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一種安全閥排放管線的快速設(shè)計(jì)方法

文檔作者：文征，王玲利，王曉雷文檔來(lái)源：中國(guó)寰球工程公司華北規(guī)劃設(shè)計(jì)院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年12月03日
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蘑勞攫 石油化工設(shè)計(jì) Petrochemical Design
一種安全閥排放管線的快速設(shè)計(jì)方法
文 征，王玲利，王曉雷
(中國(guó)寰球工程公司華北規(guī)劃設(shè)計(jì)院，河北涿州072754)
摘要：介紹了一種安全閥排放管線的快速設(shè)計(jì)方法。此方法將安全閥排放管線內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)分為，臨
界流動(dòng)和亞臨界流動(dòng)。對(duì)設(shè)定壓力高的安全閥，通過(guò)在兩種流動(dòng)狀態(tài)下，對(duì)排放管線尺寸計(jì)算結(jié)果的比
較分析，得出將排放過(guò)程中的流動(dòng)狀態(tài)控制在臨界流，可以得到經(jīng)濟(jì)合理的排放管線尺寸。此方法不同
于API521中推薦的倒推法和Lapple法，它是建立在臨界流原理上的一種計(jì)算方法。此方法原理清晰，計(jì)
算簡(jiǎn)便靈活，可以滿足工程設(shè)計(jì)需要。
關(guān)鍵詞：安全閥排放管線臨界流亞臨界流
安全閥是石油天然氣工業(yè)生產(chǎn)裝置里最重要
的保護(hù)裝置¨ ]。對(duì)于它的設(shè)計(jì)，特別是喉徑尺寸
的計(jì)算方法和結(jié)果已廣泛使用并廣為接受。但對(duì)
于安全閥排放管線尺寸計(jì)算，由于計(jì)算原理不同，
導(dǎo)致各種方法間計(jì)算結(jié)果相去甚大。如過(guò)度設(shè)計(jì)
不會(huì)相應(yīng)增加保護(hù)功能，反而因排放管線尺寸增
大而造成重量增大、安裝困難、成本增加等問(wèn)題。
根據(jù)API521中的推薦方法，目前最常見(jiàn)的計(jì)
算安全閥排放管線的方法是倒推法 。此方法的
原理是：一般從安全閥排放管線末端出口開(kāi)始計(jì)
算，確定出口壓力(即火炬管網(wǎng)或大氣壓力)，然后
反推校核排放管線人口壓力，即安全閥背壓是否
滿足設(shè)計(jì)要求。對(duì)高速流體而言，由于計(jì)算過(guò)程
忽略了排放管線出口阻力損失，因此由此方法得
出的管線尺寸會(huì)過(guò)度設(shè)計(jì)。API521中推薦的另一
種方法是“Lapple”法 ，此方法是基于理想噴嘴
和絕熱流動(dòng)條件下的理論臨界質(zhì)量流量。它首先
假設(shè)一個(gè)排放管線入口壓力，確定一個(gè)臨界質(zhì)量
流量作為排放管線計(jì)算的起點(diǎn)，再用實(shí)際質(zhì)量流
量與臨界質(zhì)量流量比、摩擦阻力和下游對(duì)上游壓
力比的函數(shù)關(guān)系確定管徑。此方法避免了忽略出
口阻力損失(即管線出口速度小于倒推法確定的
速度)，但計(jì)算過(guò)程比較復(fù)雜，且必須配合相關(guān)曲
線圖使用。
1 臨界流法原理
臨界流法是用臨界狀態(tài)將安全閥排放管線內(nèi)
的流動(dòng)分成臨界狀態(tài)和亞臨界狀態(tài)分別考慮的。
同時(shí)必須滿足人口壓力不超過(guò)安全閥超壓和必須
通過(guò)安全閥額定排放量這兩個(gè)要求。
此方法基本原理是在安全閥出口選取可接受
的背壓，一般是安全閥超壓；然后利用臨界流原理
判斷是否存在臨界流，再計(jì)算當(dāng)排放管線出口處
達(dá)到臨界流時(shí)的臨界壓力和臨界速度；最后調(diào)節(jié)
管徑從而確定整個(gè)排放管線。具體步驟為：
1)確定安全閥出口最大可接受背壓，一般為
安全閥超壓；2)確定臨界質(zhì)量流量為選定安全閥
喉徑的額定流通能力；3)判斷排放管線出口處流
體流型是否為I臨界流；4)如判斷排放管線出口處
為臨界流，確定臨界壓力和臨界流速；5)根據(jù)臨界
質(zhì)量流量、臨界壓力、臨界流速的函數(shù)關(guān)系確定臨
界質(zhì)量流量下的臨界管徑；6)調(diào)整管徑，一般要滿
足排放管線直徑大于等于安全閥出口尺寸。
2 臨界流法計(jì)算實(shí)例
某安全閥泄放條件如表1。排放管線入口壓
力取安全閥設(shè)定壓力的10％(允許的最大值)，用于
計(jì)算排放管線出入口物性。表2顯示了相關(guān)數(shù)據(jù)。
收稿日期：2014—02—18。
作者簡(jiǎn)介：文征，男，2007年畢業(yè)于北京化工大學(xué)物理
化學(xué)專業(yè)，碩士，工程師，注冊(cè)化工工程師，主要從事
石油化工工程設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話：010—61918725：
