鐘文思

摘 要：以行業(yè)標準和國外工程公司的設計處理為基礎，分析了管殼式換熱器的4種安全閥泄放工況。簡要介紹了相關(guān)的計算公式，說明了泄放量計算所需的主要參數(shù)，闡述了國外工程公司設計管殼式安全閥遵循的原則，并列舉了一些工程實例。

關(guān)鍵詞：管殼式換熱器；安全閥；主要參數(shù)；處理方法

中圖分類號：TQ051.5 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.107

隨著我國經(jīng)濟的增長和技術(shù)的發(fā)展，換熱器被廣泛應用于各行各業(yè)中，它的普及進一步推動了社會的發(fā)展。但是，換熱器的工況比較復雜，所以，安全閥的設置顯得十分重要。因此，如何根據(jù)實際情況設計換熱器的安全閥已經(jīng)成為了工作人員急需解決的問題。

1 換熱器安全閥泄放工況

在設置換熱器安全閥時，需要考慮4種工況，即出口閥關(guān)閉、熱脹、火災和換熱管破裂。對于管殼式換熱器，應逐一進行工況超壓分析，在設計換熱器安全閥設計時，要考慮換熱器安全管理，安全閥設置判斷、分析，換熱器泄放計算等非常復雜的問題，而這些問題困擾了很多設計人員。為此，提出了在設置安全閥時，安全閥泄放量的詳細計算方法。

2 出口閥關(guān)閉工況

當管殼式換熱器冷側(cè)介質(zhì)出口閥關(guān)閉時，熱側(cè)介質(zhì)仍處于操作狀態(tài)，冷側(cè)則可能會發(fā)生氣化，引起超壓。如果冷側(cè)介質(zhì)在熱側(cè)介質(zhì)入口溫度下的飽和蒸汽壓不超過冷側(cè)設計壓力的1.3倍，則可以不考慮該工況，否則，冷側(cè)需要設置安全閥。冷側(cè)泄放量可按照公式計算：

式（1）（2）中：W為泄放量，kg /h；Q為換熱器正常操作熱負荷，kJ/h；T1為熱側(cè)流體入口溫度，℃；Tbp為冷側(cè)泄放壓力下飽和溫度，℃；λ為在Tbp 時的氣化潛熱，kJ/kg；tav為冷側(cè)平均溫度，℃；t1為冷側(cè)入口溫度，℃；t2為冷側(cè)出口溫度，℃。

以某硫酸法烷基化裝置的烷基化油—循環(huán)堿水換熱器為例，1臺型號為BES500-1.35/1.50-55-6/25-4I的換熱器，管程走冷堿水，殼程走烷基化油，操作參數(shù)如表1所示。

當冷堿水在熱側(cè)的烷基化油入口溫度為161 ℃時，飽和蒸汽壓（表）為0.63 MPa，小于管程設計壓力（表）1.35 MPa，所以，無需考慮冷側(cè)出口閥關(guān)閉氣化工況。

3 熱脹工況

當換熱器冷側(cè)出入口閥或管路上相關(guān)的調(diào)節(jié)閥等關(guān)閉時，

熱側(cè)仍然處于操作狀態(tài)或從日光中吸熱。這時，冷側(cè)會發(fā)生熱膨脹而超壓，冷側(cè)需要設置安全閥，烴類和水的典型膨脹系數(shù)如表2所示。泄放量可式（3）求得：

W1=αvφ/1 000dc. （3）

式（3）中：W1為泄放流量，m3/s；αv為體積膨脹系數(shù)，1/℃；φ為傳熱速率，W。

液體體積膨脹系數(shù)由式（4）求得：

αV=（ρ12-ρ22）/[2（T2-T1）ρ1ρ2]. （4）

式（4）中：ρ1為T1溫度下的液體密度，kg/m3；ρ2為T2溫度下的液體密度，kg/m3。

注：*為15.6 ℃下的數(shù)值

以中烷基化油-循環(huán)堿水換熱器為例，當冷側(cè)冷堿水在出入口的閥關(guān)閉時，熱側(cè)烷基化油仍然給冷側(cè)加熱，那么，冷側(cè)冷堿水的體積膨脹系數(shù)按照公式計算可得αv=5.18×10-4 1/℃，按照公式計算得泄放量為1.11×10-4 m3/s，約為400.5 kg/h。

4 火災工況和參數(shù)計算

當設備暴露于火災下時，是因為換熱器內(nèi)介質(zhì)氣化或膨脹而引起超壓。在火災工況下，所有進出系統(tǒng)的物流都會終止，內(nèi)部的加熱源也會停止，所有工藝過程假定停止。

