摘要：采用安全泄放裝置是防止容器超壓發(fā)生爆炸有效的方法。運(yùn)用流體在管道內(nèi)作絕熱流動(dòng)的理論，結(jié)合氣體膨脹因數(shù)，推導(dǎo)出一種更為嚴(yán)密的計(jì)算管殼式換熱器安全閥泄放量的方法，其計(jì)算結(jié)果的度較高。
　　
　　關(guān)鍵詞：安全閥；泄放量；計(jì)算；探討
　　
　　在石油化工裝置中，安全生產(chǎn)是首要任務(wù)。采用安全泄放裝置是防止容器超壓發(fā)生爆炸有效的方法。依據(jù)我國(guó)《鋼制壓力容器》(GB150—1998)的要求，在操作過(guò)程中可能出現(xiàn)超壓的設(shè)備都應(yīng)配備安全泄放裝置。安全泄放裝置的選型首先應(yīng)計(jì)算設(shè)備在各種超壓工況下的泄放量，其次求出在大泄放量下相應(yīng)的安全閥噴嘴截面積，作為安全閥選型的依據(jù)。在AP~20(石油煉制裝置安全泄放裝置口徑的計(jì)算、選型及安裝》規(guī)范中，列舉了安全泄放裝置各種超壓工況下確定其泄放量的一般性原則。對(duì)于換熱器換熱管斷裂時(shí)，由其兩側(cè)斷面產(chǎn)生的泄放量之和來(lái)確定。通常在各種超壓工況下的泄放量所確定的安全閥的噴嘴截面積以換熱管斷裂時(shí)為大，所以換熱器上安全閥的直徑選擇通常也以換熱管超壓斷裂時(shí)的泄放量為準(zhǔn)。因此，準(zhǔn)確地計(jì)算管殼式換熱器內(nèi)換熱管斷裂時(shí)流體的泄放量是關(guān)系到能否正確選擇安裝在換熱器上的安全閥的首要條件。
　　
　　上海申弘閥門(mén)有限公司主營(yíng)閥門(mén)有：減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導(dǎo)式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過(guò)濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調(diào)節(jié)閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動(dòng)閥門(mén)、電動(dòng)閥門(mén)、高壓閥門(mén)、中壓閥門(mén)、低壓閥門(mén)、水力控制閥、真空閥門(mén)、襯膠閥門(mén)、襯氟閥門(mén)。同時(shí)，公司可按照客戶的要求進(jìn)行非標(biāo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、加工。始終以質(zhì)量為本，一切為滿足用戶的經(jīng)營(yíng)理念，不斷引進(jìn)*的新技術(shù)，新工藝、新材料，竭誠(chéng)為用戶提供的閥門(mén)產(chǎn)品和更加完善的售后服務(wù)。公司配有車(chē)、刨、磨、銑、鉆、焊、自動(dòng)噴涂等機(jī)械設(shè)備二百六十余臺(tái)套，并配有材料分析、理化X線及超聲波探傷儀等專業(yè)檢測(cè)設(shè)備八十余臺(tái)套，同時(shí)設(shè)有閥門(mén)研發(fā)中心、控制閥測(cè)控中心、閥門(mén)質(zhì)量檢測(cè)中心。上海申弘閥門(mén)有限公司是集閥門(mén)的研發(fā)生產(chǎn)、銷售及技術(shù)服務(wù)于一體的流體控制企業(yè)，其產(chǎn)品和服務(wù)在化工、石化、石油、液化氣、造紙、采礦、電力、食品、制藥、冶金、輕工、樓宇、市政工程、污水處理、環(huán)保、給排水等領(lǐng)域市場(chǎng)處于地位。