工艺管道泄压阀尺寸计算

杨梅，杨智超，王雨，李大昌，张晓莉

工艺管道泄压阀尺寸计算

杨梅1，杨智超1，王雨2，李大昌1，张晓莉1

（1. 中国石油工程建设有限公司华北分公司，河北 任丘 062550； 2. 华北石油通信有限公司，河北 任丘 062550）

成品油库项目中，工艺管道上通常需要安装泄压阀，以避免封闭管段在阳光直射下温度升高，管内液体热膨胀导致管线超压。以API 520、API 521、API 526规范为基础，介绍泄压阀尺寸的计算方法，并以国外某成品油库项目为例，计算其泄压阀尺寸，便于指导后续国外成品油库项目泄压阀的计算与选型工作。

国外成品油库；泄压阀；有效泄放面积；尺寸及选型

成品油库中，封闭的工艺管段在阳光的直射下温度升高，管道内液体热膨胀，可能会导致管段超压[1]。为了避免这一情况，通常在封闭工艺管段上安装泄压阀，泄压管线坡向埋地的排污罐[1-2]。为了确定泄压阀的尺寸，结合API标准，计算泄压阀有效泄放面积。

1 计算方法

1.1 有效泄放面积

用于液体的阀门按照ASME标准进行设计，按照式（1）初步确定其有效泄放面积[3]：

式中：—所需的有效泄放面积，mm2；

—流量，L·min-1；

K—额定泄放系数，由阀门制造商提供[4]，对于初步确定尺寸，可采用以下系数[5-6]，针对安装/未安装爆破片的PRV选用 -0.65，未安装PRV选用-0.62，此参数用于计算爆破片的尺寸；

K—基于背压的修正系数，当背压是大气压时，K=1.0，有背压的平衡式泄压阀，其修正系数按图1确定，先导式阀门不需要修正[7]。

图1 平衡弹簧泄压阀的修正系数Kw

K—PRV上游安装爆破片时的组合修正系数[5-6]，没有安装爆破片选用-1.0，爆破片与PRV组合安装选用-0.9。

K—基于黏度的修正系数；

l—在运行温度下，液体相对于标准条件下水的比重；

1—上游泄放压力[8-9]，等于定压值与允许超压值的和，kPa；

—总背压，kPa。

K按式（2）确定[3]：

1.2 流量

对于液体满流系统，根据式（3）近似确定为防护封闭段液体不受热膨胀影响的泄压设备尺寸的膨胀率[10]。

式中：—运行温度下的体积流量，m3·s-1；

a—预期温度下液体的体积膨胀系数，℃-1；

—总传热率，W；

—相对于水（15.6 ℃下，=1.0）的液体相对密度，通常忽略液体的压缩性；

—封闭段液体的比热容，J·kg-1·K-1。

表1为烃类液体和水在15.6 ℃下的体积膨胀系数。

表1 烃类液体和水的体积膨胀系数典型值

注：API重度是表示相对密度的一种尺度，API重度=141.5/相对密度值-131.5[11]。

1.3 传热速率

式中：—管线表面积，m2；

Q—地理区域的太阳辐射，W·m-2；

—管线直径，m；

—管线长度，m。

2 计算实例

以国外某成品油库为例，该油库由储罐、泵房、汽车装车设施、变配电室及消防站组成，油库通过输油管线连接至新建码头的收发油设施。库内工艺管线上，在必要的位置安装泄压阀，避免封闭管段内油品热膨胀导致管线超压。

以3条管线上的泄压阀为例，航煤管线TSV-001（=0.406 m，=10 m），柴油管线TSV-301 （=0.406 m，=15 m），汽油管线TSV-101 （=0.406 m，=10 m）。

