常规塔系统安全阀泄放量分析_董艳玲.pdf

在石油化工生产过程中，随着化工生产过程的连续化和自动化程度不断加深，安全生产成为重中之重。安全泄放装置作为压力容器等的安全附件，是石油化工装置的安全屏障，为防止由于火灾、操作失误、停水停电等原因可能出现的设备及管道系统超压，工程设计人员普遍优先采用安全阀来达到安全泄放的目的。安全阀泄放量的计算正确与否关系到安全阀的选型是否合理，也关系到设备和人身的安全防护。安全阀泄放工况分析一般参照 API521-2020 泄压和减压系统 中的表 1。塔系统作为化工装置中普遍存在的分离系统，其某些工况之间相互制约，因此其安全阀泄放计算具有一定的典型性且相对复杂。本研究结合工程中遇到的案例，对某一塔系统进行了安全泄放分析。1流程简述常规塔系统包含塔，进料泵，塔底再沸器（内置再沸器、外置热虹吸式再沸器等），塔底出料泵，塔顶冷凝器（水冷器、空冷器等），塔顶回流泵，塔顶回流罐等。因此塔系统的安全泄放分析不同于一般的单一操作，需按系统整体分析，比如火灾、塔釜过度热量输入、控制阀故障等，并考虑由初始工况引起的间接工况的排放；精馏塔安全阀的泄放量应根据释放压力下系统的物料和热平衡来确定，但精馏塔在超压工况下处于不稳定状态，各项工艺参数都会改变1。本研究采用的塔系统流程如图 1 所示。化工设备常规塔系统安全阀泄放量分析董艳玲福陆（中国）工程建设有限公司（上海200120）摘要塔系统作为化工装置中常用的分离系统，其安全阀泄放量分析与计算是工程设计中的重点和难点。对某塔系统的安全阀泄放工况（如火灾、换热管破裂、塔釜过度热量输入、公用工程故障、调节阀故障等）进行了分析，可对一些常见塔系统安全阀的工况分析提供一定的参考。关键词塔安全阀泄放分析中图分类号TQ 053.5作者简介：董艳玲女1985 生硕士研究生工程师主要从事石化工程项目工艺设计工作图 1塔系统流程Vol.48 No.1Feb.2023上 海 化 工Shanghai Chemical Industry40 DOI:10.16759/ki.issn.1004-017x.2023.01.055表 1F 取值设备类型F无保温的容器1.0有防火保温的容器的保温材料传热系数/W/（m K）3.275（4）0.31.638（2）0.150.819（1）0.0750.548（0.67）0.050.409（0.5）0.03760.327（0.4）0.030.270（0.33）0.026水喷淋系统，无保温的容器1.0减压或排空设施1.0覆土储罐0.03埋地储罐0.02不同工况下的泄放分析及计算2.1外部火灾（1）着火面积保守估计，在不考虑任何其他管理因素的情况下，着火面积通常在 230460 m2之间；如在详细设计中考虑可燃物来源的位置，倒流（倒空）及障碍物，火灾面积可适当缩小。该计算中的塔系统包含塔，再沸器，泵（进料泵、出料泵及回流泵），塔顶水冷器。结合设备布置及火灾面积考虑，该塔系统可划在一个火灾面积区域内。（2）容器的润湿面积容器内液面之下的面积统称为润湿面积，外部火焰传入的热量通过润湿面积使容器内的物料汽化。容器的润湿面积以距地面 7.5 m 或能形成大面积火焰的平台之上 7.5 m 高度范围内的容器外表面积与最高正常液位以下的外表面积相比较，取二者中较小值（HG/T 205701995 工艺系统工程设计技术规范。API 521-2020 中以 7.6 m（25 in）作为基准，二者略有差别。本文计算采用 API 中的 7.6 m。针对该塔系统，涉及的 7.6 m 以下的设备及管道的润湿面积考虑如下：分馏塔：塔底正常最高液位和塔盘上液体部分的面积之和（裙座面积不计算在内，有良好的通风情况下除外）。再沸器：对应高度下的外表面积，对于管壳式换热器，不区分管壳程。管道：该火灾面积区域内对应高度以下的管面积之和。由于设备或管道暴露在外部火灾中导致的热量输入计算公式见式（1）。