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管殼式換熱器安全閥的設(shè)計分析

文檔作者：范振魯，劉登峰，粱澤濤文檔來源：中國石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計分公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年03月19日
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聚蕾技術(shù) 石油化工設(shè)計 Petrochemical Design
管殼式換熱器安全閥的設(shè)計分析
范振魯，劉登峰，粱澤濤
(中國石油工程建設(shè)公司華東設(shè)計分公司，山東青島266071)
摘要：通過結(jié)合行業(yè)規(guī)范和國外工程公司的做法，對管殼式換熱器各種泄放工況進行逐一分析，分別
研究了出口閥關(guān)閉、熱脹、火災(zāi)和換熱管破裂4種工況下的安全閥泄放，提出了管殼式換熱器在出1：2閥關(guān)
閉、火災(zāi)和換熱管破裂的工況木設(shè)置安全閥的設(shè)計方法和行政管理手段。同時每種工況下設(shè)置安全閥
時，通過計算公式說明了泄放量計算所需要的熱通量、受熱面積以及潛熱等參數(shù)，并對比分析了其它國際
工程公司的一些管殼式安全閥的設(shè)置原則，并列舉了工程應(yīng)用實例。
關(guān)鍵詞：管殼式換熱器安全閥 出口閥關(guān)閉 熱脹火災(zāi)換熱管破裂
1 換熱器安全閥泄放工況分析和實際應(yīng)用
換熱器安全閥的設(shè)置，需要考慮4種工況：出
口閥關(guān)閉；熱脹；火災(zāi)；換熱管破裂。管殼式換熱
器應(yīng)進行逐一工況超壓分析? ，換熱器安全閥設(shè)
計涉及換熱器安全管理、安全閥設(shè)置判斷分析、換
熱器泄放計算等非常復(fù)雜，困擾很多設(shè)計人員，為
此本文提出了設(shè)置安全閥時安全閥泄放量的詳細
計算方法。
2 出口閥關(guān)閉工況
1)管殼式換熱器冷側(cè)介質(zhì)出口閥關(guān)閉，熱側(cè)
介質(zhì)仍處于操作狀態(tài)，冷側(cè)可能會發(fā)生氣化引起
超壓，如圖1所示。若冷側(cè)介質(zhì)在熱側(cè)介質(zhì)入口
溫度下的飽和蒸汽壓不超過冷側(cè)設(shè)計壓力的1．3
倍，可不考慮該工況。否則，冷側(cè)需要設(shè)置安全
閥，冷側(cè)泄放量可按公式(1)、(2)計算：
W=Q(T。一Tb。)／[A(T 一t )] (1)
t =(t1+t2)／2 (2)
圖1 管殼式換熱器冷側(cè)出口閥關(guān)閉安全閥設(shè)置示意
2)實例(下文亦以“實例”使用)。以某硫酸
法烷基化裝置的烷基化油一循環(huán)堿水換熱器為
例，換熱器的型式為一臺BES500—1．75／1．45—55
— 6／25—4I，管程走冷堿水，殼程走烷基化油，操作
參數(shù)如見表l。
表1 換熱器的物性參數(shù)
參數(shù) 烷基化油 冷堿水
人口溫度／℃ l6l 49
出口溫度／oc 102 7l
流量／(kg·h-1) 20 220 34 415
操作壓力／MPa(表) 1．O7 1．40
設(shè)計壓力／MPa(表) 1．45 1．75
熱負荷／W 879 200 879 200
冷堿水在熱側(cè)烷基化油入口溫度161 oC時飽
和蒸汽壓(表)0．63 MPa，小于管程設(shè)計壓力(表)
1．75 MPa，故無需考慮冷側(cè)出口閥關(guān)閉氣化工況。
3 熱脹工況
1)換熱器冷側(cè)出人口閥或管路上相關(guān)的調(diào)節(jié)
閥等關(guān)閉，熱側(cè)仍然處于操作狀態(tài)，或從日光中吸
熱，冷側(cè)會發(fā)生熱膨脹而超壓，冷側(cè)需要設(shè)置安全
閥，烴類和水的典型膨膨脹系數(shù)見表2；泄放量可
由下式求解 ：
Wl=Ot ／1 000d (3)
收稿日期：2014—0l一03。
作者簡介：范振魯，男，2006年畢業(yè)于天津大學化學工
程與工藝專業(yè)，碩士，高級工程師，現(xiàn)從事石油煉制常
減壓蒸餾裝置和烷基化裝置工藝設(shè)計工作。聯(lián)系電
