賈瑋瑋，李發(fā)（安徽省化工設(shè)計(jì)院，安徽合肥230009）

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呼吸閥及其呼吸量的計(jì)算

賈瑋瑋，李發(fā)
（安徽省化工設(shè)計(jì)院，安徽合肥230009）

摘要：介紹了石油化工中儲(chǔ)罐常用的保護(hù)設(shè)備呼吸閥的工作原理、選型、呼吸量的計(jì)算以及安裝和保護(hù)。

關(guān)鍵詞：呼吸閥；呼氣量；排放量

1　概述

呼吸閥是一種用于石油、化工、天然氣等行業(yè)的低壓保護(hù)設(shè)備，它可用來保持儲(chǔ)罐壓力始終處于正常狀態(tài)，降低儲(chǔ)罐內(nèi)揮發(fā)性液體的蒸發(fā)損失，并保持儲(chǔ)罐免受超壓或超真空的破壞。

《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火規(guī)范》（GB50160）規(guī)定了甲B、乙類液體的固定頂罐應(yīng)設(shè)阻火器和呼吸閥；對(duì)于采用氮?dú)饣蛘咂渌鼩怏w氣封的甲B、乙類液體的儲(chǔ)罐還應(yīng)設(shè)置事故泄壓設(shè)備。

儲(chǔ)罐上配套使用氮封閥和阻火器。氮封閥主要用于控制儲(chǔ)罐氮封氣體壓力；阻火器的功能是阻止火焰在氣體管道內(nèi)的傳播以保護(hù)儲(chǔ)存有易燃性介質(zhì)的低壓儲(chǔ)罐，它通常與呼吸閥配合使用，以提高儲(chǔ)罐的防火性能和安全性能。

2　工作原理

當(dāng)儲(chǔ)罐出料或氣候條件影響冷卻時(shí)呼吸閥向內(nèi)吸入，當(dāng)儲(chǔ)罐進(jìn)料或氣候條件影響受熱時(shí)呼吸閥向外呼出，在儲(chǔ)罐受到外部火災(zāi)時(shí)也向外呼出。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力與大氣壓力平衡時(shí)，呼吸閥呼出閥瓣與呼出口閥座以及吸入閥瓣與吸入口閥座均嚴(yán)密配合。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力超過大氣壓力值時(shí)，罐內(nèi)高壓直接作用于呼吸閥瓣下方，克服閥瓣重力以及作用于閥瓣上的外氣壓力，從而打開呼吸閥瓣排出罐內(nèi)過高氣壓，使罐內(nèi)壓力與大氣壓力保持平衡。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)壓力低于大氣壓時(shí)，大氣壓通過吸氣通道進(jìn)入并直接作用于吸入口閥瓣下方，克服閥瓣重力以及作用于閥瓣上方的罐內(nèi)壓力，從而打開吸入口閥瓣向儲(chǔ)罐內(nèi)補(bǔ)充壓力，使罐內(nèi)壓力與大氣壓力保持平衡。當(dāng)發(fā)生火警時(shí)，火源有可能通過進(jìn)入口向儲(chǔ)罐內(nèi)蔓延。當(dāng)火焰通過呼吸閥內(nèi)阻火芯層的狹小孔隙時(shí)，由于器壁效應(yīng)，波紋板吸收大量熱源，使熱損失突然增大，從而使火焰熄滅。

設(shè)計(jì)規(guī)范：API 2000常壓儲(chǔ)罐和低壓儲(chǔ)罐的通氣；SY/T0511- 96石油儲(chǔ)罐呼吸閥和損耗。

3　呼吸閥的選型

目前石油化工企業(yè)常用的呼吸閥可分為三種基本類型：重力式呼吸閥、彈簧式呼吸閥和先導(dǎo)式呼吸閥。

重力式呼吸閥是靠重力來調(diào)節(jié)的。當(dāng)容器里面的氣壓達(dá)到或超過重壓時(shí)該閥打開卸壓，其具有結(jié)構(gòu)簡單、維修方便、密封可靠等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)壓力范圍為+2mbarg～+69mbarg，- 2mbarg～- 43mbarg。

