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        爆破片額定泄放能力的計(jì)算

        2021-01-08 04:29:30王永貴
        化工設(shè)計(jì) 2020年6期
        關(guān)鍵詞:安全閥計(jì)算方法阻力

        王永貴

        德希尼布化學(xué)工程(天津)有限公司上海分公司 上海 200030

        在石油化工生產(chǎn)中,反應(yīng)器、塔、容器和管道等通常都是在一定壓力下工作的,當(dāng)生產(chǎn)裝置開(kāi)停工,以及在停水、停電等公用工程故障、火災(zāi)、誤操作等非正常生產(chǎn)及緊急狀態(tài)下,設(shè)備會(huì)發(fā)生超壓,嚴(yán)重威脅著流體壓力設(shè)備的安全運(yùn)行,有時(shí)甚至?xí)劤芍卮鬄?zāi)難性事故。安全泄放是防止流體壓力設(shè)備發(fā)生超壓破壞的有效手段,將設(shè)備內(nèi)壓力限定在安全范圍內(nèi)。爆破片和安全閥是目前使用的兩類(lèi)主要的安全泄放裝置。

        爆破片技術(shù)自上世紀(jì)70年代引入我國(guó),經(jīng)過(guò)幾十年來(lái)的技術(shù)研發(fā)和經(jīng)驗(yàn)沉淀,這種流體壓力設(shè)備防超壓安全泄放技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。它與傳統(tǒng)的安全閥技術(shù)相比,具有很多突出特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),應(yīng)用也十分廣泛。爆破片是壓力系統(tǒng)中人為設(shè)置的強(qiáng)度相對(duì)薄弱點(diǎn),當(dāng)系統(tǒng)超壓時(shí),爆破片破裂打開(kāi)泄壓,從而保護(hù)設(shè)備和管道。爆破片裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏、準(zhǔn)確、快速、泄放能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),能夠在高粘度、固體顆粒、腐蝕等惡劣環(huán)境下可靠地工作,廣泛應(yīng)用于石油、化工、輕工、冶金、核電等工業(yè)部門(mén)。

        作為流體壓力設(shè)備的主要安全泄放裝置,安全閥與爆破片各有其優(yōu)缺點(diǎn)。

        安全閥和爆破片的泄放量計(jì)算方法是相同的,按照API520定義的超壓工況進(jìn)行逐一分析,計(jì)算每種工況的泄放量。安全閥的最大優(yōu)點(diǎn)是具有自動(dòng)復(fù)位功能,但密封性能差,其在釋放壓力保護(hù)設(shè)備方面具有維護(hù)簡(jiǎn)單、效率高等特點(diǎn)。 爆破片最大優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)密封,可實(shí)現(xiàn)全密閉,成本低、動(dòng)作靈敏、泄放面積大、維護(hù)簡(jiǎn)單;但其最大缺點(diǎn)是無(wú)自動(dòng)復(fù)位功能,是一次性的,超壓爆破后必須更換新的爆破片。

        1 爆破片分類(lèi)

        爆破片分為正拱型爆破片和反拱型爆破片兩大類(lèi),正拱型爆破片又分為普通正拱型爆破片、正拱開(kāi)縫型爆破片、正拱帶槽型爆破片;反拱型爆破片又分為反拱帶刀型爆破片、反拱腭齒型爆破片、反拱帶槽型爆破片。它們的使用和區(qū)別可以參考相關(guān)規(guī)范和書(shū)籍。

        2 爆破片額定泄放能力的計(jì)算

        爆破片的選型和尺寸的確定首先要確定被保護(hù)設(shè)備需要的泄放量,根據(jù)API520定義的超壓工況進(jìn)行逐一分析,計(jì)算每種工況的泄放量,確定主導(dǎo)泄放工況,然后進(jìn)行爆破片尺寸的計(jì)算,選定爆破片的額定泄放能力必須大于泄放工況需要的安全泄放量。

        2.1 泄放介質(zhì)為氣相的泄放能力計(jì)算

        關(guān)于泄放介質(zhì)為氣體的泄放能力計(jì)算有兩種方法,下面分別介紹。

        2.1.1 計(jì)算方法一

        基于漸縮噴管內(nèi)等熵流動(dòng)分析得出[1],

        (1)

        (2)

        (3)