話：0532—80950766；E—mail：fanzhenlu@ cnpccei．cn
· 40· 石油化工設(shè)計 2014年第3期(第31卷)
液體體積膨脹系數(shù)也則可由求解 。 程假定停止。氣化或膨脹吸熱僅來源于外部火
= (P —P；)／[2( 一T )PIP ] (4) 源?；馂?zāi)包括外部池火(可燃液體著火)、噴射火
表2 烴類和水的典型膨脹系統(tǒng) 災(zāi)(可燃氣體著火)或氣體云火災(zāi) 。
相對密度，API。 體積膨脹系統(tǒng)／(℃ )
3～34．9 0．0o 072
35～50．9 0．oo 090
5l～63．9 0．oo 108
64 ～78．9 0．oo 126
79～88．9 0．oo 144
89～93．9 0．00 I53
94或更輕 0．00 162
水 O．00 018
：為15．6~C F數(shù)值。
2)以實例中烷基化油一循環(huán)堿水換熱器為
例，冷側(cè)冷堿水在出人口閥關(guān)閉時，熱側(cè)烷基化油
仍然給冷側(cè)加熱，冷側(cè)冷堿水的體積膨脹系數(shù)計
算按公式(4)計算得到 =5．18×10～，泄放量按
照公式(3)得到1．11×10 m ／s，約為4OO．5 kg／h。
4 火災(zāi)工況(及參數(shù)計算)
設(shè)備暴露于火災(zāi)下，換熱器內(nèi)介質(zhì)由于氣化
或膨脹而引起的超壓。火災(zāi)工況時，所有進出系
統(tǒng)的物流終止，內(nèi)部的加熱源也停止，所有工藝過
1)火災(zāi)工況泄放量 的計算
= 0．8 598~b／A (5)
2)熱通量 的計算。若壓力容器有消防設(shè)施
和足夠的可燃物質(zhì)排放系統(tǒng)，火災(zāi)熱通量采用公
式(6)計算；若無消防設(shè)施和足夠的可燃物質(zhì)排放
系統(tǒng)，火災(zāi)熱通量采用公式(7)計算 J。
= C。 (6)
= C (7)
3)環(huán)境因數(shù)F的計算。未保溫的容器F=1；
采用保溫材料的容器，F(xiàn)可由下式求解：
F= (0一Tf)／Ct (8)
火災(zāi)發(fā)生后保溫材料不能抵抗900 oC達2 h
以上，則環(huán)境因數(shù)采用數(shù)值1 J。
4)受熱潤濕面積Aw 計算：當換熱器置于火災(zāi)
區(qū)域內(nèi)時，殼程受熱面積計算見表3，管程受熱面
積見表4。
表3 管殼式換熱器殼程潤濕面積計算方法
浮頭式換熱器 Aws= ，J(L1+L2+0．8D)
U形管換熱器
5)氣化潛熱可使用文獻值或流程模擬數(shù)值；
對于臨界區(qū)域，可采用最小值1 15 kJ／kg 。對于
有些操作介質(zhì)(如，常減壓蒸餾裝置減壓塔底油)
氣化溫度高于設(shè)備的承受溫度，此時火災(zāi)安全閥
2014年第3期(第3l卷) 范振魯?shù)龋軞な綋Q熱器安全閥的設(shè)計分析 ·41·
應(yīng)考慮介質(zhì)的熱裂解，泄放可按表5假設(shè)條件考
慮。
表5 火災(zāi)熱裂解假設(shè)條件
泄放溫度／~C 40o
分子量 114(基于C8組成)
氣化潛熱(熱裂解時吸收的熱量)／(1【J·kg ) 2l0
4 其他國際工程公司對4種工況的處理方法
1)殼牌公司對于超過2 h才到達泄放工況，且
有完好的消防設(shè)施，則此工況可不考慮；但是排
除：①介質(zhì)存在發(fā)生反應(yīng)的危險；② 潛在的設(shè)備失
敗后會泄放大量的有毒物質(zhì)。
換熱器下列情況可不作為火災(zāi)工況考慮：a)
通過行政管理手段規(guī)定一旦換熱器隔斷后，立即
將其中的液體排放掉；b)正常操作時，火災(zāi)的泄放
負荷可泄放至其他處。
換熱器介質(zhì)為液化天然氣時，需考慮火災(zāi)工
況氣相泄放保護；火災(zāi)時換熱器介質(zhì)有潛在反應(yīng)
危險時，需考慮火災(zāi)氣相泄放保護；固定管板式換
熱器殼側(cè)按壓力容器考慮，對于容積大于500 L的
通常需要設(shè)置火災(zāi)工況安全閥。
2)柏克德公司。對于4 h內(nèi)，火災(zāi)吸收的熱量
在泄放壓力下，也不會讓液相介質(zhì)達到泡點，則可