彈簧式呼吸閥是用彈簧限位閥板，由正負(fù)壓力決定或呼或吸，較重力式呼吸閥設(shè)計(jì)壓力高，其設(shè)計(jì)壓力范圍為+69marg～+1.034barg，- 43mbarg～480barg。

先導(dǎo)式呼吸閥由主閥和導(dǎo)閥組成，兩閥先后動(dòng)作，聯(lián)合完成呼氣和吸氣。導(dǎo)閥一旦打開，主閥就迅速打開；導(dǎo)閥一旦關(guān)閉，主閥就迅速關(guān)閉。因此，閥門能夠在低于設(shè)計(jì)壓力10%時(shí)保持密封，在高于設(shè)計(jì)壓力10%時(shí)達(dá)到全排量。先導(dǎo)式呼吸閥設(shè)計(jì)壓力范圍為+5mbarg～+1.034barg，- 2mbarg～- 43mbarg。

呼吸閥的閥體材質(zhì)可根據(jù)不同的工況條件選擇鋁合金、碳鋼或不銹鋼，內(nèi)件材質(zhì)均為不銹鋼。先導(dǎo)式呼吸閥的膜片可依據(jù)不同工況條件選擇丁腈橡膠、氟橡膠或三元乙丙膠等。

泄壓人孔（緊急泄放人孔）是一種快速泄壓裝置，相當(dāng)于一種有預(yù)知加重量荷載的單呼閥，但開啟更快速，泄壓效果更好，泄放量大，通常用于保護(hù)大型儲(chǔ)罐。

全天候型呼吸閥操作溫度為- 30℃～60℃，普通型呼吸閥操作溫度為0℃～60℃。

4　呼吸量的計(jì)算

本計(jì)算依據(jù)API STD2000 - 2009編制，參照HG/T20570- 95部分內(nèi)容。

當(dāng)泵從儲(chǔ)罐輸送出液體時(shí)，呼吸閥吸氣。儲(chǔ)罐呼吸閥的吸氣量應(yīng)大于或等于由于泵抽出儲(chǔ)罐內(nèi)儲(chǔ)存的液體所需的補(bǔ)充氣量和由于外界氣溫變化而產(chǎn)生的儲(chǔ)罐內(nèi)氣體冷凝和收縮所需補(bǔ)充的氣量之和。

圖1　儲(chǔ)罐吸氣示意圖

如圖1所示，泵P- 424抽出儲(chǔ)罐TK- 420內(nèi)液體乙二醇，閃點(diǎn)111.1℃，沸點(diǎn)197.3℃，設(shè)計(jì)壓力0.02MPa，操作壓力為1bar，操作溫度為常溫。首先計(jì)算出外界氣溫變化而產(chǎn)生的儲(chǔ)罐內(nèi)氣體冷凝和收縮所需補(bǔ)充的氣量之和，TK- 420儲(chǔ)罐體積為25.2m3，同時(shí)參考表2熱膨脹排放量表，低值和高值分別選擇20 m3和100 m3，低值吸入量和高值吸入量分別為3.37Nm3/h和16.90Nm3/h，得到插值吸入量為4.25 Nm3/h。計(jì)算公式為：

插值吸入量=［（高值吸入量-低值吸入量）×（儲(chǔ)罐體積-低值體積）/（高值體積-低值體積）］+低值吸入量

其次，計(jì)算儲(chǔ)罐內(nèi)液體流出量，計(jì)算公式為：

液體流出量=泵輸出量×液體流出系數(shù)

其中系數(shù)見表1，本例液體為乙二醇，查表選擇系數(shù)為0.94，泵輸出量為25 m3/h，計(jì)算得出液體流出量為23.50 Nm3/h。呼吸閥的吸入總量公式為：

