安全阀 计算公式的来源2008-11.doc

6.1.3 泄放量的计算6.1.3.1 根据本导则4的内容，选取合乎该设备工作条件下的安全阀型式。6.1.3.2 根据本导则5的内容确定安全阀的设计参数，确定最大操作压力、整定压力、聚积压力和排放压力；根据排放工况确定安全阀的背压。6.1.3.3 按本导则6的内容计算安全阀的工艺泄放量；按火灾、误操作、设备故障三类事故状态来分析可能发生的一种或几种事故状态，分别计算它们的最大泄放量。泄放量最大的工况就是该安全阀（或组）的设计工况及泄放量。不应该把各种可能的工况，采用叠加的方式来计算最大泄放量。6.2 出口切断6.2.1 压缩机贮气罐压缩机贮气罐，由于出口阀关闭，造成超压的安全阀的泄放量，按压缩机的最大生产能力WG（产气量），kg/hr计算。6.2.2 液体贮罐液体贮罐的泄放量，由于出口阀关闭造成超压的安全阀的泄放量，按泄放压力时进入贮罐物料最大值计。在不明确情况下，按液体容器正常进料量的1.25倍计： WL=1.25G此式来自日本三菱公司设计文件 WL液体贮罐的安全阀的泄放量，kg/hr G液体贮罐的正常进料量，kg/hr6.2.3 气体贮罐气体贮罐泄放量的计算公式： WG=2.8310-3Gud2 (6-1) 此式来自GB150-1998的136页公式B1 WG气体贮罐的安全阀的泄放量，kg/hr G在安全阀泄放压力Pd的工况下的气体密度，kg/m3 d气体贮罐的进料管的内径，mm u气体在管内的流速，m/s 气体流速可按下述范围选取： 一般气体：u=10 m/s15 m/s 饱和蒸汽：u=20 m/s30 m/s 过热蒸汽：u=30 m/s60 m/s6.3 外部火灾6.3.1 外部火灾的考虑因素6.3.1.1 火焰高度只考虑火焰高度在7.5米（25英尺）以内的设备，火焰的高度是以地面或可积存液体物料的装置平台为计算基准，如果平台是格栅不能积存液体，则不能作为计算基准。6.3.1.2 设备的受热面积只考虑存有液体的部分，统一称湿表面积，在计算设备湿表面积时，是计算整台设备的湿表面积。对换热器是指计算整体的表面积，不是只计算换热管的面积。湿表面积的计算公式有以下五个：半球形封头立式容器A=Dh +1.57D2 (6-2)半球形封头卧式容器A=DL (6-3)椭圆封头卧式容器A=D（L+0.3D） (6-4)椭圆封头立式容器A=Dh+0.41D2 (6-5)球形容器A=1.57D2 (6-6)或从地面起到7.5米高度以下所包括的外表面积，取两者中较大值；以上公式的符号说明：A容器受热湿表面积，m2L容器的总长，m； D储罐直径，m； h储罐的湿润高度，m；对立式容器指罐体下切线至最高液面的距离。当最高液面距地面的距离大于7.62米时，按7.62米的液位计算受热湿表面积。6.3.2 泄放量的计算6.3.2.1 不保温的液态烃罐对液化石油气，不保温的容器用公式6-7计算： W = 2.55105 FA0.82/r (6-7)此式来自GB150-1998 第136页式B3A-容器受热湿表面积，m2W-压力容器安全泄放量，kg/hrr-在泄放压力下液化气体的气化潜热，kJ/kgF-泄放减低系数（见表6-2）表6-2 泄放减低系数表 序 号安 装 形 式F 1 容器在地下，用砂土覆盖0.3（注） 2 容器在地上，物料是易燃液体 或采用减压和卸料等空罐措施1（注） 3 容器在地上，物料是易燃液体 容器设有水喷淋装置: 水流量 10 (l/m2.min) 水流量 10 (l/m2.min)0.6（注）1 4 容器在地上，物料是不易燃液体0.3 注：表6-2选自国家质量技术监督局压力容器安全技术监察规程6.3.2.2 对有完善的绝热材料保温的液化气体压力容器此类保温材料要满足在火灾发生时，2小时内不会被烧毁脱落，在消防水的冲击下也不会脱落的要求。 W=9.4（650-t）A0.82 /（r）原式是2.61后面的式子，由于表中的单位是W/mk，所以要单位换算2.61乘上3.6等于9.4.见安全阀1册。 (6-8)此式来自GB150-1998 第136页式B4W火灾工况时安全阀所需的泄放量，kg/hrt泄压工况时被泄放液体的饱和温度，常温下绝热材料的导热系数，W/（mK）（表6-3)A容器受热湿表面积，m2保温层厚度，mr 液体在泄压工况时的汽化潜热，kJ/kg表6-3 常温下保温材料的导热系数表 序号材料名称导热系数W/m.k1普通玻璃棉0.040.0582超细玻璃棉0.0350.0413高温玻璃棉0.0320.0334岩棉0.0470.0585微孔硅酸钙0.0550.0646轻质铝镁材料SML20.0534SML30.080657硅酸铝纤维0.0360.0488矿渣棉0.0420.0589聚氨脂泡沫塑料硬质0.0220.024软质0.03610可发性聚苯乙烯泡沫塑料0.03140.046611聚氯乙烯泡沫塑料0.0220.03512泡沫玻璃0.050.069813憎水珍珠岩0.0580.076.3.2.3 火灾时气体或蒸汽的容器的泄放量计算非湿润情况的储罐（指气体罐）在火灾情况下泄放量的计算应用下式： (6-9)此式来自API521 1997 3.15.2.1.2公式（5）A安全阀的泄放面积，in2F泄放减低系数A容器的暴露面积，ft2Pd安全阀的泄放压力，psi（a）将式（6-9）换算得出式（6-10）W=8.765 (6-10) Tw是设备的壁温，在计算以碳钢制造的设备时，采用摄氏593（866K）来计算。推荐的F最小值是0.01，当最小值未知时，可以使用0.045来计算。F不可能是负值。当计算排放条件下的温度大于593（866K）时，就不能应用(6-10)式，要应用式(6-11)。Kb (6-11) 此式来自王松汉主编石油化工设计手册第四卷424页。 W火灾工况时安全阀泄放量，kg/hrTW设备的壁温，KT1安全阀入口介质泄放温度，K M气体或蒸气的分子量 A容器受热表面积，mm2错了!是安全阀的泄放面积！ Ps安全阀定压，MPa（g） Pd安全阀的泄放压力，MPa（a） F泄放减低系数 Kb-背压校正系数对碳钢设备上的安全阀，若计算的排放温度大于593，可根据制造厂碳钢材质安全阀的温压曲线确定泄放温度，以便仍采用碳钢材质安全阀。6.4 换热管破裂6.4.1 换热器低压侧的设计压力小于100/125的高压侧设计压力时（因设备试验压力为设计压力的125%），则应作为事故工况考虑。6.4.2 只考虑一根换热管完全破裂，按2倍的换热管截面积来计算物料的泄放量，把破裂口的流动规律按偏心孔板来计算。6.4.3 根据破裂处高低压侧的状态，按相平衡计算结果，分为以下三种情况分别计算它们的泄放量：6.4.3.1 介质为气相时： WG = 4.0YCdi2(PG)0.52 (6-12)此式来自CRANE公司专著FLOW OF FLUIDS3-5页WG安全阀气体泄放量，kg/hrY气体膨胀系数； C流出系数； di换热管内径，mm； Y值的计算公式：Y = 1 - (0.1926+0.574B + 0.9675B2 - 4.24B3 + 3.62B4)(P / P1)(1/K) (6-13)B孔径比（换热管内径/换热器壳体外径）；P = P高压侧操作压力 P破裂处的临界压力P1高压端的设计压力MPa（a）K绝热指数C值的计算：如果: di 100mmC = 0.5875 + 0.3813B2.1 + 0.6898B8 - 0.1963B4 / (1 - B4) - 0.3366B3 + (7.3 - 15.7B + 170.8B2 - 399.7B3 + 332.2B4) / Re0.75 (6-14)如果: di 100mmC = 0.5949 + 0.4078B2.1 + 0.0547B8 - 0.0955B4 / (1 - B4) - 0.5608B3 + (-139.7 + 1328.8B - 4228.2B2 + 5691.9B3 - 2710.4B4) / Re0.75 (6-15)Re = diGu/（1000）G换热管内介质密度, kg/m3；u 换热管内介质流速, m/s；换热管内介质粘度, Pa.s6.4.3.2 介质为液相时：WL = 4.0Cdi2(PL)0.52 (6-16) 此式来自CRANE公司专著FLOW OF FLUIDS3-5页P = P高压侧操作压力 P破裂处的临界压力L高压侧液体密度，kg/m3；WL安全阀液体泄放量，kg/hr6.4.3.3 介质为两相时：先经过模拟计算，得到换热管破裂时的汽化分率R及实际气体的绝热常数k。