壓力容器安全閥的安全排放量計算 上海申弘閥門有限公司 二．安全閥計算實例 我們在壓力容器設計和定期檢驗中均要求對安全閥的安全排放能力進行選型或校驗計算。基于以往資料不齊全,往往以大代小,造成不必要的浪費。現擬以GB150附錄B-B5.1 b)為依據，用不同介質、壓力、溫度對安全閥的安全排放量進行選型計算。 1. 應用范圍 1.1 本規定僅適用于化工生產裝置中壓力大于0.2MPa的壓力容器上防超壓用安全閥的設置和計算，不包括壓力大于100MPa的超高壓系統。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。適用于化工生產裝置中上述范圍內的壓力容器和管道所用安全閥；不適用于其它行業的壓力容器上用的安全閥，如各類槽車、各類氣瓶、鍋爐系統、非金屬材料容器，以及核工業、電力工業等。 1.2計算方法引自《工藝設計手冊》 (Q/SPIDI 3PR04-3-1998)，使用本規定時，一般情況應根據本規定進行安全閥計算，復雜工況仍按《工藝設計手冊》有關章節進行計算。 1.3 本規定提供了超壓原因分析，使用本規定必須詳細閱讀該章節。 2. 計算規定的一般說明 2.1 安全閥適用于清潔、無顆粒、低粘度流體，凡必須安裝泄壓裝置而又不適合安全閥的場所，應安裝爆破片或安全閥與爆破片串聯使用。 2.2 在工藝包設計階段（PDP），應根據工藝裝置的操作規范，按照本規定（見5.0章節），對本規定所列的每個工況進行分析，根據PDP的物流表，確定每個工況的排放量，填入安全閥數據表一。 2.3 在基礎設計階段（BDP）和詳細設計階段（DDP），按照泄放量的計算書規定（見6.0章節），在安全閥數據表一的基礎上，形成安全閥數據表二（數據表）和安全閥數據表三。安全閥數據表三作為條件提交有關專業。 例1：有一空氣儲罐,DN1000㎜，容積V=5m3高工作壓力為0.8MPa，工作溫度為30℃進口管為φ57X3.5,確定安全閥尺寸. 解1)確定氣體的狀態條件 設Po—安全閥出口側壓力（絕壓）0.103MPa（近似為0.1MPa） 則Pd—安全閥泄放壓力（絕壓）為 Pd=1.1Pw+0.1+10%P=1.068MPa（GB150附錄B4.2.1） 當安全閥出口側為大氣時: Po/Pd=0.103/1.068=0.0936 而（2/(k+1)）k/(k-1) =（2/(1.4+1)）1.4/(1.4-1)=0.53 ∴ Po/Pd＜（2/(k+1)）k/(k-1) 是屬于臨界狀態條件, 安全閥排放面積A按（B5）計算 A≥ mm （B5） 式中: C氣體特性系數,查表B1或C=520√k（2/(k+1)(k+1)/(k-1)） K—安全閥額定泄放系數,K=0.9倍的泄放系數(泄放系數由制造廠提供,一般為0.75);或按《容規》附件五第二節有關規定中選取. 2)容器安全泄放量的計算: 盛裝壓縮氣體或水蒸汽的容器安全泄放量,按下列規定來確定 a.對壓縮機貯罐或水蒸汽的容器,分別取壓縮機和水蒸汽發生器的大產氣量; b.氣體儲罐等的安全泄放量按(B1)式計算 Ws=2.83×10-3ρυd2 ㎏/h (B1) 式中 ρ為排放壓力下的氣體密度. ρ=M（分子量）×Pw’(排放壓力)×273/(22.4×(273+t)) 空氣M=28.95 排放壓力Pw’=10.68㎏/㎝2 代入上式得 ρ=28.95×10.68×273/22.4×303=12.44㎏/m3 υ—容器在工作壓力下的進口管的氣體流速m/s;查表2得υ=10～15m/s 
一些常用氣體流速范圍 表2 流體名稱/輸送壓力MPa | 流速范圍m/s | | 流體名稱/輸送壓力 MPa | 流速范圍 m/s | 壓縮空氣 0~0.1 ＞0.1~＜0.6 ＞0.6~＜1.0 ＞1.0~＜2.0 ＞2.0~＜3.0 一般氣體（常壓） 氧氣 ＜0.6 0.05~0.6 飽和水蒸汽（主管） （支管） 低壓蒸汽 ＜1.0 低壓蒸汽 ＜1.0 低壓蒸汽 ＜1.0 | 10~15 10~20 10~15 8~10 3.0~6.0 10~20 5.0~10.0 7.0~8.0 30~40 20~30 15~20 20~40 40~60 | 飽和水蒸汽（主管） （支管） 煤氣（初壓）2KPa （初壓）6KPa 氨氣 ≤0.6 1.0~2.0 液氨 氮氣 5~10 乙炔氣 氫氣 自來水 （主管） （支管） 氣體 | 40~60 35~40 0.75~3.0 3~12 10~20 3.0~8.0 0.3~1.0 2.0~5.0 2.0~8.0 ≤8.0 1.5~3.5 1.0~1.5 ≤1.0 |
取υ=10m/s. 將上述ρ、ν、d代入得 Ws=2.83×10-3×12.44×15×502 =1320.2㎏/h 則A= =205.4mm2 若采用帶板手全啟式安全閥 A=0.785d02=205.4mm2 d0=(205.4/0.785)1/2=16.2㎜ 根據統計概算,全啟式安全閥的喉徑d0與公稱直徑DN之比約為0.625,而微啟式安全閥的喉徑d0與公稱直徑DN之比約為0.8. ∴選用公稱直徑DN32的全啟式帶板手安全閥. 