吸入量=液體流出量+插值吸入量×4.25

代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得到呼吸閥的吸入量為27.75 Nm3/h。

當(dāng)有泵輸送液體進(jìn)入儲(chǔ)罐時(shí)，呼吸閥呼氣。儲(chǔ)罐呼吸閥的呼氣量應(yīng)大于或等于由于上游泵打入的液體所需的呼出氣量和由于外借氣溫變化而產(chǎn)生的儲(chǔ)罐內(nèi)氣體膨脹所需呼出的氣量之和。

圖2　儲(chǔ)罐排氣示意圖

如圖2所示，泵P- 424輸入儲(chǔ)罐TK- 420內(nèi)液體乙二醇，閃點(diǎn)111.1℃，沸點(diǎn)197.3℃，設(shè)計(jì)壓力0.02MPa，操作壓力為1bar，操作溫度為常溫。首先計(jì)算出由于外借氣溫變化而產(chǎn)生的儲(chǔ)罐內(nèi)氣體膨脹所需呼出的氣量之和，TK- 420儲(chǔ)罐體積為25.2m3，同時(shí)參考表2熱膨脹排放量表，低值和高值分別選擇20 m3和100 m3，則低值排放量和高值排放量分別為2.02Nm3/h和10.10Nm3/h，得到插值吸入量為2.55 Nm3/h。計(jì)算公式為：

插值排放量=［（高值排放量-低值排放量）×（儲(chǔ)罐體積-低值體積）/（高值體積-低值體積）］+低值排放量

其次，計(jì)算儲(chǔ)罐內(nèi)液體輸入量，計(jì)算公式為：

其中系數(shù)見表1，本例液體為乙二醇，查表選擇系數(shù)為2.02，泵輸入量為4.46 m3/h，計(jì)算得出液體流入量為4.50 Nm3/h。呼吸閥的排放總量公式為：

代入數(shù)據(jù)，計(jì)算得到呼吸閥的呼出量為7.05Nm3/h。

表1　呼入與排出液體系數(shù)表

表2　熱膨脹排放量計(jì)算表

5　安裝及保養(yǎng)

呼吸閥安裝注意事項(xiàng)：

（1）呼吸閥應(yīng)安裝在儲(chǔ)罐氣源的最高點(diǎn)，以降低物料蒸發(fā)損耗和以便順利地提供通向呼吸閥最直接和最大的通道。對(duì)于立式罐，該閥應(yīng)盡量安裝在罐頂中央頂板范圍內(nèi)，對(duì)于罐頂需設(shè)隔熱層的儲(chǔ)罐可安裝在梯子平臺(tái)附近。

（2）當(dāng)需要安裝兩個(gè)呼吸閥時(shí)，它們與罐頂中心應(yīng)對(duì)稱布置。

（3）若呼吸閥用在氮封罐上，則氮?dú)夤夤艿慕庸芪恢脩?yīng)遠(yuǎn)離該閥接口，并由罐頂部插入儲(chǔ)罐內(nèi)約200mm，這樣氮?dú)膺M(jìn)罐后不直接排出，以達(dá)到氮封的目的。

呼吸閥保養(yǎng)注意事項(xiàng)：

（1）呼吸閥應(yīng)每3～6個(gè)月檢查一次。

（2）檢查要點(diǎn)：①閥盤導(dǎo)桿是否升降靈活；②正負(fù)壓閥盤有無變形；③閥盤與閥座接觸面是否密封；④閥盤與閥座是否被腐蝕。

（3）檢查時(shí)若發(fā)現(xiàn)正負(fù)壓閥盤與閥座接觸面不密封，應(yīng)更換新呼吸閥。閥盤及閥座腐蝕嚴(yán)重，也應(yīng)更換新的呼吸閥。

參考文獻(xiàn)

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·分析測試·

doi：10.3969/j.issn.1008- 553X.2016.03.031

中圖分類號(hào)：TQ055.8+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008- 553X（2016）03- 0087- 03

收稿日期：2016- 01- 30

作者簡介：賈瑋瑋（1983-），女，畢業(yè)于大連理工大學(xué)，工程師，從事化工設(shè)計(jì)工作，15155152272，0551- 64669515，cathy- weiwei@163.com。