Q=C1FAWS0.82（1）其中：Q 为总热量输入，W；C1为常数，无足够的消防保温措施和不能及时排走地面泄漏的物料措施时取43200，有足够的消防保温措施和能及时排走地面泄漏的物料措施时取 70 900；F 为环境因子，取值见表 1。质量泄放量的计算见式（2）。W=Q/Hl（2）其中：W 为质量泄放量，kg/h；Hl为泄放条件下的汽化热，kJ/kg。对应该系统中计算如下：结合平立面布置、设备装配图、管道布置图，求得设备和管道的火灾润湿面积之和。对未考虑防火保温的塔系统，如普通的保温隔热等，F 通常取 1.0；只有明确采用防火保温时，F取 0.3，其他工况下的 F 取值见表 1。在 F 取 1.0 时，外部火灾工况通常是安全阀泄放量中最大的。因塔系统采用普通保温材料，F 取 1.0，C1取 70900，Hl通过模拟泄放压力下的物性数据得到，带入公式，求得泄放量。2.2再沸器故障换热管完全破裂，大量高压侧流体流向低压侧，是不常发生但可能存在的工况。在实际操作过程中，轻微的泄漏很少会使换热器超压，但在低压侧被封闭的情况下，这种泄漏可能造成超压。内压设备的水压试验压力，在 GB 1502011 压力容器 中为 1.25倍的设计压力（在某些情况下可用最高允许工作压力代替）乘以温度矫正系数，在 ASME B31.3-2020工艺管道 中为 1.3 倍的设计压力乘以温度矫正系数。因此，有换热管泄漏、破裂的情况发生时，若换热器中高压侧设计压力低于低压侧的 1.25 倍或 1.3 倍（温度矫正系数需相应考虑），换热器低压侧可不设置安全阀，反之，低压侧应考虑设置安全阀。2.2.1换热管泄漏当换热器设计不能满足上述压力倍数要求时，低压侧应设置安全阀。在某项目中，换热管泄漏按5 mm 孔通过的流体量考虑，孔板计算可按照 ISO5167-2:2003用安装在圆形截面管道中的差压装置测量满管流体流量第 2 部分：孔板 中的公董艳玲：常规塔系统安全阀泄放量分析第 1 期41 式进行。2.2.2换热管破裂换热管破裂工况下，蒸汽或气相介质的流量按2 倍的换热管横断面面积计算。常规换热管有 19mm，25 mm 两种，对应一个比较大的泄放量。如工艺侧为低压侧，且换热器符合高压侧设计压力满足1.25/1.3 倍数关系，蒸汽与低压侧物料如能形成共沸，则需根据具体情况分析。2.2.3过度热量输入当过量蒸汽输入时，在进料量和回流量保持不变的情况下，过量蒸汽产生的热量会传递给塔底物料。计算进料量和回流量在泄放压力下对应的饱和温度，比较该饱和温度与塔釜热源温度的关系6，也可比较热源极限温度下对应汽化压力与泄放压力的关系。（1）如果泡点温度高于塔釜热源温度，在泄放压力下，塔内物料由热源加热至极限温度（即跟热源温度一致，实际由于传热温差的存在，并不会达到）也不会汽化（未达到塔内物料的泡点温度），因此安全阀不会起跳。（2）如果泡点温度低于塔釜热源温度，说明塔釜过量热源的输入会使塔内物料在泄放压力下产生一定量的气相（需要泄放的气量），即过度热量输入时在泄放压力下产生的气相量减去冷凝器冷凝的气相量。计算过度热量输入时可取以下两种算法中较小的数值。按通过换热器的最大蒸汽量提供的热量计算Q=mmaxhv（3）其中：Q 为最大热量输入，kW；mmax为蒸汽的质量流量，kg/s；hv为蒸汽的冷凝潜热，kJ/kgmmax有两种算法：一是计算换热器入口调节阀失效能提供的最大蒸汽量。如调节阀故障时处于失效开启（FO）状态，调节阀全开时通过的蒸汽量很大，为减小蒸汽通过量，有时会加孔板限流，此时mmax按孔板通过的蒸汽量计算；如为热虹吸再沸器，则会受到热推动力的影响。二是计算换热器入口蒸汽管线上游安全阀起跳时通过的最大蒸汽量。此时压差变大，上游压力可按安全阀起跳压力的 1.1 倍考虑。该情况下的凝结热焓即安全阀起跳压力下对应饱和温度下的冷凝潜热。按换热器的最大对数平均温差计算Q=kATmax（4）其中：k 为换热器的总传热系数，kW/(m K)，取换热器清洁时的传热系数；A 为换热器实际的换热面积，m2；Tmax为最大对数平均温差。