[摘要]:围绕天然气压缩机组的工艺系统设计,介绍安全阀整定压力的设
定、安全阀形式的选择、动背压和静背压的考虑、安全阀工况的选择,并利
用化工工艺模拟软件Aspen HYSYS对安全阀进行选型计算。
[关键词]:天然气压缩机组;安全阀设置;Aspen HYSYS
中图分类号:TH457 文献标志码:A
文章编号:1006-2971()03-0033-04
1 引言
安全阀是一种适用于清洁、无颗粒、低粘度流体的自动阀门,它不借助任何外力,而是利用介质本身的力来排出额定数量的流体,以防止系统内压力超过预定的安全值。当压力恢复正常后,阀门再自行关闭并阻止介质继续流出。
关于压缩机安全阀的设置,在HG/T 20570.2《安全阀的设置和选用》中规定“容积式泵和压缩机的出口管道”必须安装安全阀[1];GB/T50106《石油化工企业设计防火规范》中规定“往复式压缩机各段出口或电动往复泵、齿轮泵、螺杆泵等容积式泵的出口”应设置安全阀[2]。本文依据上述
规范的有关条款,围绕天然气压缩机组的工艺系统设计,介绍安全阀整定压力的设定、安全阀形式的选择、动背压和静背压的考虑、安全阀工况的选择,并利用化工工艺模拟软件Aspen HYSYS对安全阀进行选型计算。
2 安全阀的整定压力设定
安全泄放系统是天然气压缩机组工艺设计的一个重要部分,包括紧急泄放系统和安全阀超压泄放系统。
紧急泄放系统设置有自动放空阀,用于机组故障或者停电停机时,15 min内将系统压力降至690 kPa或者50%设计压力,取其中较低值[3]。
安全阀超压泄放系统,是指在压缩机组进出口及每一级排气管线上设置有安全阀,系统压力超过设定压力,安全阀全流量泄放。在压缩机组工艺流程设计时,各级排气均设有压力变送器,根据工作压力,设定报警、联锁值,一般该级的安全阀整定压力高于联锁停机值。当某级排气压力升高,越过联锁值,由于仪表失控等原因而未停机,压力持续升高至安全阀的整定压力,安全阀起跳泄放。安全阀作为压缩机组的最后一道防线,保障机组内设备和容器的安全。
如图1所示是某气田三级压缩机组的安全阀设置,一级进气和各级排气均设有安全阀。各级排气安全阀的整定压力,可根据工作压力设定,一般为工作压力的1.1倍,有时为了与报警、联锁值拉开间距,可将其分别设定为工作压力的1.05、1.1、1.15倍。
一级进气安全阀的整定压力一般不是根据进气压力的大小来设定,而是根据压缩机组的均压。当机组停机时,进排气切断阀关闭,回流阀打开,整个压缩机组成为一个密闭系统,并迅速达到压力均衡,为了防止停机瞬间系统超压,安全阀整定压力应按此均压的1.1设定。
3 安全阀形式的选择
根据相关标准及设计经验,天然气压缩机组的安全阀一般选用以下两种形式:
3.1 弹簧全启式,见图2
由弹簧作用的安全阀,其定压由弹簧控制,其动作受背压的影响。背压的要求:pb<10%ps(pb代表背压力,ps代表整定压力)。全启式是指当安全阀入口处的静压达到其设定压力时,阀瓣迅速上升至最大高度,最大限度地排出超压的物料。
该形式安全阀具有以下优点:结构简单、可靠性高、使用范围广、价格经济。
3.2 封闭先导式,见图3
由导阀控制的安全阀。其设定压力由导阀控制,其动作性能基本上不受背压的影响。当导阀失灵时,主阀仍能在不超过泄放压力时自动开启,并排出全部额定泄放量。背压的要求:pb≥30%ps。
从单独来看,导阀本身也是一种直接载荷式安全阀。当介质压力达到导阀的开启压力时,导阀先行开启,排出的介质从旁通管进入主阀。由结构可见导阀排放的介质与主阀一致,用在天然气压缩机组,应采用封闭式。
4 背压对安全阀的影响
安全阀的背压,是由于排放系统有压力而存在于安全阀出口处的压力,背压可以是固定的,也可以是变化的。背压分为附加背压和积聚背压。
附加背压(也叫静背压),当安全阀未启动时,由于火炬管网系统中如火炬头、水封等产生的静压,或由其它阀排放而存在于安全阀出口的静压;积聚背压(也叫动背压),当安全阀打开后,介质在火炬管网流动所产生的流动阻力。安全阀起跳后的总背压是附加背压和积聚背压之和。
如图4,其中ps为安全阀开启压力,pb为背压力,F1为弹簧力,A为密封面面积。开启压力ps为安全阀阀瓣在运行条件下开始升起的进口压力,在该压力时,使阀瓣开启的力与使阀瓣重新保持在阀瓣上的力平衡。当阀后存在背压pb时,则有psA =pbA+F1,可见背压的存在使阀门的开启压力增加[4]。
