两相流安全阀计算实例讨论

2015-11-28 07:54杨锦祥杰瑞天津石油工程技术有限公司天津300457
化工管理 2015年26期
关键词:背压闪蒸安全阀

杨锦祥(杰瑞(天津)石油工程技术有限公司,天津 300457)

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。

课的最后,介绍了各种量角工具,甚至是有别于量角工具但又与角有关的经纬度,意在给学生开拓眼界,进一步激发学生的学习兴趣。

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。

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3226kPa(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<Ps,在低过冷区。ηs=0.5078>ηst,由公式计算得Pc=391500>Pa,介质流为临界流。

由公式(1)可得G=37676 kg/s·m2,最后可得出A=117 mm2。

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。

[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].

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