W = WL + WG (6-17)W安全阀泄放量，kg/hrWL安全阀液体泄放量，kg/hr；WG安全阀气体泄放量，kg/hr；Atotal = AG + AL = 2(3.1416di2/4)AG = RAtotal/(Y+R-YR)AL = (Y-YR)Atotal/(Y+R-YR)dL= (AL4/3.1416)0.5dG=(AG4/3.1416)0.5计算出dL和dG分别由（6-12）和（6-16）两式计算WL和WG的值，此时di就用dL和dG替换。 P = P高压侧操作压力 P破裂处的临界压力P破裂处的临界压力= P高压侧操作压力G高压侧气体密度，kg/m3；L高压侧液体密度，kg/m3；AG泄放气体安全阀喷嘴面积，mm2；AL泄放液体安全阀喷嘴面积，mm2；Atotal 安全阀喷嘴总面积，mm2； R气体重量分率；k绝热指数；di换热管的内径，mm。dL换热管内仅排放液体的当量直径，mm。dG换热管内仅排放汽体的当量直径，mm。6.4.4 简化计算法式（6-12）和（6-16）中的Y值和C值可简化为：C=0.6Y=1-0.317(P/ P1)6.5 调节阀故障6.5.1 调节阀故障6.5.1.1 入口调节阀故障：如果发生故障时，入口调节阀是关闭状态，就不需要考虑卸压措施；如果发生故障时，入口调节阀是全开或部分开的状态，同时出口阀是关闭的，需要考虑卸压措施。6.5.1.2出口调节阀故障当设备的出口只有一个，发生故障时，这个调节阀是全开的，不需要考虑卸压措施；发生故障时，出口调节阀是关闭的，按出口阀关闭的状态设置安全阀，并计算安全阀的泄放量。如果同一个故障使进口阀和出口阀都打开，而进口流量大于出口流量，则需要安全阀来保护这台设备，此故障下的泄放量如下式计算： W = W1 - W2 (6-18)W安全阀泄放量，kg/hr；W1入口调节阀全开时流量，kg/hr；W2故障时容器未关闭出口的流量, kg/hr6.5.2 泄放量计算对于调节阀故障时，泄放量的计算是按物流的状态分类，按不同的公式计算；6.5.2.1 气体：若P2P1/2， V =2763CVP（P1+P2）/（GT） 0.5 (6-19)此式来自日本三菱公司若P2P1/2， V = 2396P1CV/（GT）0.5 (6-20)此式来自日本三菱公司V入口调节阀全开时流量，Nm3/hr；Cv调节阀的Cv值（由仪表专业提供）； G比重； P1调节阀上游的压力，MPa（a）；P2调节阀的泄放压力，MPa（a）； P调节阀上游压力与泄放压力的差，MPa； T调节阀上游的介质温度，K6.5.2.2 水蒸汽：若P2P1/2：W1=139.7CvP（P1+P2） 0.5/（1+0.0013t） (6-21)此式来自日本三菱公司若P2P1/2：W1=121.3P1Cv/（1+0.0013t） (6-22)此式来自日本三菱公司W1入口调节阀全开时流量，kg/hr；Cv调节阀的Cv值（由仪表专业提供）；P1调节阀上游的压力，MPa（a）；P2调节阀的泄放压力，MPa（a）；P调节阀上游压力与泄放压力的差，MPa；t水蒸汽的过热度，K6.5.2.3 液体：W1=2737Cv（PG）0.5 (6-23) 此式来自日本三菱公司W1入口调节阀全开时流量，kg/hrCv调节阀的Cv值（由仪表专业提供）；P1调节阀上游的压力，MPa（a）；P2调节阀的泄放压力，MPa（a）；P调节阀上游压力与泄放压力的差，MPa；P=P1-P2G比重6.5.2.4 闪蒸液体：若P1-P2F12（P1-Pvc）时： W1=2737CVFl（P1-Pvc）G0.5 (6-24) 此式来自日本三菱公司W1入口调节阀全开时流量，kg/hr；G介质在上游温度下的比重；Cv调节阀的Cv值（由仪表专业提供）；P1调节阀上游的压力，MPa（a）；Pvc调节阀缩脉压力（vena contracta），是指介质流经调节阀处的最低压力，MPa（a）；Pvc=0.96-0.28（Pv/Pc）0.5 PvPc介质的临界压力，MPa（a）；Pv调节阀上游温度下介质的蒸汽压，MPa（a）；F1压力校正系数（其值与阀体本身结构是流开或流关有关，一般调节阀选用流开阀）。