大型低温液体贮罐安全泄放装置的选用.pdf

文章编号 1 0 0 9 9 4 2 5 2 0 0 3 0 3 0 0 4 9 0 4 大型低温液体贮罐安全泄放装置的选用 沈 梦荣 沈雄 飞 1 中国空分设备公司 杭州市东新路 4 6 2 号3 1 0 0 0 4 2 江阴兴澄特种钢铁有 限公 司制 氧厂 江苏省江阳市滨江东路 2 9 7号2 1 4 4 2 9 摘要 介绍了大型低温液体贮罐结构 分析 了大型低温液体贮罐安全泄放装置选用时的考虑 因素 对大型低温液体贮罐安全 泄放装置采用的先导式安 全阀的工作特点和安装使 用进行 了阐 述 叙 述 了大型低 温液 体 贮罐 安 全 阀泄放 量 确定 的 方法 关键 词 低 温液体 贮罐 大型 先 导 式安全 阀 特 点 泄放 量 安装 使 用 中图分 类号 T B 6 5 8 文献 标识 码 B Ch o o s i n g t h e pr o p e r t y p e s o f s a f e t y r e l i e f v a l v e s e q u i p p e d f o r l a r g e c a p a c i t y c r y o g e n s t o r a g e v e s s e l s S h e n Me n g r o n g S h e n Xi o n g f e i J C h i n a Na t i o n a l A i r S e p a r a t i o n P l a n t C o r p o r a t i o n 4 6 2 D o n g n R o a d H a n g z h o u 3 1 0 0 0 4 Z h e j ia P r o v i n c e 2 O x y g e n P r o d u c i n g F a c t o r y o f C h e n g S p e c i a l I r o n a n d S t e e l C o 2 9 7 E a s t B i n J i a n g R o a d J i a n g y i n 2 1 4 4 2 9 J i a n g s u P r ovi n c e Abs t r a c t T h e s t r u c t u r e o f l a r g e c a p a c i t y s t o r a g e v e s s e l s f o r c r y o g e n i c l i q u i d s i s d e s c r i b e d Th e p a p e r a n aly z e s t he f a c t o r s t h a t s h o u l d b e t a k e n i n t o a c c o u n t wh e n c h o o s i n g s a f e t y r e l i e f v a l v e s u s e d for l a r g e c ryo g e n s t o r a g e v e s s e l s Th e c h a r a c t e ris t i c s a n d a p p l i c a t i o n o f p i l o t s afe t y v a l v e s e mp l o y e d b y l a r g e c a p a c i t y s t o r a g e v e s s e l s for c ryo g e n i c l i q ui d s a r e e x p o u n d e d Co n s e c u t i v e l y t h e me tho d t o d e t e r mi n e t h e d i s c h arg e o f a s a f e t y v a l v e u s e d for a l a r g e c ryo g e n s t o r a g e v e s s e l i s d i scus s e d Ke y wo r d s Cryo g e n i c l i q u i d s t o r a g e v e s s e l L a r g e c a p a c i t y P i l o t s afe t y v alv e Ch a r a c t e ris t i c Di s c h a r g e I n s t all a t i o n Ap p l i c a t i o n 近几年 随着空气分离设备 日趋大型化 液体 化方向发展 许多用户依据调峰及市场需要配置了 低温液体 贮罐 其容积 大多在 3 0 0 2 0 0 0 m 3之 间 本文通过介绍大型低温液体贮罐结构和先导式安全 阀结构与工作特点 