安全孔板（F(Z)）在控制阀失败工况下的应用

安全孔板 安全孔板 f z f z 在控制阀失败工 在控制阀失败工 况下的应用况下的应用 在工程设计中 我们总是想降低安全阀的泄放量 从而来 减小安全阀系统的尺寸 包括进出口管线 来降低投资 甚至 来降低火炬系统的负荷 降低安全阀泄放量的措施有很多 针 对不同的泄放工况其采取的措施也会有所不同 在绝大部分的 工艺流程中 都会有控制阀失败 全开 的分析工况 一般的 做法都会根据控制阀最终的流量系数 cv 值 来反算安全阀的 泄放量 但这种做法需要项目的进度计划做的比较好 控制阀 的采购等不影响安全阀系统的设计选型 在进度配合的不是很 好的情况下 这种工况下安全阀的泄放量就会按经验估计一个 量 不再进行校验反算了 笔者在最近和国外专利商合作的过 程中 有一种具有安全功能的孔板和控制阀串联 主要的目的 就是为了在控制阀失败 全开 工况下 降低并能控制相应安 全阀的泄放量 其保守的计算方法可以在早期就能确定安全阀 的泄放量 从而为解决控制阀失败的工况分析提供一条新的思 路 本文将着重阐述这种方法的使用以及计算等 带安全功能的孔板 以下我们简称其为 f z 孔板 其为一 锐角倒角孔板 在本质上和一般的孔板没有区别 主要的区别 是在于其需要定期校验并要像其他安全设施一样登记入册 定 期维修 f z 孔板和控制阀串联对安全阀的计算主要有两种情况 一 种是通过 f z 孔板的介质直接通过相应的 psv 泄放 流程如下 图 1 直接泄放流程 还有一种是间接泄放 即通过 f z 孔板的介质并不直接从 相应的 psv 泄放 其作为加热介质 其他作用介质 使其他介 质蒸发 从而导致相应的 psv 泄放 典型的即为精馏塔再沸器 热源上设置此流程来控制 非正常热量输入 工况下的泄放量 流程如下 图 2 间接泄放流程 在实际设计中 f z 孔板也可能会在控制阀的上游 这两种流程其实并没有实质性的区别 其计算过程基本一 致 只是在间接泄放的流程中 需要将孔板算的加热介质量再 折算成塔内介质的蒸发量 从而计算出相应安全阀的泄放量 对于 f z 孔板 由于其在正常操作中也会有降压作用 所 以在选择 f z 孔板时必须考虑到正常工况的操作 即对于 f z 孔 板的设计 必须要满足两种工况的要求 正常工况和泄放工况 满足以上两种工况的孔板 即可认为是合格的孔板 f z 孔板的计算步骤基本如下 1 根据正常工况 确定控制阀和孔板总共可以得到的压力 降 即控制阀前操作压力和容器最终操作压力之差 dp1 2 首先均分步骤 1 中得到的总压力降 dp1 即控制阀和孔板 的初始压降均为 0 5dp1 3 根据正常操作流量和步骤 2 中所得的压降计算出相应的 控制阀和 f z 孔板 求得相应的孔板孔径 d0 4 在控制阀失败全开时 保守计算可以认为控制阀全开时 压降为 0 此时通过孔板的介质量最大 5 根据操作要求 分析出在控制阀失败全开时 孔板上游 的最大操作压力 p1 6 根据 p1 和下游容器安全阀的设定压力 p3 以及步骤 3 中所得的孔板孔径 d0 即可求出在控制阀失败全开工况下的安 全阀的相应泄放量 q1 7 如果 q1 量偏大 可以回到步骤 2 从新分配控制阀和 孔板的压降 可多分配些压降在孔板上 使其孔径减小 从而 减少最终的泄放量 直到达到可以接受的值 下面通过两个例子来加以说明 例一 某容器有一氮气进料线 正常操作时氮气流量为 757 5kg h 进口为 f z 孔板和流量控制阀串联设置 孔板前压 力为 21barg 温度为 23 容器内操作压力为 4 0barg 进口管 线为 dn50 内径为 49 25mm 容器的安全阀设定压力为 17 7barg 试求在进口流量控制阀失败全开时的安全阀泄放量 1 由以上的计算步骤 可先由正常工况进行推算 可以知 道在正常操作时 f z 孔板和下游控制阀的总共压力降为 dp1 21 4 17bar 2 先取其一半作为孔板的正常操作时的压降 即 dp2 为 17 2 8 5barg 所以正常操作时孔板后的压力为 4 8 5 12 5barg 孔板前后压力之比为 12 5 21 59 5 大于发 生阻塞流时的压力之比 可知此孔板满足正常操作要求 3 由孔板入口条件 通过 hysys 进行物料性质模拟 可以 知道此时氮气的性质为 粘度为 0 0186cp 绝热指数 k 为 1 442 密度为 25 25kg m3 4 从而求得孔板的孔径为 8 64mm 孔板的计算可参见相 关的资料 5 在控制阀失败全开时 保守计算不考虑其在全开时的压 降以及管道压力降 此时得出的泄放量将是最大的 由氮气系 统分析得 氮气系统的最大操作压力为 25barg 所以在控制阀 全开时 孔板前的压力为 25barg 孔板后的压力为安全阀的设 定压力 