通常,安全阀出厂前做冷态实验,厂家会根据提供的背压值调整弹簧的预紧力,来补偿附加背压,使安全阀在实际投入使用时,阀前压力达到设的开启并不会受到影响。但如果安全阀的附加背压受其他泄放源排放的影响而升高,安全阀的开启便会受到影响。
天然气压缩机组在设置机组安全阀时,对于背压应注意以下几点。
4.1 恒定附加背压的考虑
恒定的附加背压取管网的固有背压,主要由整个厂站的放空系统决定:安全阀放空总汇管若直接引去火炬头,可取背压为0.1 MPa;通常放空总管会汇总到一个闪蒸分离罐后再接至火炬头,背压就要根据罐体的压力确定,一般为0.2~0.3 MPa。
该背压值应由设计院提供,其大小直接影响到安全阀的开启压力,如前所述,安全阀厂家是根据该值调整弹簧的预紧力。例如安全阀的整定压力为1.9 MPa,设计院提供的背压为0.6 MPa,为了补偿背压,则设置安全阀的弹簧力为1.9-0.6=1.3 MPa。实际运行中,安全阀的背压仅为0.2 MPa,
那么开启压力为1.5 MPa,而设计的整定压力是1.9 MPa,导致安全阀将在工作压力下提前泄放,影响机组的稳定运行。
4.2 变化附加背压的考虑
变化的附加背压为安全阀起跳前,由于其他安全阀泄放所产生的管道阻力降使阀后压力的增加值。在安全阀设置时需要考虑其他安全阀的影响,特别是低压端安全阀,整定压力比较小,附加背压增大,将会导致增大该安全阀的开启压力,很有可能超过管道或者设备的设计压力,造成安全事故。
4.3 积聚背压的考虑
积聚背压是安全阀排放时,因排放侧阻力在安全阀出口侧形成的压力。一台天然气压缩机组往往需要设置2个及以上的安全阀,在设计放空总管时,需要考虑多个安全阀同时起跳产生的积聚背压值,对于普通安全阀,积聚背压不应超过泄放阀设定压力的10%,否则将会影响安全阀的泄放能力。
5 安全阀工况的选择
引起安全阀超压的原因在SY/T 10043-2002《泄压和减压系统指南》中列举了16种,大致总结为过程工况和火灾工况两种;过程工况是超压原因在系统运行过程中出现的,如容器出口阀误关闭、控制故障、化学反应等非外部火灾引起的事故;火灾工况是因外部发生火灾而产生的超压事故。
天然气压缩机组安全阀设计时,考虑到会因出口切断阀关闭而引起上游设备超压,故末级排气和各级排气安全阀一般按阻塞工况设计。当发生火灾时,压缩机组进出口切断阀关闭,整个系统可以看成是一个压力容器,一级进气安全阀可按此工况进行设计。
6 HYSYS模拟火灾工况安全阀选型
以图1压缩机组的一级进气安全阀为例,介绍化工工艺模拟软件Aspen HYSYS对安全阀火灾工况下的选型计算。
选择组分,选择PR状态方程,建立工艺流程,设置物料参数,入口参数:温度20℃,压力0.1 MPa,流量4173 Nm3/h;切换到安全阀分析模块,增加一级进气安全阀,输入整定压力1.9 MPa (该值由系统均压确定);创建方案,设计标准选择API520,521,在Relief Load选择火灾工况,泄放流量选择系统计算,火灾计算类型选择湿润类型,容器类型选择立式,容器参数可以根据整个系统的容积,设定容器直径为1 m,长度4 m,湿润高度0.8 m,环境因子F=1.0,最终计算出泄放量3822 kg/h,然后自动计算出泄放面积2.45 cm2,选择标准吼径3.245 cm2,喉径代号J,安全阀进口尺寸为DN50-300LB,出口尺寸为DN80-150LB。
查看计算结果,尽管火灾工况的泄放量比堵塞工况的要大,其实很多时候堵塞工况的泄放量要大很多,无关乎大小,笔者认为一级进气安全阀按火灾工况计算,是比较合理的。
7 结语
安全阀作为天然气压缩机组的最后一道防线,保障着机组内设备和容器的安全。本文依据安全阀的相关标准和规范,介绍了天然气压缩机组各级安全阀的整定压力设定,安全阀形式的选择;
设置安全阀时需要考虑背压的影响,该背压应该细化为恒定的附加背压、变化的附加背压和积聚背压[5];关于安全阀工况的选择,天然气压缩机组
的一级进气安全阀应按火灾工况计算,各级排气安全阀按堵塞工况计算;最后简单介绍了化工工艺模拟软件Aspen HYSYS对安全阀火灾工况下的选
型计算。
参考文献:
[1] HG/T 20570.02-95. 化工装置工艺系统工程设计规定安全阀的设置和选用[S].
[2] GB/T 50160-.石油化工企业防火规范[S].
[3] SY/T 10043-2002.泄压和减压系统指南[S].
[4] 闫正伟,金寿根.背压对安全阀性能的影响[J].中国化工装备,:24-26.
[5] 郑鲜,易坷,郑艳,马巧梅.背压对常规式弹簧安全阀动作性能的影响[J].石油化工设计,,32(4):43-45.