安全閥公稱直徑與喉徑關系 表3 | 安全閥公稱壓力\公稱直徑 | DN 15、20、25、32、40、50、80、100 | 全 啟 式 | PN (MPa)1.0、2.5、4.0、6.4 | do 20、25、32、50、65 | PN (MPa)10.0 | 20、25、32、40、50 | PN (MPa)16、32 | 12、20 | 微 啟 式 | PN (MPa)1.6、2.5、4.0、6.4 | do 12、16、20、25、32、40、65、80 | PN (MPa)16、32 | do 8 12 | PN (MPa)16、32 | 14/16 |
例2.將例題1的介質改為蒸汽。 解：在壓力容器中，絕大多數安全閥的出口側壓力與它的泄放壓力之比即Po/pd都小于理論值0.528。（此值由空氣作試驗介質求得Po/pd=0.528）屬于臨界狀態。 Pd——安全閥的泄放壓力（絕壓） Pd=1.1×P＋0.1MPa=1.1×1.1Pw＋0.1=1.21×0.8＋0.1=1.068MPa 查得ρ=5.388Kg/m3. K=455°(t=182℃) ∴WS=2.83×10-3ρνd2=2.83×10-3×5.388×25×502=953Kg 小排放面積A A= 其中蒸汽在工作溫度和壓力下的壓縮系數Z。可根據高鴻華主編《壓力容器安全技術問題》第71問中的公式進行計算：（注1） Z= = =0.93 式中：R——848Kg·m/Kmol·K T——蒸汽溫度K ν——蒸汽比容 M——分子量。 蒸汽k=1.135 ∴A= =245.7mm2 do= = =17.7㎜ 取DN=32的安全閥。（do=20㎜） 注1、介質壓縮系數可按GB150附錄B章進行計算，一些常用介質的臨界特性，由表4查得 
某些氣體的主要物理特性 表4 名稱 | 分子量 | 臨界溫度t℃ | 臨界壓力Patm(絕壓) | K=Cp/Cv | 氫 H2 | 2.02 | -239.9 | 12.8 | 1.407 | 氧 O2 | 32 | -118.8 | 49.71 | 1.4 | 空氣 | 29 | -140.8 | 37.25 | 1.4 | 氧化氮NO | 30 | -94 | 67.2 | 1.4 | 二氧化碳CO2 | 44 | 31.1 | 72.9 | 1.30 | 水蒸汽 H2O | 18.2 | 374.1 | 225.4 | 1.3(過熱)1.135 | 氨NH3 | 17.03 | 132.4 | 111.5 | 1.29 | 硫化氫 H2S | 34.09 | 100.4 | 88.9 | 1.3 | 氟-12 CF2Cl2 | 120.09 | 111.7 | 39.6 | 1.14 | 氯 Cl2 | 70.91 | 144.0 | 76.1 | 1.36 | 丙烷 C3H8 | 44.09 | 96.84 | 42.01 | 1.133 | 丁烷C4H10 | 58.12 | 152.01 | 37.47 | 1.094 | 苯 C6H6 | 78.11 | 287.6 | 48.7 | 1.18 | 乙炔 H2C2 | 26.04 | 36.3 | 61.6 | 1.238 | 異丁烷 | 58.12 | 58.12 | 36.00 | 1.079 |
上述的工況。同樣可以用（B7）式進行計算。該式在計算時略去繁鎖系數Z的計算，當Pd≤10Mpa時 A= = =242.8mm2 do= = =17.6㎜ *，壓縮系數Z是反映了真實氣體在壓力、溫度和比容之間的關系上和理想氣體的差異。在常溫及壓力不太高的情況下，真實氣體與理想氣體的差異不大。即壓縮系數 Z≈1，而一般常用的二原子氣體，如空氣、氧、氮、氫及一氧化碳等氣體的絕熱指數K均為1.4。因此，安全閥排量計算公式簡化為下式： W=27KPdA 用例題1的工況，代入后即得 與例題1的詳細計算相差極小，另一方面應注意的是，如合成氨的循環機的安全閥，由于出口側的壓力很大。