速的马赫数M来判别[6]，当M<0.33时，噪声小，可忽略；当M>1时，噪声过大，应加大口径。蒸汽介质的马赫数可按照下式[7]确定：

(2)

其中，M为蒸汽流体的马赫数，正常下可取0.875；Ws为系统的安全泄放量，kg/h；pr为放空阀的出口压力，kPa；d为放空阀内径，mm。

将蒸汽的工艺参数代入公式(2)，可得d为43.75 mm，因此可以选择DN50的蒸汽放空阀，放空阀出口外接同规格的蒸汽消音器。

3 结 语

本文对某铜冶炼厂蒸汽管网安全阀、放空阀进行了设计计算。蒸汽管网的安全设计需要综合考虑整个蒸汽系统的开停车、负荷变动、突发状况等生产要求，确保其安全运行。