就如何正确选用安全阀 保证 大型低温液体贮罐安全运行进行 了分析 1 大型低温液体贮罐结构 大型低温液体贮罐为双层结构 中间夹层采用 珠光砂作保温材料 夹层充干燥密封氮气 贮罐 由 内罐 外罐 安全泄放装置 测量分析仪表 泵阀 及 管路 系统 组成 其 典 型结 构如 图 1 所 示 贮罐 安全 泄 放 装 置 由 内罐 安 全 阀 2个 外 罐安全阀 外罐紧急放空阀 最高液位报警 内罐 溢流阀等组成 2 大型低温液体贮罐安全泄放装置选用时 的考虑因素 由于某些物理和化学因素的影响 贮罐不可避 免地会发生超压现象 为 了确保贮罐安全可靠地运 行 除了采取必要 的防范措施避 免贮罐发 生超压 收稿 日期 2 0 0 2 1 2 3 0 修 回 日期 2 0 0 3 0 4 0 9 作者简介 沈梦荣 1 9 6 3 一 男 工程 师 1 9 8 6年毕业 于华东石油学院炼油设备 与化 工机械专业 现在 中 国空分设 备公 司从事空分设备设计 与成套工作 深冷 技术2 0 0 3年 第 3期 C r y o g e n ic T e c h n o l o g y 3 2 0 0 3 4 9 维普资讯 事故与安全技术 沈 梦 荣 沈 雄 飞 大型 低温 液体 I匕 薯 安 全 泄 放 装 I 的 选 用 外 一 旦发 生超 压还 需 要 自动 及 时迅速 泄 压 因 此设置超压泄放等安全装置是贮罐不可缺少的安全 附件 空分行业大型低温液体贮罐的安全泄放装置 选择时应考虑 以下 因素 Vl 一内罐 安全阀 V 2一切换阀 V 3 一外罐安 全 阀 V 4 一外罐 紧急放 空阀 v 5 一内罐放 空 阀V 6一内罐压 力调节 阀V 7 一内罐 溢流阀 测满阀 图 1 大型低温 液体 贮 结构示意 图 1 物理爆炸 大型低温液体贮罐贮存的是液 氧 液氮 液氩等介质 属于低温液化气体 采用 常压低温贮存 根据液化气体蒸汽爆炸理论 无论 贮罐液相或汽相空间的贮罐壁产生裂缝 也不管裂 缝多大 液体泄压前后几乎没有压差 所以均不会 使贮罐 内液体处 于过热状态 因而不会发生蒸汽爆 炸 即物 理爆 炸 2 化学爆炸 化学爆炸三个要素 可燃爆 炸物 助燃物 引燃引爆源 以液氧低温贮罐 为例 对是否存在化学爆炸的可能作一分析 贮罐 中的可燃物有三种 铁锈等 不饱和碳氢化合物的 分解物和碳氢化合物的氧化物 低温液氧温度大致 在 一1 9 o o C 所 以不可能与铁发生氧化反应 现在 空分设备一般采用分子筛净化流程 在分子筛纯化 器设计合理且运行正常情况下 进入精馏塔的有害 杂质实际上只有甲烷和少量 乙烯 丙烷 至于甲烷 等碳氢化合 物 在液氧中溶解度为万分之几 完全 氧化 反应 后 能量有 限 3 安全泄放装置的选用 由于反应是在常压 低温液体贮罐 中进行 贮罐 容积大 热容量较大 因而贮罐发生超压时速度较平缓 其次大型低温液 体贮罐采用 的是弱顶结构 结构形式见 图 2 根 据 A P I 6 5 0所述 可 以不设置事故泄压设施 在严 重超压时罐顶和罐壁会 自动脱 开 因此贮存液氧 液氮 液氩的大型低 温液体贮罐不考 虑设置爆破 片 在 我 公 司 与美 国普 莱克 斯 公 司合 作 设 计 的 2 0 0 0 m 液氧 贮 罐 上 就 没 有 设 置 爆 破 片 大 型低 温 液体贮罐的泄放装置一般采用安全阀 内罐采用先 导式安全阀 夹层采用紧急放空阀 l 一拱顶2 一包 边角钢3 一罐壁 图 2 大型低温液体贮 的弱顶结构 3 先导式安全阀结构及工作原理 1 先导式安全阀结构见图 3 1 一主导 阀2 6 一 导压管3 一 膜片4 一柱塞 5 一 紧急导阀7 一 主阀 图 3先导式安全 阀结构 2 工作原理 大型低温液体贮罐宜采用先导 式低压安全阀 它 由导阀控制主阀 导阀采用的薄 膜面积较大 故在很低的工作压力下仍可达到足够 大的作用力 从而控制主阀动作 4 先导式安全阀特点 1 安全阀的阀座关闭力大 安全阀的关闭程 度往往受到阀的关闭力影响 先导式安全阀阀前压 力越 高 阀门关闭越严密 而普通弹簧式安全阀恰 5 0 C r y o g e n i c T e c h n o l o g y N o 3 2 0 0 3 深冷技术2 0 0 3年第 3期 维普资讯 沈 梦荣 沈 雄 飞 大 型 低 温 液 体 Jt 薯 安 全泄 放 装 I的 选 用 事故 与安全技 术 恰相反 阀前压力越接近定压 阀门关闭力越小 越易泄漏 阀前压力表与关 闭力关系见图 4 工 腔 耳 K 霹 网 前压 力 P l 一先导式 安全 阀2 一 弹簧式安全 阀 图 4阀前 压力与阀关闭力关 系图 2 密封性好 先 导式安全 阀大多采用 软密 封 可保证 良好密封 而弹簧式安全阀大多是硬密 封 密封性能较差 先导式安全 阀的关闭力较 大 保证 了先导式安全阀的密封性 3 安全阀开启前泄漏量小 当阀前压力达到 定压的 9 