因而壓力比Po/Pd>(2/(k+1) )k/(k-1)屬于處在亞臨界狀態，則應用式(B6)來計算安全閥泄放量。但鍋爐系統的安全閥選型計算要以《鍋規》所給出的公式及系數進行計算。 例3：液化石油氣貯罐，筒體內徑Di=1600㎜,長度L=6000㎜，壁厚δn=16㎜,V=13.3m3,封頭形式為橢圓，介質組分為: 丙烯50%、丙烷15%、正異丁烯15%、正異丁烷15%、殘液5%.液化石油氣組分見表5。 液化石油氣單一成分組分及汽化潛熱 表5 重量組分X1 | 丙 烷C3H8 | 丙烯C3H6 | 正異丁烯 | 正異丁烷 | 殘液 | 50℃汽化潛熱kJ/kg | 285.5 | 285.96 | 343.7 | 317.8 | 337 |
液化石油氣貯罐，一般不設保溫且夏日均配備水噴淋予以冷卻。 解：對無絕熱材料保冷層的壓力容器其安全泄放量按（B3）計算。 W=2.55×105FAt×0.82/q kg/h 式中：F—系數，對于地面上的容器，F=1 At—容器受熱面積，橢圓封頭的臥式貯罐 At=πD0(L+0.3 D0)=3.14×1.632（6.916+0.3×1.632）=37.9㎡ 50℃汽化潛r=∑Xiri=285.5×0.15＋285.96×0.5＋343.7×0.15＋317.8×0.15 ＋337×0.05=301.9KJ/㎏ ∴安全泄放量W’= = =16640㎏/h 安全閥的泄放能力計算 對于貯罐的筒體長度≥6m時，應設置兩個安全閥。在一般情況下分半值來計算較為合理。這樣才不致于使安全閥選得過于大型而造成浪費。安全閥的小排氣面積A為 式中Pd=1.1P＋0.1=1.1×1.8＋0.1=2.08MPa M分子量=44 (以主要成分丙烷) ∴do= = =27.12㎜ 選用DN40A42H—4.0的全啟式安全閥兩只。（此檔安全閥小公稱直徑為40） 由兩臺或兩臺以上的裝置集中輸氣到一個貯罐（集中罐）。或由一臺設備分別輸氣到幾個貯罐（分氣罐）時。貯罐的安全泄放量的計算見例4。 例4、由兩臺空氣壓縮機同時向體積為V=100m3的集氣罐輸氣。其輸氣壓力為Pw=1.0MPa；t為常溫。進氣管為φ108×4。此時貯罐的安全泄放量。 ∵在Pw=1.0Mpa；t=20℃時，ρ=12.87㎏/m3。取進氣管的氣體流速為ν=15m/s ∴貯罐的安全泄放量W為 W‘=7.55(ρo)Vd2 =7.55×1.293×15×1002× =6.55×103㎏/h 式中：ρo——氣體在標準狀態下的密度㎏/m3；空氣在標準狀態下的P=12.87㎏/m3 Pd——容器的排放壓力MPa（） T——容器的排放溫度（）K d——容器的總進氣管內徑㎜ 實際上W'=7.55ρoVd2 與W=28×10-3ρVd2是等效的，不同處在于不用去求取氣體在排放狀態下的密度ρ（㎏/m3）。 除上述的一些常見的貯罐外，我們還遇到如蒸發器、反應器之類由于器內液體受熱蒸發而增大壓力，或由于化學反應而使介質氣化。 體積增大內壓升高，其安全泄放量應分別根據輸入載熱體的放出熱量或器內化學反應可能生成的大氣量，以及反應所需的時間來決定。 另外,JB/T4750－2003《制冷裝置用壓力容器》B.4安全閥及爆破片口徑中介紹了配備在容器上的安全閥口徑計算方法，我們可以在設計中參考選用。 d=C1 （B.1） 式中C1=35 B.2） D0--容器外徑m L—— 容器長度m P—— 為設計壓力MPa 兩個以上容器連通時，其安全閥口徑是將各自容器的D0L值之和代入（B.1）式進行計算。 參 考 資 料 《壓力容器安全技術監察規程》 《壓力容器安全技術問答》勞動人事出版社 GB150—1998《鋼制壓力容器》學苑出版社 《鍋爐壓力容器安全工程學》北京經濟學院出版社 《燃氣壓力容器》中國建筑工業出版社 《化工工藝設計手冊》上海科學技術出版社 JB/T4750－2003《制冷裝置用壓力容器》國家經濟貿易委員會 與本文相關的論文有：安全閥定期檢驗辦事指南 |
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