两相流安全阀计算实例讨论

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].