化工技术从创意到产业化的七个阶段（第53期/共100期）--安全阀

化工技术从创意到产业化的七个阶段（第53期/共100期）

——技术定型：安全阀泄放量计算

各位海友：

大家好！上一期聊了SIL定级，把联锁回路的安全等级确定了。这一期聊另一个重要的安全保护装置——安全阀。

安全阀是压力容器和压力管道的最后一道物理保护屏障。联锁失效了，安全阀还顶着；安全阀再失效，后果就是灾难性的。所以安全阀的泄放量计算，是工艺包安全设计中不能马虎的一项工作。泄放量算小了，安全阀口径不够，超压时排不出去；泄放量算大了，安全阀口径偏大，投资增加不说，泄放时可能对下游系统造成冲击。

一、安全阀要防哪些工况

安全阀的泄放量计算，首先要搞清楚保护对象在什么情况下会超压。每一个可能造成超压的工况，都要逐一分析、逐一计算泄放量。最后取其中最大的一个作为安全阀的设计泄放量。

常见的需要校核的工况有这么几类。

火灾工况。设备周围发生火灾，外部火焰通过器壁向内部介质传热，液体气化或气体膨胀导致压力升高。这是储罐和塔器最常见的安全阀设置工况。

冷媒中断工况。精馏塔塔顶冷凝器的冷媒突然中断——循环水泵故障、冷冻机跳停——塔顶蒸气无法冷凝，大量蒸气冲向安全阀。

停电工况。全厂停电，泵全部停转，冷媒全部中断，但反应器内可能还有残余反应热、再沸器内的残余热量还在释放。停电后的残余能量还能产生多少泄放量，需要做细致的分析。

控制阀全开工况。如果进料控制阀因故障全开，进入设备的物料量急剧增加，产生的蒸气量超过正常水平。

其他工况还包括：出口误关——操作人员误关了设备出口阀门，导致压力憋高；换热管破裂——换热器内高压侧介质通过破裂的管子窜入低压侧，造成低压侧超压；热膨胀——充满液体的管道或换热器被切断后，受热膨胀导致压力升高。

每一种工况的泄放量计算方法不同，不能混着用。我在实际项目中碰到过一种情况：几个不同原因的泄放工况，虽然算出的泄放量数值差不多，但因为泄放温度、介质组成完全不同，安全阀的选型和泄放管道的设计条件差异很大。所以不能只看泄放量数字，还要看泄放介质的状态。


二、火灾工况怎么算

火灾工况的泄放量计算，分两步走。

第一步，计算火灾传入的热量。设备暴露在外部火焰中，火焰的热量通过器壁传入内部，使液体气化或气体升温膨胀。传热量和容器被火焰浸润的表面积成正比。

对于储罐，通常只考虑地面以上、火焰能够接触到的罐壁面积。对于有消防喷淋保护的罐，传热量可以乘以一个折减系数——消防喷淋能带走大量热量，降低器壁温度。

对于精馏塔，火灾工况的泄放量取塔再沸器正常热负荷产生的蒸气量与火灾传入热量产生蒸气量中的较大值。值得注意的是，塔裙座超过七米五时，某些标准允许按不同的火灾影响范围来考虑——裙座够高，塔体离地面火焰的距离远了，实际传入的热量比直接接触火焰要小。这也是为什么第43期讲塔器设计时强调裙座高度的原因之一。

第二步，把传入的热量换算成蒸气产生量。用传入热量除以液体的气化潜热，得到质量泄放量。这里有一个容易出错的细节：气化潜热必须取泄放条件下的值，不是正常沸点下的值。泄放压力高于正常操作压力，对应的饱和温度更高，气化潜热会下降。如果用了正常沸点的气化潜热，算出来的泄放量偏小，安全阀可能不够大。


三、冷媒中断工况怎么算

精馏塔塔顶冷凝器的冷媒中断，是最需要校核的泄放工况之一。

冷媒中断后，塔顶蒸气无法冷凝，全部涌向安全阀或泄放系统。泄放量就是进入塔顶冷凝器的最大蒸气量——也就是塔再沸器在最大供热能力下产生的全部上升蒸气。

计算时需要注意，如果有进料带入的闪蒸蒸气，这部分也要加进去。还要考虑再沸器在冷媒中断瞬间的残余热量——热虹吸再沸器的管壁和壳体有一定热容量，即使供热源切断了，残余热量还会持续产生蒸气一段时间。这部分瞬时的附加蒸气量，在安全阀选型时需要考虑其叠加效应。