不考慮設(shè)置火災(zāi)安全閥，這基于假設(shè)4 h內(nèi)，要么
已經(jīng)消除危險，要么業(yè)主放棄該設(shè)備，對于不同的
設(shè)備這個時問需要進行評估。
3)ExxonMobil公司。對于通常的換熱器系統(tǒng)
不需要設(shè)置火災(zāi)安全閥，因為換熱器系統(tǒng)在火災(zāi)
時可通過暢通通道到達塔或罐。對于設(shè)置前后切
斷閥和副線閥的單臺換熱器，有兩種選擇：設(shè)置火
災(zāi)安全閥或者通過行政管理手段消除該工況，即
一旦換熱器隔斷后，應(yīng)立即將其中的液體排放掉，
甚至可在隔斷閥和副線閥處設(shè)置醒目標識牌。
4)實際工程應(yīng)用。以“實例”中烷基化油一循
環(huán)堿水換熱器為例，發(fā)生火災(zāi)時殼程前后切斷閥
關(guān)閉，殼程側(cè)烷基化油可能會發(fā)生超壓，但是最終
與業(yè)主進行溝通，通過在換熱器前后切斷閥和副
線閥處設(shè)置醒目標示牌，并且要求操作人員在換
熱器前后切斷閥關(guān)閉時，立即排放掉換熱器內(nèi)操
作介質(zhì)，從而將火災(zāi)工況安全閥泄放消除掉。
5 換熱管破裂工況
1)換熱器低壓側(cè)(包括上下游系統(tǒng))的水壓試
驗壓力低于高壓側(cè)的設(shè)計壓力，則應(yīng)考慮換熱器
換熱管斷裂工況口]。若管程和殼程設(shè)計壓力中，
低壓側(cè)大于高壓側(cè)的10／13，可以不考慮該工況，
否則需要考慮換熱管破裂_3 J。
2)換熱管破裂泄放量計算。換熱管破裂考慮
單根管高壓側(cè)介質(zhì)流人低壓側(cè)介質(zhì)，可假定換熱
管在管板背面一側(cè)，高壓流體假定通過留在管板
中的管接頭和另一較長部分管子的斷面 ]。此時
泄放量可按照限流孔板進行計算 j，泄放量為兩
倍的限流孑L板流量，限流孔板的操作條件是：1)限
流孔板人口壓力為換熱器高壓側(cè)操作壓力；2)限
流孑L板出口壓力為換熱器低壓側(cè)設(shè)計壓力+集聚
壓力；3)限流孔板的孔徑為換熱器換熱管內(nèi)徑。
綜上所述，管殼式換熱器安全閥的設(shè)計，應(yīng)考
慮出口閥關(guān)閉、熱脹、火災(zāi)、換熱管破裂4種工況，
同時還應(yīng)結(jié)合換熱器的生產(chǎn)維修方式進行設(shè)
計 。
文中符號說明：
Aws——受熱潤濕面積，m2；c——常數(shù)，66 570；cl——常數(shù)，43
200；C2—— 常數(shù)，70 9OO； 環(huán)境因數(shù)；Q—— 換熱器正常操作
熱負荷，kcal／h；Tl——熱側(cè)流體入口溫度， ； ——第二點溫
度，oC； ——泄放條件下容器溫度，℃； 一泄放量，kg／h；
，— — 泄放流量，m ／s； —— 保溫材料外表面溫度，℃ ；c——介
質(zhì)比熱，J／(kg·K)；d——操作介質(zhì)相對密度(相對于15．6℃下
水的密度)； ——保溫材料的熱導(dǎo)率，W／(m·K)；t——保溫材料
厚度，m；t2——冷側(cè)出口溫度，℃ ；tl——冷側(cè)人口溫度，℃ ；
t ——冷側(cè)平均溫度，cc；tbp—— 冷側(cè)泄放壓力下飽和溫度，qc；
n —— 體積膨脹系數(shù)，1／％ ，可查文獻，或采用表2中烴類和水的
典型膨脹系統(tǒng)數(shù)據(jù)； —— 傳熱速率，W；p?！?l溫度下的液體
密度，ks／m ；p2——r2溫度下的液體密度，ks／m ；A—— 在tbp時的
氣化潛熱，kcal／kg。
參考文獻：
[1] API 520．1—200o．Sizing，Selection，and Installation of Pres—
sale—relieving Devices in Refineries Part I—-Sizing and Selection
[S]．
[2] ANSI／API STANDARD 521．ADDENDUM，MAY 2008．Pressure-
relieving and Depressuring Systems[S]．
[3] ASME Section VIII，UG-99．Standard Sydrostatic Test[S]．

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