8 时 先导式安全 阀才开始泄漏 阀前 压力达到定压时 无需 超压 阀门即可全 开 当 阀前压力降到定 压的 9 5 一9 8 时 其 开度和定 压的关系见图 5 由此可见先导式安全阀在阀前压 力达到定压前 开始泄漏较晚且泄漏量较小 而阀 前压力降到定压以下时 它又较早关闭 从而减少 了泄漏 及过 量排 放 图 5 阀 门开度与定压关 系 0 0 动 背 压 百 分 比 篙 笑 昌 0 0 图 6 先导 式安全阀的动背压对泄放能 力的影响 4 先导式安全阀工作特性不受背压影响 根 据 图 6所示 先导式安全阀可承受较高背压而不影 响泄压系统正常工作 给泄压系统的设计提供较大 余地 同时使泄压系统 的运行有较高的可靠性 5 先导式安全阀人 口取压准确 先导式安全 阀导压管可以加长 可以直接接在压力源或管道上 取压 这样既可以直接检测被保 护系统实际压力 又不受安全阀人 口管道压降过大的影响而使安全阀 工作失常 6 先导式安全阀还可配上各种附件改变它的 特性 如防止 背压 回流 导 阀取压 过滤 手控泄 放 遥控泄压等 根据先导式安全阀的特点 大型低温液体贮罐 上选用先导式低压安全阀 也称为呼吸阀 是安全 可靠的 5 先导式安全 阀泄 放量计算 安全阀泄放量主要考虑 以下几个 因素 1 贮罐在向外输出液体时 造成贮罐压力降 低 需要吸人气体 保证贮罐内不产生负压 2 向贮罐 内输入液体时 贮罐压力升高 需 要排出气体 保持贮罐压力平衡 3 气候等因素引起贮罐介质蒸汽压增大或减 小 造成呼出或吸人气体 通称为热效应 1 2 与贮罐容积 流体输送量 介质性 质有关 热效应产生泄放量 有完善绝热材料保温 层的液化气体压力容器泄放量 的计算公式 为 W s 2 6 1 X 6 5 0一 t g A 犯 曲 1 式中 s 贮罐安全泄放量 k g h q 在泄放压力下液化气体的汽化潜热 L l k g 常温下绝热材料的导热系数 k J r I l 2 h A 容器 的受热面积 r I l 2 保温层厚度 m t 泄放压 力 下饱 和温 度 式 1 是指在火灾危险环境工作时的安 全泄 放量 空分行业大型低温液体贮罐 一般置于无火 灾危险环境 其泄放量为 W s 3 0 W s 综合 5 1 2 3 条 可以确定先导式低压安全阀 呼吸阀 安全泄放量 从而确定 阀门 口径及阀 门 数量 6 内罐或 夹层内管道的安全措施 由于某种原因使得内罐或夹层内管道泄漏 低温 深冷技 术2 0 0 3年 第 3期 C r y o g e n i c T e c h n o l o g y N o 3 2 0 0 3 5 1 柏 1 1l 维普资讯 事故 与安全技术 沈 梦 荣 沈 雄 飞 大 型 低 温 液 体 罐 安 全 泄 放 装 I 的 选 用 液体泄漏后很快蒸发 夹层内压力升高 为了保证 内 外罐安全 在外罐上需设置紧急放空阀 内罐泄漏模 型见图 7 在内罐下部离液位高度 H处有一泄漏孔 其孔径为 D c m 其泄漏量随时间变化表达式 为 Q p C o A 2 g H p g C o A t A o 2 式中 p 任一时间内泄漏量 k g s P 贮存介质密度 k g r n 3 A 小孔截面积 c 一 孔流系数 圆型小孔近似取值为 1 G 重力加速度 9 8 m d 日 液体泄漏时贮存介质起始高度 m t 时 间 s A 一 贮罐截面积 图 7内罐泄 漏模型 根据式 2 令泄漏质量流量时间表达式 的左 侧为 0 即得到最大泄漏时间 t 最大泄漏时间内的泄漏量即为最大泄漏量 其 表 达式 为 一 f Q d t J o 3 假设液体泄漏量 一在时间 t 内全部汽化 这 时紧急放空阀排放量 是安全的 放空阀排 放能力计算公式 为 W 2 3 0 A P 1 0 5 1 肘 T K 4 式 中 排 放量 k g h P 安全 阀定 压 P a G 排出气体的绝对温度 K 肘 气体相对 分子质量 混合 物 为平均 相对 分子 质量 一 背压影响泄放能力修正系数 1 如果夹层 内管道泄漏 那么在 同样泄漏孔情况 下贮罐泄漏量大于管道泄漏量 这里不再详述 7 先导式低压安全阀安装使用 1 安全阀能否正常工作与安装是否正确有很 大关 系 安装位置 方式 以及排放等不适当 安全 阀不但 会失去应有 的作用 而且还会导致 意外事 故 大型低温液体贮罐的先导式安全阀一般装设在 顶部气相空间 两个或两个以上安全阀必须对称布 置 且其入 口管道长度一致 大型低温液体贮罐安 全排放量一般较大 因此入 口管应尽量短 且需设 置牢 固 阀架 2 安全阀调试定压 为了保证安全阀在工作 压力下能够密封 在额定排放 吸入压力时能够呼 吸 安全阀投 用前 需调 试 定 压 定 压 所用 压 力 表 的 精度不 应低 于 1 0级 其开启 压力 为工作压 力 的 1 0 5 1 1 0 倍 最大值不应超过该容器的设计压力 一 般情况下回座