2.1 计算有效泄放面积

已知航煤的相对密度为0.84，比热容为 2 000 J·kg-1·℃-1；柴油的相对密度为0.87，比热容为2 100 J·kg-1·℃-1；汽油的相对密度为0.77，比热容为2 000 J·kg-1·℃-1。当地太阳辐射Q=1 353 W·m-2，根据式（3）～式（5）计算流量。计算结果表明，TSV-001的体积流量为0.554 4 L·min-1，TSV-301的体积流量为0.611 8 L·min-1，TSV-101的体积流量为0.725 8 L·min-1。

当泄压阀用于黏性液体，首先假设液体为非黏性，即K=1.0，根据式（1）计算泄放面积1，如表2所示。

表2 假设为非黏性液体初步计算有效泄放面积A1

注：假设背压为大气压，泄放压力=定压值+10%的超压。

2.2 复核计算结果

根据API 526中的标准孔口面积（见表3[12]），采用比上述1大一级的泄放面积2（70.97 mm2）计算雷诺数，后根据式（2）确定实际的黏度修正系数K。

表3 标准孔口面积及字母型号

注：表中的值仅在使用API 520 PT I的尺寸计算公式时有效。

雷诺数根据式（6）计算[3]：

式中：—雷诺数；

—运行温度下的流量，L/min；

—运行温度下的绝对黏度，cp；

—有效泄放面积（根据API 526得到的标准孔口面积），mm2。

已知航煤的动力黏度为1.46 mPa·s，柴油的动力黏度为5.22 mPa·s，汽油的动力黏度为0.77 mPa·s，根据式（6）计算雷诺数，结合表1参数，重新核算泄放面积。计算结果表明，TSV-001的泄放面积为0.243 0 mm2，TSV-301的泄放面积为 0.313 0 mm2，TSV-101的泄放面积为0.288 6 mm2。

若复核所得泄放面积超出所选的标准孔口面积值（70.97 mm2），则根据API 526选大一级的标准孔口面积，重复上述计算过程，直到所得值小于所选的标准孔口面积[3]。

2.3 泄压阀选型

根据上述计算结果，成品油库工艺管道所需泄放量非常少，计算的泄压阀有效泄放面积也非常小。根据API 521，通常采用公称直径DN20×DN25（NPS 3/4×NPS 1）的泄压阀[10]。

3 结 论

根据封闭管段的总传热速率，计算通过泄压阀的体积流量，确定泄压阀的有效泄放面积，再根据此面积，结合API 526选择阀门类型。需注意，在阀门有效面积的计算过程中，先假设液体为非黏性，黏度修正系数取1.0，根据计算结果和标准孔口面积来修正黏度修正系数，直到计算值小于选择的标准孔口面积值。后续项目中，泄压阀的选型计算应遵照此过程。

计算结果表明，成品油库工艺管线通常情况下所需泄放量非常少，泄压阀有效泄放面积也非常小，通常选取DN20×DN25（NPS 3/4×NPS 1）的泄压阀。

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［10］API STD 521．Pressure-relieving and De-pressuring Systems[S].2014．

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［12］API STD 526.Flanged Steel Pressure-relief Valves[S].2017．

Sizing Calculation of Pressure-relief Valve of Process Pipeline

1,1,2,1,1

（1. China Petroleum Engineering and Construction Corporation North Branch, Renqiu Hebei 062550, China;2. Huabei Oil Communication Co., Renqiu Hebei 062550, China）

Pressure-relief valves shall be normally installed on the process pipelines in petroleum products terminal to avoid pipeline overpressure because of the thermal expansion of liquid in pipeline when the temperature of closure section increasing under the sunlight. Based on API 520, API 521, API 526, the sizing calculation method of pressure-relief valve was introduced. Referring to a petroleum products project abroad, the sizing of pressure-relief valves was calculated, which could guide the calculation and sizing selection of pressure-relief valves for following foreign petroleum products projects.

Foreign petroleum products terminal; Pressure-relief valve; Effective discharge area; Sizing and selection

2021-08-10

杨梅（1988-），女，河北省任丘市人，工程师，硕士，2013年毕业于西南石油大学油气储运工程专业，研究方向：工艺设计。

TQ055.81

A

1004-0935（2022）03-0343-03