呼吸阀及其呼吸量的计算

贾玮玮，李发（安徽省化工设计院，安徽合肥230009）



呼吸阀及其呼吸量的计算

贾玮玮，李发
（安徽省化工设计院，安徽合肥230009）

摘要：介绍了石油化工中储罐常用的保护设备呼吸阀的工作原理、选型、呼吸量的计算以及安装和保护。

关键词：呼吸阀；呼气量；排放量

1　概述

呼吸阀是一种用于石油、化工、天然气等行业的低压保护设备，它可用来保持储罐压力始终处于正常状态，降低储罐内挥发性液体的蒸发损失，并保持储罐免受超压或超真空的破坏。

《石油化工企业设计防火规范》（GB50160）规定了甲B、乙类液体的固定顶罐应设阻火器和呼吸阀；对于采用氮气或者其它气体气封的甲B、乙类液体的储罐还应设置事故泄压设备。

储罐上配套使用氮封阀和阻火器。氮封阀主要用于控制储罐氮封气体压力；阻火器的功能是阻止火焰在气体管道内的传播以保护储存有易燃性介质的低压储罐，它通常与呼吸阀配合使用，以提高储罐的防火性能和安全性能。

2　工作原理

当储罐出料或气候条件影响冷却时呼吸阀向内吸入，当储罐进料或气候条件影响受热时呼吸阀向外呼出，在储罐受到外部火灾时也向外呼出。当储罐内压力与大气压力平衡时，呼吸阀呼出阀瓣与呼出口阀座以及吸入阀瓣与吸入口阀座均严密配合。当储罐内压力超过大气压力值时，罐内高压直接作用于呼吸阀瓣下方，克服阀瓣重力以及作用于阀瓣上的外气压力，从而打开呼吸阀瓣排出罐内过高气压，使罐内压力与大气压力保持平衡。当储罐内压力低于大气压时，大气压通过吸气通道进入并直接作用于吸入口阀瓣下方，克服阀瓣重力以及作用于阀瓣上方的罐内压力，从而打开吸入口阀瓣向储罐内补充压力，使罐内压力与大气压力保持平衡。当发生火警时，火源有可能通过进入口向储罐内蔓延。当火焰通过呼吸阀内阻火芯层的狭小孔隙时，由于器壁效应，波纹板吸收大量热源，使热损失突然增大，从而使火焰熄灭。

设计规范：API 2000常压储罐和低压储罐的通气；SY/T0511- 96石油储罐呼吸阀和损耗。

3　呼吸阀的选型

目前石油化工企业常用的呼吸阀可分为三种基本类型：重力式呼吸阀、弹簧式呼吸阀和先导式呼吸阀。

重力式呼吸阀是靠重力来调节的。当容器里面的气压达到或超过重压时该阀打开卸压，其具有结构简单、维修方便、密封可靠等特点，设计压力范围为+2mbarg～+69mbarg，- 2mbarg～- 43mbarg。

弹簧式呼吸阀是用弹簧限位阀板，由正负压力决定或呼或吸，较重力式呼吸阀设计压力高，其设计压力范围为+69marg～+1.034barg，- 43mbarg～480barg。

先导式呼吸阀由主阀和导阀组成，两阀先后动作，联合完成呼气和吸气。导阀一旦打开，主阀就迅速打开；导阀一旦关闭，主阀就迅速关闭。因此，阀门能够在低于设计压力10%时保持密封，在高于设计压力10%时达到全排量。先导式呼吸阀设计压力范围为+5mbarg～+1.034barg，- 2mbarg～- 43mbarg。

呼吸阀的阀体材质可根据不同的工况条件选择铝合金、碳钢或不锈钢，内件材质均为不锈钢。先导式呼吸阀的膜片可依据不同工况条件选择丁腈橡胶、氟橡胶或三元乙丙胶等。

泄压人孔（紧急泄放人孔）是一种快速泄压装置，相当于一种有预知加重量荷载的单呼阀，但开启更快速，泄压效果更好，泄放量大，通常用于保护大型储罐。

全天候型呼吸阀操作温度为- 30℃～60℃，普通型呼吸阀操作温度为0℃～60℃。

4　呼吸量的计算

本计算依据API STD2000 - 2009编制，参照HG/T20570- 95部分内容。

当泵从储罐输送出液体时，呼吸阀吸气。储罐呼吸阀的吸气量应大于或等于由于泵抽出储罐内储存的液体所需的补充气量和由于外界气温变化而产生的储罐内气体冷凝和收缩所需补充的气量之和。