17 7barg 温度仍为 23 6 由此时的孔板入口条件 通过 hysys 进行物料性质模拟 可以得到相应的氮气性质 粘度为 0 0186cp 绝热指数 k 为 1 449 密度为 29 87kg m3 7 从而求得在控制阀全开时通过 f z 孔板的最大流量为 797kg h 此流量即为在控制阀全开时通过安全阀的最大泄放量 从本例中可以看出 在实际的孔板设计中 一定要注意孔 板在正常情况下是否会出现阻塞流 即孔板后的压力是否会小 于孔板前压力的一定值 约 55 左右 具体可参见孔板设计规 范 如果出现阻塞流 则说明在正常操作时 此孔板是整个 系统的瓶颈 介质流量不再受控制阀的调节 系统处于无法调 节的状态 正常操作将无法维持 同时通过本例可以看出 通过 f z 孔板得出的泄放量是相 应安全阀绝对安全的泄放量 并且在基础设计时就可以确定 也不需要知道控制阀的 cv 值 而且在后续阶段 即使相应的控 制阀由于某种原因更换后 也不会影响到相应系统的安全 即 不需要重新进行控制阀失败工况的分析计算 安全阀也不需要 更换 很方便系统后续的设计和维护 下面在举一个间接加热的例子 例二 某轻烃类精馏塔 安全阀设定压力为 10barg 塔顶 正常操作压力为 6barg 塔顶温度为 56 塔顶设有一循环水 冷凝器和一冷冻水后冷器 塔底设有一热虹吸式再沸器 加热 介质为蒸汽 入口管径为 dn200 正常操作时蒸汽的压力为 36barg 温度为 246 流量为 16861kg h 蒸汽入口为一流量 控制阀和 f z 孔板串联设计 再沸器蒸汽侧正常操作压力为 25 4barg 在最小操作弹性时 蒸汽侧的操作压力为 6 6barg 试求取在再沸器加热蒸汽控制阀全开时 此塔顶安全阀的泄放 量 其中正常时主冷凝器的负荷为 33522840kj h 后冷器的负荷 为 681948kj h 1 同理 根据正常操作时蒸汽侧的操作条件 可以得到蒸 汽流量控制阀和 f z 孔板的总共压力降 dp1 为 36 25 4 10 6barg 2 首先取总压力降的一半作为 f z 孔板的设计压降 即 dp2 为 10 6 2 5 3bar 所以孔板前的压力为 36 5 3 30 7barg 通 过 hysys 进行蒸汽的绝热降压模拟 可以得到在 30 7barg 时的 蒸汽性质 蒸汽温度为 238 粘度为 0 0171cp 绝热指数 k 为 1 3077 密度为 15 706kg m3 3 孔板后即为再沸器壳侧操作压力 25 4barg 所以孔板前后 压力之比为 25 4 30 7 82 7 大于可能产生阻塞流的值 在 塔的最小弹性操作时 因为蒸汽流量变小 此孔板的压力降会 更小 即不会发生阻塞流 所以此孔板在正常操作时是满足要 求的 5 根据孔板的计算公式 可以求得孔径为 50 0mm 6 在控制阀失败全开时 蒸汽流量将变大 其最大流量将 有 f z 限制 并且是在再沸器蒸汽侧最小操作压力时蒸汽流量 最大 忽略上游控制阀以及管道的压降 可知 f z 孔板的板前 压力为 36barg 板后压力为 6 6barg 7 通过 hysys 模拟软件 可以得到孔板前蒸汽的性质 粘 度为 0 0174cp 绝热指数 k 为 1 272 蒸汽密度为 18 56kg m3 8 从而可以求得在控制阀全开时 通过此孔板的最大蒸汽 流量为 29757kg h 根据塔的非稳态计算模块 此时塔顶安全阀 的泄放量即是再沸器产生的过多热量以及进出物料热量差所致 根据 hysys 模拟软件对相应的进出塔的物料做泄放工况下的性 质模拟 可得通过安全阀泄放的物流能量为 22362417kj h 塔内 液体的蒸汽潜热为 286kj kg 所以可得通过安全阀的泄放量为 78 2t h 在此例题中 由于重点是介绍 f z 孔板的计算 所以对非 稳态塔的泄放计算做了简化 在这里必须指出 对于本例题 由于其可得到的总压力将 比较大 而且孔板前后压力比远离可能发生阻塞流的区域 假 如觉得 78 2t h 的泄放量偏大 可以通过增大正常操作时孔板的 压降 来减小孔板的孔径 从而降低最后的泄放量 其计算步 骤同例题基本一致 这也是使用 f z 的一个好处 即比较灵活 对于本例题 在实际设计中 我们通过增大 f z 孔板的压降 使其泄放量最终降低至 53t h 从本例中也可以看出两种不同的流程其计算过程基本相似 不同的只是如何去折算成最终的安全阀的泄放量 对于 f z 的计算 还有另外一种算法 即先通过安全阀的 泄放量 来计算在泄放工况下所需要的孔径 再反推在正常情 况下是否合适 从个人的观点来说 这两种方法基本原理都是 一样的 并没有本质性的差别 只是出发点不一样 所以都可 以使用 如果对安全阀的泄放量比较敏感 即绝对不允许超过 某一个负荷 那么先通过安全阀的泄放工