公司憑著“生命在于運(yùn)動(dòng)、企業(yè)在與創(chuàng)新”的發(fā)展宗旨，緊跟市場(chǎng)需求，提升產(chǎn)品質(zhì)量，竭誠(chéng)為新老用戶提供具的產(chǎn)品及服務(wù)，確保用戶滿意。本文將介紹某國(guó)外工程項(xiàng)目跟外商合作時(shí)所采用的一種換熱管斷裂時(shí)安全閥大泄放量的計(jì)算及選型方法，經(jīng)使用達(dá)到了預(yù)期效果?，F(xiàn)闡述如下。
　　
　　2計(jì)算模型的建立
　　
　　換熱器管程和殼程的壓力通常是不等的。為了敘述方便，本文設(shè)定管程的工作壓力大于換熱器殼程的設(shè)計(jì)壓力。如圖1所示，由于某種原因，換熱器內(nèi)的某一根換熱管發(fā)生斷裂，導(dǎo)致殼程側(cè)的安全閥超壓而起跳，流體從管程側(cè)*流向殼程。在這種狀態(tài)下，相當(dāng)于這根斷裂了的換熱管將管程與
　　
　　殼程連通了。由于換熱器管程進(jìn)出口的壓差相對(duì)于管程與殼程的壓差來(lái)說(shuō)比較小，可以忽略不計(jì)。于
　　
　　是流體在兩段斷裂的換熱管內(nèi)的流量相等?，F(xiàn)以其中斷裂的一段換熱管建立流體流動(dòng)模型。如圖2所示，管道兩端的壓力差等于管程工作壓力與殼程安全閥起跳時(shí)的大泄放量下的壓力之差。計(jì)算在此壓差下該管道內(nèi)流體的質(zhì)量流量，也就得到了換熱器殼程安全閥的大泄放量。在一定的管道內(nèi)，氣體的質(zhì)量流量隨著管道進(jìn)出口兩端的壓力差的增大而增加，直到管道出口端氣體流動(dòng)速度達(dá)到聲速后，流速達(dá)到了極限。于是，氣體的質(zhì)量流量將不再隨管道兩端的壓差增大而增加，這時(shí)氣體在管道內(nèi)的質(zhì)量流量達(dá)到了極限值，稱此現(xiàn)象為流體的阻流。流體在管道內(nèi)發(fā)生阻流時(shí)的質(zhì)量流量稱為阻流流量，用m‘表示，出口端的壓力為臨界壓力，用p表示。當(dāng)出口處的壓力低于臨圈1換熱管斷裂時(shí)流體流動(dòng)示意0L／m圈2換熱管道內(nèi)流體流動(dòng)模型示意界壓力時(shí)稱為亞臨界流動(dòng)狀態(tài)。流體在斷裂的換熱管內(nèi)流動(dòng)，同樣遵循管路系統(tǒng)流體流動(dòng)的伯努里能量平衡方程。按照Dm'ey—Weisbach方程，管道內(nèi)因摩擦阻力引起的壓力損失
　　
　　流體在水平管道內(nèi)流動(dòng)，其動(dòng)能和勢(shì)能的變化為零，管道兩端的壓力降等于摩擦阻力引起的壓力
　　
　　損失，管道各截面處的質(zhì)量流量相等。于是不可壓縮流體在水平管道內(nèi)流動(dòng)，管道兩端的壓力降與流
　　
　　體的質(zhì)量流量可以表示為。
　　
　　上述方程只適用于液體管道或氣體管道兩端的壓力降不大時(shí)，通常認(rèn)為僅適用于當(dāng)其壓差不超過(guò)
　　
　　管道進(jìn)口壓力的下述數(shù)值：對(duì)于氣體，當(dāng)不超過(guò)15時(shí)為1．3K(％計(jì))；當(dāng)大于15時(shí)為管道進(jìn)口
　　
　　壓力的5％；對(duì)于液體為管道進(jìn)口壓力的1％。否則，由于管道進(jìn)出口的流體密度不同或射流的影響，按式(4)計(jì)算會(huì)得出不正確的結(jié)果。換熱器換熱管斷裂時(shí)，換熱管兩端的壓差一般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上述要求的管道內(nèi)流體流動(dòng)數(shù)的方程式可表達(dá)為