图1　储罐吸气示意图

如图1所示，泵P- 424抽出储罐TK- 420内液体乙二醇，闪点111.1℃，沸点197.3℃，设计压力0.02MPa，操作压力为1bar，操作温度为常温。首先计算出外界气温变化而产生的储罐内气体冷凝和收缩所需补充的气量之和，TK- 420储罐体积为25.2m3，同时参考表2热膨胀排放量表，低值和高值分别选择20 m3和100 m3，低值吸入量和高值吸入量分别为3.37Nm3/h和16.90Nm3/h，得到插值吸入量为4.25 Nm3/h。计算公式为：

插值吸入量=［（高值吸入量-低值吸入量）×（储罐体积-低值体积）/（高值体积-低值体积）］+低值吸入量

其次，计算储罐内液体流出量，计算公式为：

液体流出量=泵输出量×液体流出系数

其中系数见表1，本例液体为乙二醇，查表选择系数为0.94，泵输出量为25 m3/h，计算得出液体流出量为23.50 Nm3/h。呼吸阀的吸入总量公式为：

吸入量=液体流出量+插值吸入量×4.25

代入数据，计算得到呼吸阀的吸入量为27.75 Nm3/h。

当有泵输送液体进入储罐时，呼吸阀呼气。储罐呼吸阀的呼气量应大于或等于由于上游泵打入的液体所需的呼出气量和由于外借气温变化而产生的储罐内气体膨胀所需呼出的气量之和。

图2　储罐排气示意图

如图2所示，泵P- 424输入储罐TK- 420内液体乙二醇，闪点111.1℃，沸点197.3℃，设计压力0.02MPa，操作压力为1bar，操作温度为常温。首先计算出由于外借气温变化而产生的储罐内气体膨胀所需呼出的气量之和，TK- 420储罐体积为25.2m3，同时参考表2热膨胀排放量表，低值和高值分别选择20 m3和100 m3，则低值排放量和高值排放量分别为2.02Nm3/h和10.10Nm3/h，得到插值吸入量为2.55 Nm3/h。计算公式为：

插值排放量=［（高值排放量-低值排放量）×（储罐体积-低值体积）/（高值体积-低值体积）］+低值排放量

其次，计算储罐内液体输入量，计算公式为：

其中系数见表1，本例液体为乙二醇，查表选择系数为2.02，泵输入量为4.46 m3/h，计算得出液体流入量为4.50 Nm3/h。呼吸阀的排放总量公式为：

代入数据，计算得到呼吸阀的呼出量为7.05Nm3/h。

表1　呼入与排出液体系数表

表2　热膨胀排放量计算表

5　安装及保养

呼吸阀安装注意事项：

（1）呼吸阀应安装在储罐气源的最高点，以降低物料蒸发损耗和以便顺利地提供通向呼吸阀最直接和最大的通道。对于立式罐，该阀应尽量安装在罐顶中央顶板范围内，对于罐顶需设隔热层的储罐可安装在梯子平台附近。

（2）当需要安装两个呼吸阀时，它们与罐顶中心应对称布置。

（3）若呼吸阀用在氮封罐上，则氮气供气管的接管位置应远离该阀接口，并由罐顶部插入储罐内约200mm，这样氮气进罐后不直接排出，以达到氮封的目的。

呼吸阀保养注意事项：

（1）呼吸阀应每3～6个月检查一次。

（2）检查要点：①阀盘导杆是否升降灵活；②正负压阀盘有无变形；③阀盘与阀座接触面是否密封；④阀盘与阀座是否被腐蚀。

（3）检查时若发现正负压阀盘与阀座接触面不密封，应更换新呼吸阀。阀盘及阀座腐蚀严重，也应更换新的呼吸阀。

参考文献

［1］杜亮坡，郭磊，东志红.机械呼吸阀的计算选型［J］.化工装备技术，2009，30（2）：58- 59.

［2］王荣贵，刘道芬.常压、低压储罐呼吸量的确定及呼吸阀的选用［J］.化肥设计，2007，45（2）：24- 26.□

·分析测试·

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2016.03.031

中图分类号：TQ055.8+1

文献标识码：A

文章编号：1008- 553X（2016）03- 0087- 03

收稿日期：2016- 01- 30

作者简介：贾玮玮（1983-），女，毕业于大连理工大学，工程师，从事化工设计工作，15155152272，0551- 64669515，cathy- weiwei@163.com。