该工况可能发生在换热器入口蒸汽管线上安全阀起跳时，蒸汽侧温度取安全阀起跳压力下对应的饱和温度值；此时加热介质参数发生变化，需重新模拟物料侧被加热后的温度。（3）对于热虹吸式再沸器，其动力源是塔釜液位产生的静压头和管内流体的密度差，塔釜依靠静压头和密度差来克服热虹吸过程的流动阻力。随着塔釜汽化量的增加，流动阻力增大，当静压头和密度差刚好克服流动阻力从而维持热虹吸过程时，对应的塔釜再沸器产生的蒸汽量即为过度热量输入中的极限值。如果计算所得因过度热量输入使塔内物料的气相量对应的热虹吸流动阻力小于动力值，那么这部分气相量减去塔顶冷凝器能够液化的物料量，即为该工况的安全所需泄放量。如果计算所得因过度热量输入使塔内物料的气相量对应的热虹吸流动阻力大于动力值，就需要反算动力源刚好克服热虹吸流动阻力时的气相量，该值减去塔顶冷凝器能够液化的物料量即为该工况的安全阀所需泄放量。2.3公用工程故障2.3.1电力故障电力故障通常是指在厂区停止供电时，用电机驱动的泵、压缩机、空冷电机或阀门等会停止运行，从而引起如出口阀关闭、冷却失效、冷凝失效及回流故障等工况。该系统中涉及的是塔顶回流泵、进料泵及塔釜出料泵。进料泵停止运行不会造成该系统超压；塔顶回流泵停止运行时，塔顶设置的安全阀的泄放量为该事故工况下进入塔顶冷凝器的塔顶气量在泄放压力下对应的排放量（如有侧线回流，侧线回流量应被扣除）；塔釜出料泵停止运行时，会造成塔釜液位变高，严重时会超过挥发管高度，从而增大塔釜液循环的阻力，影响传热而使传热效果变差，塔釜温度下降，此时不会引起超压。断电工况又分局部断电和全厂断电。局部断电时以上工况单一分析即可；如遇全厂断电，则是所有上 海 化 工第 48 卷42 泵停止运行加冷却水故障的工况。2.3.2循环水故障循环水故障时，用水冷却的冷凝器、冷却器及旋转或往复设备的夹套冷却会受到影响。该系统用水作为塔顶冷凝器冷源，塔顶水冷器失效工况下，塔顶安全阀的泄放量为进入该冷凝器的塔顶气相在泄放压力下对应的数值。2.3.3仪表风故障假定所有受保护的压力系统的最终控制元件在其既定的故障安全位置，当仪表风供气系统发生故障时，调节阀及报警联锁系统会受到影响，该系统中失气开或关的仪表阀会对泄放造成影响。2.3.4蒸汽故障蒸汽故障不会使单一精馏塔超压；如果是串联的双塔，当一塔（上游塔）蒸汽故障时，会导致一部分塔顶轻组分进入二塔（下游塔）作为二塔进料。此时，二塔的塔顶组分包括二塔正常进料分离的塔顶组分和一塔过来的轻组分，如果二塔冷凝器的能力不能使一塔轻组分冷凝，则二塔有超压的可能。2.4控制阀故障控制阀故障是指由动力源故障（如气动阀的仪表风故障、电动阀的电力故障），变送器信号故障等引起的阀门处于全开或全关状态。对于可压缩流体和不可压缩流体，计算调节阀流量系数 Kv时，不同的调节阀厂家有各自的计算公式，在选定厂家后，可以厂家 Kv值为准；在设计初期，以某一规范中公式为参考计算；首先需判断流体是否为阻塞流，根据是否为阻塞流选择不同的计算公式ISA-75.01.01-2007（60534-2-1MOD）尺寸控制阀用流量方程式 。2.4.1进料流量控制阀进料流量控制阀失效关闭（FC）时，对安全阀泄放无影响；失效开启时，当该进料阀开度增加时，进料量增加，对应塔釜蒸汽阀门开度增大，塔釜热源增加，塔釜有更多的液相被汽化，塔内气相负荷增大，可能引起超压。该工况的分析与计算类似于过度热量输入工况，此时进料量由正常流量改为该工况下调节阀全开时对应的进料量。2.4.2回流流量控制阀回流流量控制阀失效关闭时，等同于塔顶回流泵停止运行工况；失效开启时，回流量增大，精馏段液相负荷增加，塔顶上升气相遇大量液相冷却，不会造成安全阀超压。2.4.3塔顶产品流量控制阀塔顶产品流量控制阀失效关闭时，造成回流罐液位上升，严重时回流罐液相溢出至冷凝器，导致冷凝器失去换热能力，等同于循环水故障工况；失效开启时，可能引起回流罐液位过低，造成回流中断，等同于回流流量控制阀失效关闭工况。2.