1概述
安全阀是防止设备或系统因超压而引起爆炸事故发生的泄压设施, 正确地计算和选用安全阀, 对保证装置长周期安全运行是十分重要的。选型过大, 会产生颤振现象, 不仅让设备或系统的压力产生较大波动, 也会使安全阀机械性能下降, 造成安全隐患;选型过小, 一旦事故发生, 系统的超压无法有效地释放, 设备或系统便失去了保护作用。
在实际生产中, 经常会遇到排放气-液两相介质的安全阀。关于两相流的安全阀, HG/T-20570.2-95介绍了一种简化的方法, 即利用气相、液相安全阀泄放面积计算公式, 分别计算气相、液相所需的泄放面积并求和, 即为两相流安全阀所需的泄放面积。这种方法最大的一个假设是液相和气相分别流经安全阀, 气相、液相互不干扰, 流型要么是层流, 要么是分离流, 这样假设并不被热力学理论所支持。
HEM模型作为均相平衡模型, 其设定条件是两相介质为均匀流体气、液两相在安全阀喷嘴内流动时呈平衡状态, 并具有相同的流速。该模型能较好地反映出气、液两相流在安全阀喷嘴内复杂的流动特性, 假设更真实。
API RP 520第七版推荐使用Leung提出的ω参数法进行两相流安全阀的计
算, 此方法可以认为是基于HEM模型的一个简化方法。2008年正式发布的API STD 520第八版, RP升级为STD, 根据最新的研究成果进行了更新。下面就对该方法进行介绍。
2计算方法
在API STD 520第八版附录C中, 将泄放两相流介质的安全阀分为以下四类, 采用不同的公式计算泄放面积:
2.1两相系统 (气液混合物, 包括饱和液体) 进入安全阀并出现闪蒸;
2.2两相系统 (高度过冷液体带不可冷凝气体或可冷凝气体或者两者都有) 进入安全阀, 但不出现闪蒸;
2.3两相系统 (安全阀入口的气体包含不可凝气体, 液体饱和或者过冷) ;
2.4过冷 (包括饱和的) 液体进入安全阀并出现闪蒸。
以第 (4) 类情况为例, 计算步骤如下:
a、第一步计算饱和的欧米伽参数ωs。
ρlo=安全阀入口处的液体密度, kg/m3;
ρ9=用对应于安全阀入口温度T0的饱和蒸汽压Ps的90%所估算的密度, kg/m3。
b、确定过冷区域
如果Ps≥ηstP0, 低过冷区域;反之, 高过冷区域。
P0=安全阀入口处压力, Pa (A) ;
Ps=介质在泄放温度下的饱和蒸汽压, Pa (A) 。
c、确定介质流是临界流还是次临界流。
对低过冷区域, 如果Pc≥Pa, 临界流;反之, 次临界流。
对高过冷区域, 如果Ps≥Pa, 临界流;反之, 次临界流。
Pa=下游背压, Pa (A) ;
Pc=临界压力=ηCP0, Pa (A) 。其中ηC为临界压力比。
当ηs≤ηst, ηC=ηs;当ηs>ηst, ηC用下式计算:
其中, ηs=Ps/P0。
d、计算质量通量。
在低过冷区域, 用公式 (1) 。如果介质为临界流, 用ηC代替η;如果介质为次临界流, 用ηa代替η。在高过冷区域, 用公式 (2) 。如果介质为临界流, 用Ps代替P;如果介质为次临界流, 用Pa代替P。其中, ηa=Pa/P0。
公式 (1)
G=1.414[ρ1o (P0-P) ]1 2公式 (2)
e、计算安全阀需要的泄放面积。×
A为所需有效泄放面积, mm2;
G为质量通量, kg/s·m2;
Q为体积流率, L/min;
Kd为有效排放系数;
Kb为背压修正系数;
Kv为粘度校正系数。
3应用实例
已知安全阀泄放压力为3226k Pa (A) , 泄放温度为246℃, 泄放量10278kg/h, 有效排放系数Kd取0.65, 背压修正系数Kb取1, 粘度校正系数Kv取1, 计算安全阀泄放面积需要的物性数据如下:ρlo为548.5 kg/m3, ρ9为547.3 kg/m3, Ps为1638300Pa (A) , Pa为190000 Pa (A) 。
经计算得ωs为0.0184, ηst为0.0354。由此可得ηstP0=114206
由公式 (1) 可得G=37676 kg/s·m2, 最后可得出A=117mm2。
在同样的工况下, 用HG/T-20570.2-95介绍的简化方法, 分别计算气相、液相所需的泄放面积之和为225 mm2。
4结语
对于泄放两相流介质的安全阀, 目前只有API 520上有详细的计算过程。作为被广泛采用的标准规范, API 520对计算两相流安全阀的泄放面积具有重要的意义, 其假设更真实, 以此方法计算的安全阀泄放面积, 结果可靠, 更符合实际。
摘要：两相流安全阀泄放面积的计算一直是安全阀计算中的难点, 本文介绍了API 520第八版附录中的计算方法, 并通过计算实例加以说明。计算结果表明, 与国内规范采用的简化方法相比, 该方法计算的泄放面积更小, 更符合实际。
关键词：两相流,安全阀,泄放量,泄放面积
参考文献
[1] 周保国.安全阀两相流计算方法讨论[J].石油化工设计, 2011, 28 (2) :39-40.
[2] HG/T 20570.2-95, 安全阀的设置和选用[S].
[3] API STD 520 PartⅠ, Sizing, Selection and Installation of Pressure-relieving Devices in Refineries, Eighth Edition, Dec.2008[S].