表6-4 F1压力校正系数表 序号调节阀型流开注1（Flow direction open）流关注2（Flow direction clouse）1球型阀，柱塞型0.900.852球型阀，缩径型0.900.803球型阀，V 型0.980.984球型阀，笼型-0.905球型阀，针型0.800.506分体型阀0.750.807角阀，文丘里型0.900.488角阀，柱塞型0.890.819三通阀0.750.7510蝶阀， 60开0.580.5811球阀，槽形环0.600.6012Saunders0.68-13偏心旋转型阀0.800.58注 1 流开：流体流经阀体时，其作用力使阀门趋向于开。 2 流关：流体流经阀体时，其作用力使阀门趋向于关。6.6 热膨胀6.6.1 气体的泄放量： WQ/（CpvT） (6-25) 此式来自理论推导W安全阀泄放量，kg/hrQ容器的最大受热量，kJ/hr；Cpv气体泄放温度和操作温度的平均热容，kJ/（kgK）；T气体泄放的温度和操作温度的温差，K；T=T1-Tn=（Pd/Pn）Tn-Tn T1气体的泄放温度，K；Tn气体操作温度，K；Pd气体泄放压力，MPa（a）；Pn气体的操作压力，MPa（a）；6.6.2 液体的泄放量： GL=0.00361Q /（GCP） (6-26) 此式来自API521 1997版第14页，经过单位换算GL液体泄放量，m3/hr液体每升高1 的体积膨胀系数，可由表6-5查出，也可用下式计算：=（12-22）/（2（t2-t1）12）t1， t2液体计算时的不同温度，；1，2在t1，t2温度下对应的密度，kg/m3；Q传入热量，W；CP液体的比热，kJ/（kg）；G液体的比重表6-5 烃液体和水在15.6下的膨胀系数液 体 特 性膨 胀 系 数 0API G 334.9 1.0520.85040.00072 3550.9 0.84980.77580.0009 5163.9 0.77530.72420.00108 6478.9 0.72380.67250.00126 7988.9 0.67220.64200.00144 8993.9 0.64170.62790.00153 94100 0.62750.61120.00162 水0.000186.7 公用工程故障公用工程故障包括循环水故障、电力故障、热源（蒸汽）故障等。6.7.1 循环水故障6.7.1.1 以循环水为冷媒的塔顶冷凝器，当循环水发生故障（断水）时，塔顶设置的安全阀泄放量为正常工作工况下进入冷凝器的最大气体量。 安全阀的泄放量W = 入口冷凝器的冷凝量（kg/hr） (6-27)6.7.1.2 以循环水为冷媒的其它冷却器，当循环水发生故障（断水）时，应仔细分析后再确定其泄放量。6.7.2 电力故障 停止供电时，要仔细分析停电的影响范围，如泵、压缩机、风机、阀门的驱动机构等，以确定足够的泄放量。6.7.2.1 停止供电时，用电机驱动的塔顶回流泵、塔侧线回流泵将停止转动，塔顶设置的安全阀的泄放量为该事故工况下进入塔顶冷凝器的最大气体量。6.7.2.2 塔顶冷凝器为不装百叶的空冷器时，在停电情况下，塔顶设置的安全阀的泄放量为正常工作工况下，进入冷凝器的最大气体量的75%。6.7.3 热源（蒸汽）故障热源（蒸汽）供应停止时，不会造成设备超压。6.8 塔回流中断 安全阀泄放量W = 进入塔底最下一块板的气量 + 塔进料中的气量（kg/hr） (6-28)6.9 特殊工况不能用一般方法进行安全阀泄放量计算的工况称为特殊工况。根据对正常工况的分析及工程经验，计算特殊工况安全阀泄放量的原则是：进料量减去出料量差值的1.25倍，再加上净输入热量除以介质汽化潜热的值。即安全阀的泄放量为：W = 1.25（Fin-Fout）+ Q/ r (6-29) 此式来自理论推导W安全阀泄放量，kg/hr；Fin进入的各个管道排量和或按入口调节阀全开时流量计算，kg/hr；Fout排出的各个管道排量和，kg/hr；Q故障时增加的热负荷，kJ/hr；r气化潜热，kJ/kg247 喷嘴面积计算选用的安全阀的喷嘴面积，必须等于或大于工艺计算的安全阀所需的泄放面积。7.1 介质为气体7.1.1 流动状态辨别气体通过安全阀喷嘴时，其速度和比容随下游压力的减小而增大，一直增大到极限速度为止，此极限速度即为该气体的声速。声速下的喷嘴喉管压力Pcf与入口压力（即安全阀排放压力）Pd之绝压比称为临界压力比，Pcf称为临界流动压力。