火災工況泄放量W的計算公式為：

W=0.859 8φ/λ. （5）

在計算熱通量φ時，如果壓力容器有消防設施和足夠的可燃物質(zhì)排放系統(tǒng)，那么，火災熱通量可用式（6）計算；如果無消防設施和足夠的可燃物質(zhì)排放系統(tǒng)，那么，火災熱通量用式（7）計算。

φ=C1FAws0.82. （6）

φ=C2FAws0.82. （7）

式（6）（7）中：C1為常數(shù)，43 200；C2為常數(shù)，70 900；F為環(huán)境因數(shù)；AWS為受熱潤濕面積，m2。

在計算環(huán)境因數(shù)F時，未保溫的容器F=1.如果使用保溫材料的容器，那么，環(huán)境因素F可由式（8）求得：

F=k（a-Tf）/Ct. （8）

式（8）中：Tf為泄放條件下的容器溫度，℃。

發(fā)生火災后，保溫材料不能抵抗900 ℃的高溫2 h以上，所以，環(huán)境因數(shù)采用數(shù)值1.

氣化潛熱可以使用文獻值或流程模擬數(shù)值，對于臨界區(qū)域，可采用最小值115 kJ/kg。對于有些操作介質(zhì)，比如常減壓蒸餾裝置減壓塔底油，氣化溫度高于設備的承受溫度，此時，火災安全閥應考慮介質(zhì)的熱裂解。

5 其他國際工程公司的處理方法

5.1 殼牌公司

對于超過2 h才到達泄放工況，并且有完好的消防設施，不予考慮，但是，會排除介質(zhì)存在發(fā)生反應的危險。當潛在的設備失敗后，會泄放大量的有毒物質(zhì)。換熱器處于以下2中情況時，可不作為火災工況考慮：①利用一些必要的行政管理手段，規(guī)定一旦換熱器隔斷后，要立即將其中的液體排放掉。②在正常操作時，火災的泄放負荷可泄放至其他處。當換熱器介質(zhì)為液化天然氣時，需要考慮火災工況氣相泄放保護；當火災發(fā)生時，換熱器介質(zhì)有潛在的反應危險時，需要考慮火災氣相泄放保護；固定管板式換熱器殼側(cè)按壓力容器考慮，對于容積大于500 L容器，通常需要設置火災工況安全閥。

5.2 柏克德公司

在4 h內(nèi)，火災吸收的熱量在泄放壓力下，液相介質(zhì)達到泡點時，則不考慮設置火災安全閥。假設危險已經(jīng)消除或業(yè)主放棄該設備，那么，對于不同的設備，在這4 h內(nèi)是需要進行評估的。

5.3 ExxonMobil公司

通常的換熱器系統(tǒng)不需要設置火災安全閥，因為當換熱器系統(tǒng)發(fā)生火災時，它可以利用暢通的通道到達塔或罐。對于設置前后切斷閥和副線閥的單臺換熱器，有2種選擇——設置火災安全閥或利用行政管理手段消除該工況，即一旦換熱器隔斷后，應立即將其中的液體排放掉，甚至可在隔斷閥和副線閥處設置醒目的標識牌。

5.4 實際工程應用

以中烷基化油-循環(huán)堿水換熱器為例，當發(fā)生火災時，殼程前后切斷閥關(guān)閉，殼程側(cè)烷基化油可能會超壓，但是，這些動作最終都需要與業(yè)主溝通。在換熱器前后切斷閥和副線閥處設置醒目的標識牌，并且要求操作人員在換熱器前后切斷閥關(guān)閉時，立即排放掉換熱器內(nèi)的操作介質(zhì)，進而將火災工況安全閥泄放消除掉。

6 換熱管破裂工況

換熱器低壓側(cè)（包括上下游系統(tǒng)）的水壓試驗壓力低于高壓側(cè)的設計壓力時，則應考慮是換熱器換熱管斷裂。如果在管程和殼程設計壓力中，低壓側(cè)大于高壓側(cè)的10/13，則可以不考慮該工況，否則，需要考慮換熱管破裂。

在計算換熱管破裂泄放量時，換熱管破裂考慮單根管高壓側(cè)介質(zhì)流入低壓側(cè)介質(zhì)，可假定換熱管在管板背面一側(cè)，高壓流體通過留在管板中的管接頭和另一處管子斷面比較長的部分。

7 結(jié)束語

綜上所述，在設計管殼式換熱器安全閥時，要依據(jù)出口閥關(guān)閉、熱脹、火災和換熱管破裂這4種不同工況來設計。在設計的同時還應該考慮到換熱器的生產(chǎn)維修方式，這樣才能全方位地保證管殼式換熱器處于正常的運行情況，為企業(yè)創(chuàng)造更好的經(jīng)濟效益和社會效益。

參考文獻

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[3]全國鍋爐壓力容器標準化技術(shù)委員會.GB 150.1～150.4—2011 壓力容器[S].北京：中國標準出版社，2011.

〔編輯：白潔〕