王 巖，楊 歡

(北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176)

壓縮機出口止回閥泄漏量的計算

王 巖，楊 歡

(北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司，北京 100176)

以某項目天然氣壓縮機系統(tǒng)為例，分析了壓縮機出口管線止回閥逆流對系統(tǒng)的危害，研究了逆流過程中泄漏量的計算方法及影響泄漏量的主要因素，指導(dǎo)了低壓系統(tǒng)安全閥的設(shè)置，保障了壓縮機系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和工藝系統(tǒng)的安全性。

天然氣壓縮機；止回閥；泄漏量；孔板；安全閥

止回閥是石油化工裝置中較常見的閥門類型，主要目的是防止管道內(nèi)流體介質(zhì)倒流、保護設(shè)備及管道的安全，主要應(yīng)用于離心泵系統(tǒng)、壓縮機系統(tǒng)、高低壓系統(tǒng)分界等處的工藝管線設(shè)計中。常用止回閥根據(jù)結(jié)構(gòu)型式主要分為升降式止回閥、旋啟式止回閥、斜盤式止回閥、雙板式止回閥以及軸流式止回閥等，雖然上述止回閥在密封效果、啟閉噪音、壓力降及生產(chǎn)成本等方面各有特點，但止回閥只能在一定程度上緩解流體從高壓系統(tǒng)流至低壓系統(tǒng)，而無法完全避免高壓系統(tǒng)流體至低壓系統(tǒng)的逆流現(xiàn)象[1]。一旦低壓系統(tǒng)為封閉空間，止回閥的泄漏量還會引起低壓系統(tǒng)超壓，形成安全隱患。因此止回閥的逆流泄漏不僅影響工程建設(shè)的投資和裝置的正常生產(chǎn)，還會影響管道以及設(shè)備系統(tǒng)的安全性。因此，分析止回閥泄漏對工藝系統(tǒng)的負面影響，尋求消除該影響的有效措施是非常重要的。

本文以某項目天然氣壓縮機系統(tǒng)為依托，分析了壓縮機出口管線止回閥逆流對系統(tǒng)的危害，參照規(guī)范要求，找到了計算逆流過程中泄漏量的計算方法，計算了逆流泄漏量，指導(dǎo)了低壓系統(tǒng)安全閥泄放工況的設(shè)計和選取，維持壓縮機系統(tǒng)穩(wěn)定運行的同時，保障了低壓系統(tǒng)的安全性。

1 計算基礎(chǔ)

1.1 壓縮機增壓外輸流程描述

來自壓縮機入口管線(物流1)的低壓天然氣經(jīng)天然氣壓縮機增壓后(物流2)，與來自天然氣氣化外輸管網(wǎng)(物流3)混合后一起進入天然氣外輸總管外輸(物流4)。在天然氣壓縮機出口管線上設(shè)置有設(shè)定壓力為5000kPaG的安全閥，如圖1所示。

圖1 天然氣壓縮外輸圖

Fig.1 The pressurized nature gas send out drawing

當(dāng)天然氣壓縮機運行時，物流2的操作壓力為4500 kPaG，同外輸總管的操作壓力相同；當(dāng)天然氣壓縮機不運行時，由于止回閥密封性能差，來自天然氣外輸總管的天然氣會維持物流2的高壓狀態(tài)，當(dāng)物流3的操作壓力增大時，物流4和物流2的操作壓力會相應(yīng)的增加，由于物流2管線的設(shè)計壓力(5000kPaG)低于外輸總管的設(shè)計壓力(7800kPaG)，物流2管線存在安全隱患，必要時應(yīng)考慮設(shè)置壓力高高聯(lián)鎖等控制手段，并保證安全閥的泄放量能滿足該工況的止回閥逆流泄漏量。

1.2 主要工藝參數(shù)

天然氣增壓機系統(tǒng)物流的主要工藝參數(shù)及天然氣的主要物性詳見表1～2所示。

表1 天然氣壓縮機系統(tǒng)物流的主要工藝參數(shù)Table 1 The main process parameter of nature gas compressor stream

表2 外輸總天然氣的主要物性Table 2 The main property of nature gas send out header

1.3 止回閥泄漏面積確定

規(guī)范[2]提供了估算止回閥微量泄漏的假設(shè)和方法，如下所示。

(1)止回閥泄漏面視為孔板截面；

(2)孔板截面積按照止回閥截面積的1%考慮；

(3)流經(jīng)孔板的流體物性按照實際泄放狀態(tài)考慮；

(4)孔板上游按照最大可能操作壓力考慮；下游按照安全閥超壓狀態(tài)對應(yīng)的泄放壓力考慮。

由于此項目中止回閥尺寸為6''，止回閥泄漏面面積約為176mm2，孔板上游最大壓力7800kPaG，下游安全閥的泄放壓力為5500kPaG。

2 孔板的流通量計算公式

2.1 孔板流體的流型號判斷

作為一種節(jié)流裝置，孔板的基本原理和其它的截流裝置如調(diào)節(jié)閥、噴咀、短管都是一致的。對于一定孔徑的孔板，當(dāng)孔板前后的壓力降超過一定數(shù)值(臨界壓力降)，流體通過孔板縮孔處的流速達到音速，不論如何降低出口壓力，只要孔板上游的壓力保持一定，流量將維持一定的數(shù)值而不再增加[3-5]。

