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一種安全閥排放管線的快速設計方法

文檔作者：文征，王玲利，王曉雷文檔來源：中國寰球工程公司華北規(guī)劃設計院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年12月03日
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蘑勞攫 石油化工設計 Petrochemical Design
一種安全閥排放管線的快速設計方法
文 征，王玲利，王曉雷
(中國寰球工程公司華北規(guī)劃設計院，河北涿州072754)
摘要：介紹了一種安全閥排放管線的快速設計方法。此方法將安全閥排放管線內(nèi)的流動狀態(tài)分為，臨
界流動和亞臨界流動。對設定壓力高的安全閥，通過在兩種流動狀態(tài)下，對排放管線尺寸計算結果的比
較分析，得出將排放過程中的流動狀態(tài)控制在臨界流，可以得到經(jīng)濟合理的排放管線尺寸。此方法不同
于API521中推薦的倒推法和Lapple法，它是建立在臨界流原理上的一種計算方法。此方法原理清晰，計
算簡便靈活，可以滿足工程設計需要。
關鍵詞：安全閥排放管線臨界流亞臨界流
安全閥是石油天然氣工業(yè)生產(chǎn)裝置里最重要
的保護裝置¨ ]。對于它的設計，特別是喉徑尺寸
的計算方法和結果已廣泛使用并廣為接受。但對
于安全閥排放管線尺寸計算，由于計算原理不同，
導致各種方法間計算結果相去甚大。如過度設計
不會相應增加保護功能，反而因排放管線尺寸增
大而造成重量增大、安裝困難、成本增加等問題。
根據(jù)API521中的推薦方法，目前最常見的計
算安全閥排放管線的方法是倒推法 。此方法的
原理是：一般從安全閥排放管線末端出口開始計
算，確定出口壓力(即火炬管網(wǎng)或大氣壓力)，然后
反推校核排放管線人口壓力，即安全閥背壓是否
滿足設計要求。對高速流體而言，由于計算過程
忽略了排放管線出口阻力損失，因此由此方法得
出的管線尺寸會過度設計。API521中推薦的另一
種方法是“Lapple”法 ，此方法是基于理想噴嘴
和絕熱流動條件下的理論臨界質量流量。它首先
假設一個排放管線入口壓力，確定一個臨界質量
流量作為排放管線計算的起點，再用實際質量流
量與臨界質量流量比、摩擦阻力和下游對上游壓
力比的函數(shù)關系確定管徑。此方法避免了忽略出
口阻力損失(即管線出口速度小于倒推法確定的
速度)，但計算過程比較復雜，且必須配合相關曲
線圖使用。
1 臨界流法原理
臨界流法是用臨界狀態(tài)將安全閥排放管線內(nèi)
的流動分成臨界狀態(tài)和亞臨界狀態(tài)分別考慮的。
同時必須滿足人口壓力不超過安全閥超壓和必須
通過安全閥額定排放量這兩個要求。
此方法基本原理是在安全閥出口選取可接受
的背壓，一般是安全閥超壓；然后利用臨界流原理
判斷是否存在臨界流，再計算當排放管線出口處
達到臨界流時的臨界壓力和臨界速度；最后調節(jié)
管徑從而確定整個排放管線。具體步驟為：
1)確定安全閥出口最大可接受背壓，一般為
安全閥超壓；2)確定臨界質量流量為選定安全閥
喉徑的額定流通能力；3)判斷排放管線出口處流
體流型是否為I臨界流；4)如判斷排放管線出口處
為臨界流，確定臨界壓力和臨界流速；5)根據(jù)臨界
質量流量、臨界壓力、臨界流速的函數(shù)關系確定臨
界質量流量下的臨界管徑；6)調整管徑，一般要滿
足排放管線直徑大于等于安全閥出口尺寸。
2 臨界流法計算實例
某安全閥泄放條件如表1。排放管線入口壓
力取安全閥設定壓力的10％(允許的最大值)，用于
計算排放管線出入口物性。表2顯示了相關數(shù)據(jù)。
收稿日期：2014—02—18。
作者簡介：文征，男，2007年畢業(yè)于北京化工大學物理
化學專業(yè)，碩士，工程師，注冊化工工程師，主要從事
石油化工工程設計工作。聯(lián)系電話：010—61918725：
E—mail：4053 12590@qq．tom
石油化工設計 2014年第3期(第31卷)
表1 某安全閥閥泄放條件
項目 數(shù)值 項目 數(shù)值
