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易算云安全閥的設(shè)計(jì)計(jì)算API 520 20141. 易算云計(jì)算軟件簡(jiǎn)介安全閥是容器安全泄放裝置的一種,主要配備于壓力容器上,應(yīng)對(duì)容器可能出現(xiàn)的超壓情況。安全閥一般由彈簧作用,當(dāng)入口處?kù)o壓超過(guò)其設(shè)定壓力時(shí),閥瓣上升以泄放被保護(hù)系統(tǒng)的超壓。本計(jì)算適用于安裝單個(gè)泄放裝置,不包括兩相流泄放。2. 易算云計(jì)算軟件參考標(biāo)準(zhǔn)API 520, Sizing, Selection, and Installation of Pressure-relieving DevicesAPI 521, Pressure-relieving and Depressuring SystemsAPI 526, Flanged Steel Pressure-relief Valves3. 易算云計(jì)算過(guò)程3.1 安全閥設(shè)定壓力安全閥設(shè)定壓力(PS)系指,當(dāng)安全閥入口處的靜壓達(dá)到該值時(shí),安全閥將動(dòng)作。安全閥保護(hù)的系統(tǒng)內(nèi)有可能存在兩個(gè)以上的壓力設(shè)備,再考慮到其中的管道和閥門,安全閥的設(shè)定壓力要求不大于被保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)的最低設(shè)計(jì)壓力。另外,若已知設(shè)備或管道的最高允許工作壓力(Maximum Allowable Working Pressure, MAWP),可用最高允許工作壓力來(lái)替代設(shè)計(jì)壓力。3.2 允許超壓與泄放壓力超壓指超過(guò)泄壓裝置設(shè)定壓力的壓力,在壓力泄放裝置排放期間,允許容器內(nèi)壓力超過(guò)容器的最大允許工作壓力(或者是設(shè)計(jì)壓力),該壓力的增值即是允許超壓(Accum%),通常用百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。依據(jù)API 520之規(guī)定,對(duì)于單閥泄放系統(tǒng)而言,火災(zāi)事故工況的允許超壓為21%,其他為10%。泄放壓力(P1)系指安全閥閥芯升到最大高度后,閥入口處的壓力。泄放壓力等于設(shè)定壓力加允許超壓。P1 = PS X (1 + Accum%) (1)對(duì)于單閥泄壓系統(tǒng),安全閥與容器有關(guān)的壓力如下:表1 安全閥與容器的壓力關(guān)系容器壓力百分比安全閥121%火災(zāi)工況的最大泄放壓力110%非火災(zāi)工況的最大泄放壓力系統(tǒng)最低設(shè)計(jì)壓力或MAWP100%安全閥的最大設(shè)定壓力93% 97%回座壓力表1 表明了不同情況下,被保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置安全閥的最大泄放壓力、最大設(shè)定壓力與被保護(hù)系統(tǒng)的最低設(shè)計(jì)壓力之間的數(shù)值關(guān)系。3.3 安全閥背壓與安全閥的類型安全閥閥嘴的下游壓力(P2)即安全閥的背壓。安全閥背壓由兩部分組成:疊加背壓(Superimposed Back Pressure, SBP)和積聚背壓(Built-up Back Pressure, BBP)。疊加背壓即靜背壓,系指安全閥未起跳時(shí)出口處的靜壓,它可以是來(lái)自安全閥排放管系統(tǒng)中的壓力源,可能是穩(wěn)定的也可能是變化的。積聚背壓即動(dòng)背壓,系指安全閥起跳時(shí),由于泄放流體流動(dòng)而在排放管中引起的摩擦壓降。P2 = SBP + BBP (2)安全閥通常分為三種類型:常規(guī)式(Conventional)、平衡波紋管式(Balanced Bellow)和先導(dǎo)式(Pilot-operated)。而安全閥類型的選擇與安全閥背壓的大小息息相關(guān)。當(dāng)普通安裝的常規(guī)式安全閥開(kāi)啟泄放時(shí),流體流經(jīng)閥門和管道形成積聚背壓,背壓將產(chǎn)生一個(gè)相同的不平衡力從而影響閥門的通過(guò)能力。只要積聚背壓小于閥開(kāi)啟后的超壓,閥就會(huì)在流動(dòng)狀態(tài)下保持正常狀態(tài),流動(dòng)特性和閥嘴理論上的流動(dòng)特性類似。而如果積聚背壓比超壓增加的多,力的平衡將驅(qū)使閥門關(guān)閉,這樣將引起流體的不穩(wěn)定流動(dòng),從而影響閥門的流通能力。采用平衡式安全閥的設(shè)計(jì)可以減少背壓對(duì)閥門流通能力的影響。通常來(lái)講,安全閥形式的選擇與安全閥背壓(P2)與設(shè)計(jì)壓力(PS)的表壓之比有關(guān),具體如表2所示:表2 安全閥背壓與安全閥形式選擇的關(guān)系安全閥背壓與設(shè)定壓力之比P2/PS(表壓比)安全閥形式(P2/PS) 10%常規(guī)式10% (P2/PS) 30%平衡波紋管式(P2/PS) 30%先導(dǎo)式3.4 氣相泄放3.4.1 臨界流動(dòng)的判斷可壓縮氣體通過(guò)閥嘴、孔板或管線末端發(fā)生膨脹,其流速與比容隨著下游壓力的降低而增加。