根據(jù)規(guī)范[6]要求，流體流經(jīng)孔板的流動狀態(tài)分為臨界流和亞臨界流類別，判別依據(jù)如公式(3)所示。

其中：P0——大氣環(huán)境壓力(kPaA)，取值101.325kPaA；

P1——安全閥的設(shè)定壓力(kPaG)，取值5000kPaG；

P2下游管線的最大操作壓力(kPaA)，取值為5601.325kPaA；

P3上游管線的最大操作壓力(kPaA)，取值為7901.325kPaA；

Pcf臨界流壓力(kPaA)；

k——天然氣的絕熱指數(shù)，取值為1.31。

如符合公式(3)，則安全閥泄放過程中流體的流動過程為臨界流，否則為亞臨界流。

將上述數(shù)據(jù)帶入公式(1)、(2)和公式(3)后計算得到 為4297.7kPaA，小于 ，由此判斷流體流經(jīng)孔板的為亞臨界流。

2.2 亞臨界流的孔板計算公式

亞臨界流下孔板的流量和孔徑間的關(guān)系可采用公式(4)進行計算[7]，如下所示。

其中：w——流體的質(zhì)量流量(kg/h)；

C——孔板流量系數(shù)，由 和 值查規(guī)范[7]的附圖可得；

d0——孔板孔直徑(m)，取值0.015；

D——止回閥直徑(m)，取值0.15；

P3——孔板前壓力(PaA)，取值為7901325；

P2——下游管線的最大操作壓力(PaA)，取值為5601325；

M——氣體相對分子量，取值16.04kg/kmol；

Z——壓縮系數(shù)，取值0.864；

T——泄放溫度(K)，取值303 K；

K——天然氣的絕熱指數(shù)，取值為1.31。

經(jīng)公式(4)計算流經(jīng)孔板的最大質(zhì)量流量為4750kg/h。通常天然氣壓縮機出口管線安全閥泄放工況考慮下游系統(tǒng)堵塞工況，此工況下安全閥的泄放流量為正常流量的1.1倍，泄放流量約為3850kg/h。而出口管線止回閥泄漏量為4750kg/h，大于堵塞工況的泄放量3850kg/h，因此該壓縮機出口管線的安全閥泄放量應(yīng)考慮止回閥泄漏的工況，才能保證工藝系統(tǒng)的安全。

2.3 影響亞臨界流型的因素分析

通過上述計算可以看出，影響天然氣壓縮機出口管線止回閥逆流泄放量的因素具體如下所示：

(1)天然氣外輸總管的最大允許操作壓力。壓力越高，止回閥逆流泄漏量越大；

(2)天然氣壓縮機出口管線止回閥的直徑。出口管線的直徑越大，止回閥的直徑越大，止回閥逆流泄漏量越大；

(3)壓縮機出口安全閥的設(shè)定壓力及超壓。當(dāng)流體流經(jīng)孔板為亞臨界流狀態(tài)時，安全閥的設(shè)定壓力和超壓越大，止回閥逆流泄漏量越?。划?dāng)流體流經(jīng)孔板為臨界流狀態(tài)時，止回閥逆流泄漏量受安全閥設(shè)定壓力和超壓影響較小；

(4)天然氣的組成。天然氣組成中重組分的摩爾分數(shù)越多，分子量越大，止回閥逆流泄漏質(zhì)量流量越大；(5)止回閥的檢維修周期及維護水平。止回閥的檢維修水平越高，止回閥的密封性越能得到保障，止回閥逆流泄漏量越小。

3 結(jié)論

針對本項目的天然氣壓縮機系統(tǒng)，分析了壓縮機出口管線止回閥逆流對系統(tǒng)的危害，計算了止回閥逆流泄漏量，指導(dǎo)了低壓系統(tǒng)安全閥泄放工況的設(shè)計和選取，結(jié)論如下所示：

(1)本系統(tǒng)止回閥泄漏面視為孔板截面；

(2)孔板截面積按照止回閥截面積的1%考慮；

(3)天然氣壓縮機止回閥逆流泄放過程為亞臨界流流型；

(4)天然氣外輸總管的最大允許操作壓力、管線直徑、安全閥設(shè)定壓力和超壓、天然氣組成以及止回閥的檢維修等因素均可影響止回閥逆流泄放量。

綜上所述，分析計算天然氣壓縮機出口止回閥的逆流泄漏量是十分必要的。準確合理的計算泄放量不僅可以保障裝置的正常生產(chǎn)和管道設(shè)備系統(tǒng)的安全性，還有助于止回閥供貨商和設(shè)計人員提高對止回閥泄漏造成后果的認識，為技術(shù)的發(fā)展進步打下基礎(chǔ)。

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(本文文獻格式：王 巖，楊 歡.壓縮機出口止回閥泄漏量的計算[J].山東化工，2017，46(12)：110-111,114.)

2017-04-18

王 巖(1983—)，河北獻縣人，工程師，2011年畢業(yè)于北京科技大學(xué)車輛工程專業(yè)，現(xiàn)在北京航天石化技術(shù)裝備工程有限公司從事閥門市場推廣工作。

TH134; TH45

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