如果背压满足下式即为临界流动，否则为亚临界流动。PbPcfPd （7-1） 此式来自GB150-1998 137页 Pb安全阀背压力, MPa（a） Pcf临界流动压力, MPa（a） Pd安全阀的泄放压力, MPa（a） K气体的绝热指数一般烃类气体Pcf/ Pd值都在0.50.6之间，其与K值的关系见表7-1。表7-1 K值与Pcf/ Pd值关系表K1.11.21.31.41.51.61.71.8Pcf/ Pd0.5850.5640.5460.5280.5120.4970.4820.469根据气体是临界流动还是亚临界流动状态，再按下式计算喷嘴面积。7.1.2 临界流动状态下喷嘴面积计算A （7-2） 此式来自API520 2000版42页，公式（3.2）A安全阀需要的最小泄放面积, mm2 W安全阀的泄放量, kg/hr Pd安全阀的泄放压力, MPa（a） T安全阀的泄放温度, K M气体分子量Z压缩系数 C气体特性系数，仅与气体的绝热指数K有关，可按下式计算：C520 也可由表7-2查得不同K值下的C值。当K值未知时，可选用C315。表7-2 不同K值与C值关系KCKCKCKC1.00315*1.243411.483631.723821.023181.263431.503651.743831.043201.283451.523661.763841.063221.303471.543681.783861.083241.323491.563691.803871.103271.343511.583711.853911.123291.363531.603721.883931.143311.383541.623741.903941.163331.403561.643761.923951.183351.423581.663771.943971.203371.443601.683791.983991.223391.463611.703802.00400* 内插值。因为K在接近于1时，C变为不定的无穷数。排量系数,它与安全阀结构有关,应由安全阀制造厂提供。一般取0.975，对爆破片取0.62。 Kb背压校正系数，对于弹簧式安全阀Kb1.0；对于平衡波纹管式安全阀Kb应由制造厂提供，用于气体和水蒸汽时，可由表7-3查得。表7-3 平衡波纹管式安全阀Kb值 PbPs（表压比）Kb0.300.340.370.400.430.460.49过压10时1.00.960.910.870.820.760.69过压16时1.01.01.00.980.960.940.91当定压低于0.34MPa（g）时，不应选用上表数值，而应由制造厂提供Kb值。安全阀和爆破片联合安装校准系数，不安装爆破片时取1.0，安全阀前安装爆破片时，取0.9。7.1.3 亚临界流动状态下喷嘴面积计算为了简化计算，亚临界流动状态下喷嘴面积计算公式仍然采用式7-2，但其中Kb值对通用式安全阀采用表7-4数值；对于平衡波纹管式安全阀Kb值应由制造厂提供。其它符号意义和取值与临界流动状态同。表7-4 亚临界流动状态下通用式安全阀Kb值Pb(a) / Ps(a)+Pa (a)（%）Kb506070758085K1.01.01.00.960.920.880.80K1.21.01.00.950.900.850.77K1.41.00.980.930.870.830.74K1.61.00.970.910.850.790.72K1.81.00.960.890.830.770.697.2 泄放水蒸汽的安全阀喷嘴面积 A （7-3） 此式来自API520 2000版 50页，公式（3.8） Kn安全阀的泄放压力校正系数当Pd10.44 MPa（a）时， Kn1.0当10.44Pd22.17 MPa（a）时 KnKsh蒸汽过热度校正系数，见表7-5；对任何压力下的饱和蒸汽Ksh1。其它符号意义同前。表7-5 蒸汽过热度校正系数Ksh蒸汽压力，MPa（a）蒸 汽 温 度 1502002503003504004505000.310.980.940.890.850.820.760.750.510.990.940.890.850.820.760.751.010.990.940.900.850.820.770.761.30.990.950.910.860.830.780.77