設定壓力(表)／MPa 4 分子量／(kg·kmol ) 23．76
超壓 lO％ 密度／(kg·m。) 45．68
泄放溫度／℃ 60 壓縮因子 0．845 3
安全閥尺寸 6Q8 粘度／cp 0．013 15
額定泄放量／(kg·h ) 240 307 背壓(表)／kPa 50
絕熱指數(shù) 1．399
注：物料組分[％(too1)]：60CH4、25C2H6和15C3H8。
表2 排放管線物性
項目 人口 出口
壓力(表)／kPa 400 l8l
溫度／℃ 35．83 34．38
密度／(kg·m ) 4．742 2．656
分子量／(kg·kmol ) 23．76 23．76
絕熱指數(shù) 1．210 1．2l3
壓縮因子 0．9776 0．9872
1)確定計算起始壓力P ，P1=4 000 X 10％ +
101=501 kPa(絕)。
2)用排放管線入口條件判斷流型_4]：P ／P =
[2／( +1)] ‘ ¨；P f=282 kPa>151 kPa(背
壓)，即存在臨界流。
3)用出口物性確定排放管線出口處臨界速度
U =(10 kRT／M) =361 m／s 。
4)確定臨界管徑：d=[4 ／(3 6001rpU )]
= 298 mm(11．7 in)。
上式中：P 為排放管線入口壓力，kPa；P 為臨
界壓力，kPa；U ：臨界速度，m／s；．iI為絕熱指數(shù)；R
為氣體常數(shù)，8．3145 J／(mol·K)；T為排放管線出
口溫度，K；W 為臨界流量，kg／h；p為密度，kg／m ；
為分子量，kg／kmol。
由臨界管徑和壓降△P=P。一P 可確定一個
臨界的當量長度，此當量長度可作為：排放管線設
計是否滿足符合通過額定泄放量和安全閥背壓不
超過安全閥超壓這兩個必要的設計要求的判斷標
準。為了比較排放管線入口壓力與管徑選取之間
的關系，即臨界流與亞臨界流對管徑選取的影響，
選取排放管線入口壓力分別為設定壓的8％ 、6％ 、
4％ 、2％ 進行計算，其計算結果見表3。
表3中顯示的6個工況，工況4表示當排放系
統(tǒng)壓力恰好是臨界壓力時的排放過程；工況1、2、3
為臨界流動；工況5、6表示亞臨界流動。
表3 不同排放管線入口壓力下結果比較
工況編號 1 2 3 4 5 6
超壓 1O％ 8％ 6％ 50 kPa(表)一(4．2％ ) 4％ 2％
臨界壓力／kPa(絕) 282 237 l92 l51 147 102
臨界流判斷 是 是 是 是 否 否
臨界速度／(m ·s ) 361 36l 361 361
馬赫數(shù) 1．O 1．0 1．O 1．O 0．73 0．73
計算管徑／in(mm) 11．7(297．18) 12．8(325．12) 14．2(360．68) l6．O3(407．16)
選擇管徑／in(mm) l2(304．8) 14(355．6) l6(406．4) 18(457．2) 2O(508) 2O(508)
當量長度／m 33 38 52 61 101 48
：表示排放管線人口壓力為設定壓力的百分比； ：表示排放管線出口臨界壓力等于背壓時的超壓。
由結果可知，① 當排放管線存在臨界壓力時， 要求采用其它合理的方程計算。所以此方法具有
排放過程控制在亞臨界流動將使管線過度保守設 原理清晰，計算簡便靈活，可靠性高的特點。
計(工況5、6)。當排放管線通往大氣，即排放系
統(tǒng)壓力降低，或安全閥設定壓力提高，排放過程控
制在臨界流動會得到經(jīng)濟合理的設計(工況1、2、
3)。②當排放過程不存在臨界壓力，即排放處于
亞臨界狀態(tài)，用倒推法將得到合理的結果(比較工
況5、6)。因為此時排放管線出口阻力將可以忽
略。③為了能使排放控制在臨界流狀態(tài)，必須對
排放管線當量長度進行限制。
綜上所述，臨界流法考慮了排放管線特點和
工程設計實際，盡可能用最簡單的方法涵蓋大多
數(shù)工程應用；同時，每一計算步驟都可以根據(jù)實際
參考文獻：
[1] 李會英．淺析石油化工裝置安全閥進出口管道設計[J]．中
國化工貿(mào)易，2012，(5)：84．
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