        式中,W為爆破片的泄放能力,kg/h;λ為額定泄放系數(shù),取λ=0.62或由制造商提供;C為氣體特性系數(shù),查圖或按公式(2)計(jì)算;P0為爆破片泄放側(cè)壓力(絕對(duì)壓力),MPa(A);P為爆破片設(shè)計(jì)爆破壓力(絕對(duì)壓力),MPa(A);k為氣體的絕熱指數(shù);A為爆破片的泄放面積,mm2;M為氣體的分子量;T為泄放介質(zhì)溫度,K;Z為氣體的壓縮因子。

        由于式(1)需要已知爆破片泄放側(cè)壓力,在實(shí)際計(jì)算中將泄放系統(tǒng)末端設(shè)備作為起始點(diǎn),從后面分段計(jì)算壓力降,直至爆破片出口。

        2.1.2 計(jì)算方法二

        對(duì)于泄放介質(zhì)是可壓縮流體,上述計(jì)算過(guò)程十分繁瑣,所以本文推薦另一種流體阻力系數(shù)法[2]。

        爆破片裝置是裝在與設(shè)備連接的管道上,爆破片裝置的上下游肯定存在管道、彎頭、三通、異徑管和閥門(mén)等管道附件,爆破片裝置將和其他管件一樣對(duì)整個(gè)管路系統(tǒng)形成局部阻力,即流體在流經(jīng)破裂的爆破片裝置(包括爆破片和夾持器)時(shí)形成的速度損失??紤]到實(shí)際管件配置和測(cè)試裝置的不一致性,故將計(jì)算公式乘以不大于0.9的數(shù)作為對(duì)該方法的修正。

        (4)

        式中,Y為 膨脹系數(shù);d為管道內(nèi)徑,in;K為總阻力系數(shù);V1為體積密度,ft3/lb;dp為進(jìn)出口壓差,psi。

        公式(4)物理量單位為英制單位,轉(zhuǎn)化為國(guó)際單位可得到下面公式[3]:

        (5)

        式中,W為質(zhì)量流量,kg/h;Y為 膨脹系數(shù);d為管道內(nèi)徑,mm;K為總阻力系數(shù) ;V1為體積密度,m3/kg;dp為出口壓差,bar;P1′為爆破片進(jìn)口側(cè)壓力,bar(a);P2′為爆破片出口側(cè)壓力,bar(a)。

        2.1.3 計(jì)算實(shí)例

        某介質(zhì)精餾塔設(shè)計(jì)壓力為3bar(G),爆破片爆破壓力為3bar(G),泄放介質(zhì)為氣相(絕熱指數(shù)k=1.4, V1=0.162 m3/kg),操作溫度為80℃,需要泄放量為8500kg/h, 泄放背壓為1bar(A),泄放管道管徑為DN100,求爆破片破裂時(shí)的額定泄放能力。

        (1)確定管道系統(tǒng)總阻力系數(shù)K。管路系統(tǒng)流體阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

        表1 管路系統(tǒng)流體阻力系數(shù)計(jì)算結(jié)果

        表2 臨界狀態(tài)極限系數(shù)

        對(duì)于亞臨界流動(dòng)的流體,Y值可查圖1確定。

        圖1 膨脹系數(shù)Y與Δp/的關(guān)系曲線

        2.2 泄放介質(zhì)為液相的泄放能力計(jì)算

        2.2.1 計(jì)算方法一

        泄放介質(zhì)為液體時(shí)爆破片的泄放能力可由下式計(jì)算:

        (6)

        2.2.2 計(jì)算方法二

        泄放介質(zhì)為液體時(shí),還有另外一種計(jì)算方法,即基于伯努利方程的流動(dòng)阻力系數(shù)法。

        (7)

        圖2 雷諾數(shù)Re與校正系數(shù)ε的關(guān)系

        式中,W為質(zhì)量流量,kg/h;d為管道內(nèi)徑,mm;ΔP為管路起止點(diǎn)壓差,bar;ρ為液體密度,kg/m3;K為管路系統(tǒng)總阻力系數(shù)。

        計(jì)算液體泄放時(shí),計(jì)算過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單,這里不舉例介紹了。

        3 結(jié)語(yǔ)

        爆破片在石油化工和精細(xì)化工行業(yè)雖然沒(méi)有安全閥應(yīng)用廣泛,但它在特有場(chǎng)合也無(wú)可替代。關(guān)于爆破片的計(jì)算、設(shè)計(jì)和選型,國(guó)內(nèi)的規(guī)范涉及較少,詳細(xì)的計(jì)算需要參考國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,本文介紹了氣體和液體兩種介質(zhì)的計(jì)算方法,可根據(jù)實(shí)際已知參數(shù)選擇適合的計(jì)算方法。

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