對(duì)于給定的上游條件,通過(guò)閥嘴的質(zhì)量流量不斷增加,直到在閥嘴處達(dá)到極限??梢宰C明該極限速度就是在閥嘴處流動(dòng)介質(zhì)達(dá)到的聲速,與極限速度相對(duì)應(yīng)的流量就是臨界流量。在閥嘴處達(dá)到聲速的壓力(Pcf)與入口壓力(P1)的絕對(duì)壓力之比為臨界壓力比。Pcf就是臨界流動(dòng)壓力:(3)式(3)中:Pcf 臨界流動(dòng)壓力,kPa(a);P1 上游泄放壓力,kPa(a);k 泄放溫度下理想氣體的絕熱指數(shù),即cP/cV。用于氣體泄放的安全閥,其尺寸計(jì)算方程根據(jù)流體時(shí)臨界流動(dòng)還是亞臨界流動(dòng)分為兩大類。如果閥嘴下游的壓力小于或者等于臨界流動(dòng)壓力Pcf,將會(huì)產(chǎn)生臨界流動(dòng),應(yīng)該使用3.4.2和3.4.3中的計(jì)算方法;如果閥嘴下游的壓力大于臨界流動(dòng)壓力Pcf,將會(huì)產(chǎn)生亞臨界流動(dòng),則應(yīng)該使用3.4.4中的計(jì)算方法。另外,當(dāng)安全閥使用平衡波紋管式時(shí),應(yīng)使用3.4.2和3.4.3中的計(jì)算方法,通過(guò)背壓校正系數(shù)來(lái)校正背壓對(duì)閥流通能力的影響。3.4.2 臨界流動(dòng)泄放的尺寸計(jì)算臨界流動(dòng)條件下的氣體泄放閥尺寸計(jì)算如式(2)所示:(4)式(4)中:A 安全閥所需的有效泄放面積,mm2;W 安全閥的泄放量,kg/hr;C 泄放條件下氣體的特性系數(shù),由氣體的絕熱指數(shù)k(cP/cV)通過(guò)式(5)計(jì)算得來(lái);Kd 安全閥有效泄放系數(shù),由安全閥廠家提供,初選時(shí)可按以下原則取值: 0.975,安全閥與爆破片聯(lián)用,或者安全閥單獨(dú)使用; 0.62,不使用安全閥作為泄放裝置,僅有爆破片使用;P1 安全閥上游泄放壓力,kPa(a),該數(shù)值為設(shè)定壓力,允許超壓和大氣壓之和;Kb 安全閥背壓校正系數(shù),僅用于平衡波紋管式安全閥,可由安全閥廠家提供,初選時(shí)可按圖1選??;Kc 爆破片組合系數(shù),按以下原則取值: 1.0,安全閥單獨(dú)使用; 0.9,安全閥與爆破片聯(lián)用;T 流體泄放溫度,K;Z 泄放條件下流體壓縮因子,可通過(guò)圖2來(lái)選??;M 流體平均分子量。其中,氣體的特性系數(shù)(C)由式(5)確定:(5)式(5)中:C 氣體的特性系數(shù);k 氣體的絕熱指數(shù)k(cP/cV)。圖1 平衡波紋管式安全閥背壓校正系數(shù)Kb(氣相)圖2 氣體通用壓縮因子圖3.4.3 水蒸氣泄放(臨界流動(dòng))的尺寸計(jì)算用于水蒸氣泄放的閥門,其臨界流動(dòng)條件下的閥尺寸計(jì)算如式(6)所示:(6)式(6)中:A 安全閥所需的有效泄放面積,mm2;W 安全閥的泄放量,kg/hr;P1 安全閥上游泄放壓力,kPa(a),該數(shù)值為設(shè)定壓力,允許超壓和大氣壓之和;Kd 安全閥有效泄放系數(shù),由安全閥廠家提供,初選時(shí)可按以下原則取值: 0.975,安全閥與爆破片聯(lián)用,或者安全閥單獨(dú)使用; 0.62,不使用安全閥作為泄放裝置,僅有爆破片使用;Kb 安全閥背壓校正系數(shù),僅用于平衡波紋管式安全閥,可由安全閥廠家提供,初選時(shí)可按圖1選??;Kc 爆破片組合系數(shù),按以下原則取值: 1.0,安全閥單獨(dú)使用; 0.9,安全閥與爆破片聯(lián)用;KN Napier校正系數(shù),按以下原則取值:當(dāng)P1 10339 kPa(a) 時(shí),KN = 1.0;當(dāng)10339 kPa(a) 105,則不需要進(jìn)行粘度校正;否則需要根據(jù)雷諾數(shù)重新計(jì)算Kv。3.5.2 無(wú)液相泄放驗(yàn)證的安全閥無(wú)液相泄放驗(yàn)證的安全閥,其尺寸按如式(13)計(jì)算:(13)式(13)中:A 安全閥所需的有效泄放面積,mm2;Q 安全閥的泄放量,m3/hr;Kd 安全閥有效泄放系數(shù),由安全閥廠家提供,初選時(shí)可采用0.62來(lái)進(jìn)行計(jì)算;Kw 安全閥背壓校正系數(shù),僅用于平衡波紋管式安全閥,可由安全閥廠家提供,初選時(shí)可按圖3選??;Kc 爆破片組合系數(shù),按以下原則取值: 1.0,安全閥單獨(dú)使用; 0.9,安全閥與爆破片聯(lián)用;Kp 安全閥超壓校正系數(shù),按圖4選??;PS 安全閥設(shè)定壓力,kPag;P2 安全閥背壓,kPag;Gl 液體相對(duì)密度,以15.6(60 o
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