四、停电工况怎么算

全厂停电是各泄放工况中需要重点考量的场景之一。

停电后，泵全停，冷媒全停，仪表空气也可能停了——但反应器内的残余反应热或再沸器内的残余热量还在释放。关键是判断：停电后设备内的残余能量还能产生多大泄放量。

对于放热反应，需要评估停电后反应是否还能继续——如果进料泵停了，新鲜物料不再进入，但反应器内已有的物料可能还在反应，释放的热量需要被评估。对于精馏塔，塔釜和再沸器的热容量会导致停电后仍有一段时间持续产生蒸气。准确评估需要细致的热力学和传热分析，包括设备材质的热容量、保温层的隔热效果、反应停止后的残余放热速率等。

停电工况往往还伴随着其他公用工程的同步丧失——仪表空气可能只能维持十几分钟，循环水可能完全中断。这意味着安全阀泄放时可能没有冷却水来冷却泄放介质，泄放管道的设计需要充分考虑这个最不利条件。


五、控制阀全开工况怎么算

如果反应器的进料控制阀因故障全开，进料量急剧增加，可能导致反应器内压力升高。

泄放量的估算，通常取控制阀全开时最大流量与正常流量之差产生的额外蒸气量。控制阀全开时的最大流量需要根据阀门Cv值和前后压差来估算。如果进料中有液相组分会在反应器内闪蒸，还要加上闪蒸蒸气量。

这个工况在有些情况下可能不如火灾或停电工况严重，但绝不能因此跳过校核。特别是对于进料压力比较高、进料阀口径比较大的系统，控制阀全开导致的附加流量可能相当可观。


六、其他需要考虑的工况

除了上面几个主要工况，还有几个容易被忽略的，也值得逐一校核。

换热管破裂工况。当换热器内高压侧介质通过破裂的管子窜入低压侧，会造成低压侧超压。泄放量等于从破裂管流入低压侧的高压介质质量流量。
出口误关工况。当设备出口阀门被误关，而进口仍在进料时，设备内压力可能快速升高。泄放量取为进口正常流量。

热膨胀工况。充满液体的管道或换热器两端被切断后，受热膨胀可能导致压力急剧升高——液体不可压缩，即使是很小的温升也能造成很大的压力升高，需要设置热膨胀安全阀来泄放少量液体。这种泄放量通常很小——可能只需一个DN15或DN20的小安全阀——但如果没有设置，管道可能在阳光下暴晒几个小时就胀坏了。


七、工艺包阶段泄放量计算做到什么程度

工艺包阶段，安全阀可以暂不区分型式，泄放面积和最终口径可以暂不选定——那是基础设计阶段的事。但在工艺包阶段，安全阀的关键数据必须确定：保护对象是什么，在什么工况下会超压，各个工况下的泄放量是多少，泄放温度和泄放介质是什么。

泄放量的计算，核心在于选择合理的泄放工况。分析一个系统时，把这个系统中有动力、有能量输入的点找全了，其在安全阀设置时需要考虑的工况也就找全了。有蒸汽供热的，考虑蒸汽调节阀全开；有泵送料的，考虑泵出口阀误关；有反应热的，考虑反应失控；有外部火灾风险的，考虑火灾工况。

工艺包阶段把泄放量确定下来，后续基础设计时再根据泄放量进行安全阀选型和泄放管道设计。有了准确的泄放量，安全阀的口径、泄放管道的尺寸和布置就有了依据，不至于到详细设计时再返工改设备数据表和管道走向。


下期预告

第54期：设备布置与界区条件——从建议布置到正式布置

安全阀的泄放量算完了，安全保护装置的设计有了依据。但装置的安全不仅靠联锁和安全阀，设备和设备之间的间距、管廊的走向、框架的跨距——这些空间布置同样影响安全性和可操作性。下一期聊聊设备布置的基本原则和界区条件表的编制。

（请先登录或注册成为海川会员后查看）-... 登录查看全文

（请先登录或注册成为海川会员后查看）-... 登录查看全文