E—mail：4053 12590@qq．tom
石油化工設(shè)計(jì) 2014年第3期(第31卷)
表1 某安全閥閥泄放條件
項(xiàng)目 數(shù)值 項(xiàng)目 數(shù)值
設(shè)定壓力(表)／MPa 4 分子量／(kg·kmol ) 23．76
超壓 lO％ 密度／(kg·m。) 45．68
泄放溫度／℃ 60 壓縮因子 0．845 3
安全閥尺寸 6Q8 粘度／cp 0．013 15
額定泄放量／(kg·h ) 240 307 背壓(表)／kPa 50
絕熱指數(shù) 1．399
注：物料組分[％(too1)]：60CH4、25C2H6和15C3H8。
表2 排放管線物性
項(xiàng)目 人口 出口
壓力(表)／kPa 400 l8l
溫度／℃ 35．83 34．38
密度／(kg·m ) 4．742 2．656
分子量／(kg·kmol ) 23．76 23．76
絕熱指數(shù) 1．210 1．2l3
壓縮因子 0．9776 0．9872
1)確定計(jì)算起始?jí)毫 ，P1=4 000 X 10％ +
101=501 kPa(絕)。
2)用排放管線入口條件判斷流型_4]：P ／P =
[2／( +1)] ‘ ¨；P f=282 kPa>151 kPa(背
壓)，即存在臨界流。
3)用出口物性確定排放管線出口處臨界速度
U =(10 kRT／M) =361 m／s 。
4)確定臨界管徑：d=[4 ／(3 6001rpU )]
= 298 mm(11．7 in)。
上式中：P 為排放管線入口壓力，kPa；P 為臨
界壓力，kPa；U ：臨界速度，m／s；．iI為絕熱指數(shù)；R
為氣體常數(shù)，8．3145 J／(mol·K)；T為排放管線出
口溫度，K；W 為臨界流量，kg／h；p為密度，kg／m ；
為分子量，kg／kmol。
由臨界管徑和壓降△P=P。一P 可確定一個(gè)
臨界的當(dāng)量長(zhǎng)度，此當(dāng)量長(zhǎng)度可作為：排放管線設(shè)
計(jì)是否滿足符合通過(guò)額定泄放量和安全閥背壓不
超過(guò)安全閥超壓這兩個(gè)必要的設(shè)計(jì)要求的判斷標(biāo)
準(zhǔn)。為了比較排放管線入口壓力與管徑選取之間
的關(guān)系，即臨界流與亞臨界流對(duì)管徑選取的影響，
選取排放管線入口壓力分別為設(shè)定壓的8％ 、6％ 、
4％ 、2％ 進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。
表3中顯示的6個(gè)工況，工況4表示當(dāng)排放系
統(tǒng)壓力恰好是臨界壓力時(shí)的排放過(guò)程；工況1、2、3
為臨界流動(dòng)；工況5、6表示亞臨界流動(dòng)。
表3 不同排放管線入口壓力下結(jié)果比較
工況編號(hào) 1 2 3 4 5 6
超壓 1O％ 8％ 6％ 50 kPa(表)一(4．2％ ) 4％ 2％
臨界壓力／kPa(絕) 282 237 l92 l51 147 102
臨界流判斷 是 是 是 是 否 否
臨界速度／(m ·s ) 361 36l 361 361
馬赫數(shù) 1．O 1．0 1．O 1．O 0．73 0．73
計(jì)算管徑／in(mm) 11．7(297．18) 12．8(325．12) 14．2(360．68) l6．O3(407．16)
選擇管徑／in(mm) l2(304．8) 14(355．6) l6(406．4) 18(457．2) 2O(508) 2O(508)
當(dāng)量長(zhǎng)度／m 33 38 52 61 101 48
：表示排放管線人口壓力為設(shè)定壓力的百分比； ：表示排放管線出口臨界壓力等于背壓時(shí)的超壓。
由結(jié)果可知，① 當(dāng)排放管線存在臨界壓力時(shí)， 要求采用其它合理的方程計(jì)算。所以此方法具有
排放過(guò)程控制在亞臨界流動(dòng)將使管線過(guò)度保守設(shè) 原理清晰，計(jì)算簡(jiǎn)便靈活，可靠性高的特點(diǎn)。
計(jì)(工況5、6)。當(dāng)排放管線通往大氣，即排放系
統(tǒng)壓力降低，或安全閥設(shè)定壓力提高，排放過(guò)程控
制在臨界流動(dòng)會(huì)得到經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)(工況1、2、
3)。②當(dāng)排放過(guò)程不存在臨界壓力，即排放處于
亞臨界狀態(tài)，用倒推法將得到合理的結(jié)果(比較工
況5、6)。因?yàn)榇藭r(shí)排放管線出口阻力將可以忽
略。③為了能使排放控制在臨界流狀態(tài)，必須對(duì)
排放管線當(dāng)量長(zhǎng)度進(jìn)行限制。
綜上所述，臨界流法考慮了排放管線特點(diǎn)和
工程設(shè)計(jì)實(shí)際，盡可能用最簡(jiǎn)單的方法涵蓋大多
數(shù)工程應(yīng)用；同時(shí)，每一計(jì)算步驟都可以根據(jù)實(shí)際
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