　　
　　根據(jù)式(5)計(jì)算在一定壓差下管道內(nèi)的氣體質(zhì)量流量，關(guān)鍵在于計(jì)算氣體的膨脹因數(shù)。下面將利
　　
　　用氣體在換熱管道內(nèi)流動(dòng)的理論對(duì)氣體膨脹因數(shù)的計(jì)算公式進(jìn)行推導(dǎo)。根據(jù)《石油化工企業(yè)工藝裝備管徑選擇導(dǎo)則》規(guī)定，可壓縮流體在不保溫的管道內(nèi)流動(dòng)，當(dāng)管長(zhǎng)大于1000倍管內(nèi)徑時(shí)按照理想氣體的等溫流動(dòng)模型，當(dāng)管長(zhǎng)小于1000倍管內(nèi)徑時(shí)按照理想氣體的絕熱流動(dòng)模型就能滿足工程計(jì)算精度的要求。對(duì)于氣體在管道內(nèi)進(jìn)行絕熱流動(dòng)的關(guān)系式如下：
　　
　　氣體在管道內(nèi)的馬赫數(shù)是該氣體在管道內(nèi)的流速與聲音在該氣體中傳播的速度(聲速)之比，即。再根據(jù)理想氣體方程式pV=nRT及V=m／p，可以得Streeter及l(fā)ie在1975年所著的《流體流動(dòng)機(jī)
　　
　　理》(第6版)，論述了關(guān)于氣體在絕熱管道中流動(dòng)
　　
　　的方程式可表達(dá)為
　　
　　當(dāng)氣體在斷裂的換熱管內(nèi)發(fā)生阻流時(shí)，換熱管出口處的氣體速度達(dá)到了極限值(等于c)，其管道
　　
　　出口端氣體的Ma：=1。根據(jù)流動(dòng)數(shù)的定義可知，此時(shí)換熱管出121端的流動(dòng)數(shù)No=(2)Ⅳ，于是
　　
　　根據(jù)方程式(11)，氣體進(jìn)121阻流流動(dòng)數(shù)與壓力損失系數(shù)K的關(guān)系式可以表達(dá)為分析式(12)可知，管道內(nèi)流動(dòng)的氣體進(jìn)口阻流流動(dòng)數(shù)與氣體的比熱比y以及管道的壓力損失系數(shù)K有關(guān)。在換熱管斷裂的情況下，系統(tǒng)的壓力損失系數(shù)K是己知的，根據(jù)式(12)通過(guò)試差法可以求得此時(shí)的氣體進(jìn)口阻流流動(dòng)數(shù)J7vi。用試差法求上述方程中J7v；的值很不方便，現(xiàn)以K為橫坐標(biāo)，將J7v；代入式(7)，得到換熱管斷裂時(shí)氣體在換熱管中的阻流質(zhì)量流量m。m也就是管道系統(tǒng)中氣體的大質(zhì)量流量。
　　
　　可以得到換熱管斷裂時(shí)的氣體阻流膨脹因數(shù)y的數(shù)值。于是根據(jù)氣體膨脹因數(shù)的定義式(6)，可以得到斷裂的換熱管兩端的臨界壓差值△p。當(dāng)斷裂的換熱管兩端的壓差△p大于△p時(shí)，管道內(nèi)的氣體處于阻流流動(dòng)狀態(tài)，于是安全閥的泄放量就等于2m；當(dāng)△：p小于△p時(shí)，氣體處于亞臨界流動(dòng)狀
　　
　　態(tài)。根據(jù)氣體膨脹因數(shù)y的定義式，可以得到下面的方程式：將式(14)與式(10)和式(11)聯(lián)列，消去J7v。、Ⅳ．后，從理論上講可以得到y(tǒng)與△p、K、y的函數(shù)關(guān)系式。實(shí)際上，要消去J7v。、直接得到y(tǒng)與△p、K、y函數(shù)關(guān)系式是相當(dāng)困難的。通常通過(guò)設(shè)定K為一整數(shù)值，繪制出y對(duì)于△p／△p的圖表，如圖4所示。利用圖4，通過(guò)計(jì)算得到的△p以及己知的△p、K及的數(shù)值，得到相應(yīng)的y值。再根據(jù)式
　　
　　(5)，計(jì)算出管道內(nèi)亞臨界流動(dòng)狀態(tài)下的氣體質(zhì)量流量，從而得到安全閥的泄放量。
　　
　　3安全閥泄放量的計(jì)算步驟
　　
　　依據(jù)上述推導(dǎo)的計(jì)算模型，換熱管斷裂時(shí)換熱器殼程安全閥的大泄放量計(jì)算步驟如下2、根據(jù)換熱管幾何尺寸計(jì)算其總壓力損失系數(shù)值；
　　
　　3、首先計(jì)算臨界壓差△p’，判斷流體是否處于阻流狀態(tài)，如果達(dá)到阻流狀態(tài)就根據(jù)方程式(12)計(jì)
　　
　　算Ⅳ；值后，將Ⅳi’代入其定義式中得到換熱管斷裂時(shí)的阻流質(zhì)量流量m’；當(dāng)流體處于亞臨界流動(dòng)
　　
　　狀態(tài)，根據(jù)計(jì)算得到的△p’，以及已知斷裂的換熱管兩端的△p和K、，查圖4得到氣體膨脹因數(shù)y的
　　
　　值，然后根據(jù)式(5)求出管道內(nèi)氣體的質(zhì)量流量m。
　　
　　4、安全閥的大泄放量為m或m’值的2倍。
　　
　　4計(jì)算實(shí)例及方法比較
　　
　　由上可見(jiàn)，換熱管斷裂時(shí)換熱器殼程安全閥的大泄放量為2316kg／h。
　　
　　5、現(xiàn)按《石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)》提出的公式計(jì)算換熱管破裂時(shí)氣體介質(zhì)的安全閥泄放量，
　　
　　Gg=246．3×10di(△ppg)。·
　　
　?。?．463×10×0．021×(O．34×9．290．5
　　
　　=1930kg／h
　　
　　安全閥的大泄放量等于2G，為3860kg／h。本文的計(jì)算方法計(jì)算的結(jié)果，僅為上述數(shù)值的60％。
　　
　　5結(jié)論
　　
　　本文的安全閥大泄放量計(jì)算方法，已在國(guó)外某工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)中采用，達(dá)到了預(yù)期效果。從其計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，該方法所得的計(jì)算結(jié)果度較高，可供同仁參考。
　　
　　符號(hào)說(shuō)明
　　
　　A——管道截面積，m；
　　
　　c一聲速，m／s：
　　
　　c——定壓比熱容，J／(kg‘K)；
　　
　　cy——定容比熱容，J／(kg·K)；
　　
　　d——管道內(nèi)徑，；
　　
　　D——管道外徑，m：
　　
　　產(chǎn)一當(dāng)量管道單位長(zhǎng)度的摩擦阻力系數(shù)，1；
　　
　　G——氣體泄放量，kg／h；
　　
　　壓力損失系數(shù)，1；
　　
　　——管道進(jìn)口端壓力損失系數(shù)(Ki=1)，1；
　　
　　K——管道出口端壓力損失系數(shù)(Ko=O．5)，1；
　　
　　——管道長(zhǎng)度，m；
　　
　　m——管道內(nèi)流體的質(zhì)量流量，kg／s；
　　
　　m’——管道內(nèi)流體的阻流質(zhì)量流量，kg／s；
　　
　　脅——氣體在管道內(nèi)的馬赫數(shù)，1；
　　
　　Ma’——氣體在管道內(nèi)發(fā)生阻流時(shí)的馬赫數(shù)，1；
　　
　　n——氣體的摩爾數(shù)，tool；