安全孔板(F(Z))在控制閥失敗工況下的應(yīng)用

1、安全孔板（F(Z)）在控制閥失敗工況下的應(yīng)用摘要：本文主要介紹了一種切實可行，簡單可靠的設(shè)計思路，即孔板和控制閥串聯(lián)，用于控制閥失敗工況的設(shè)計, 我們稱之為安全孔板F(Z)。通過安全孔板F（Z）的使用，減小了安全閥的泄放量，降低了火炬系統(tǒng)的負荷，節(jié)省了投資；并且使控制閥失敗工況下，安全閥的泄放量不受控制閥影響。This paper mainly introduces a practical, simple and reliable design method, making the orifice plate and control valve in series, which is used

2、 for PSV relief load calculation of control valve failure scenario, which is called safety orifice F (Z). By safety orifice F (Z), the relief load of PSV and the load of the flare system are reduced, investment is saved; And during control valve failure, the relief load of PSV is not affected by con

3、trol valve. 關(guān)鍵詞: 安全孔板；控制閥失?。话踩y；泄放量在工程設(shè)計中，我們總是想降低安全閥的泄放量，從而來減小安全閥系統(tǒng)的尺寸，包括進出口管線，來降低投資，甚至來降低火炬系統(tǒng)的負荷。降低安全閥泄放量的措施有很多，針對不同的泄放工況其采取的措施也會有所不同。在絕大部分的工藝流程中，都會有控制閥失敗（全開）的分析工況，一般的做法都會根據(jù)控制閥最終的流量系數(shù)（Cv值）來反算安全閥的泄放量，但這種做法需要項目的進度計劃做的比較好，控制閥的采購等不影響安全閥系統(tǒng)的設(shè)計選型，在進度配合的不是很好的情況下，這種工況下安全閥的泄放量就會按經(jīng)驗估計一個量，不再進行校驗反算了。筆者在最近和國外專利商

4、合作的過程中，有一種具有安全功能的孔板和控制閥串聯(lián)，主要的目的就是為了在控制閥失?。ㄈ_）工況下，降低并能控制相應(yīng)安全閥的泄放量，其保守的計算方法可以在早期就能確定安全閥的泄放量，從而為解決控制閥失敗的工況分析提供一條新的思路。本文將著重闡述這種方法的使用以及計算等。帶安全功能的孔板，以下我們簡稱其為F(Z)孔板，其為一銳角倒角孔板，在本質(zhì)上和一般的孔板沒有區(qū)別，主要的區(qū)別是在于其需要定期校驗并要像其他安全設(shè)施一樣登記入冊，定期維修。F(Z)孔板和控制閥串聯(lián)對安全閥的計算主要有兩種情況，一種是通過F(Z)孔板的介質(zhì)直接通過相應(yīng)的PSV泄放，流程如下：圖1 直接泄放流程還有一種是間接泄放，即通過

5、F(Z)孔板的介質(zhì)并不直接從相應(yīng)的PSV泄放，其作為加熱介質(zhì)（其他作用介質(zhì)）使其他介質(zhì)蒸發(fā)，從而導(dǎo)致相應(yīng)的PSV泄放，典型的即為精餾塔再沸器熱源上設(shè)置此流程來控制“非正常熱量輸入”工況下的泄放量，流程如下：圖2 間接泄放流程在實際設(shè)計中，F(xiàn)(Z)孔板也可能會在控制閥的上游。這兩種流程其實并沒有實質(zhì)性的區(qū)別，其計算過程基本一致，只是在間接泄放的流程中，需要將孔板算的加熱介質(zhì)量再折算成塔內(nèi)介質(zhì)的蒸發(fā)量，從而計算出相應(yīng)安全閥的泄放量。對于F(Z)孔板，由于其在正常操作中也會有降壓作用，所以在選擇F(Z)孔板時必須考慮到正常工況的操作，即對于F(Z)孔板的設(shè)計，必須要滿足兩種工況的要求：正常工況和泄放

6、工況，滿足以上兩種工況的孔板，即可認為是合格的孔板。F(Z)孔板的計算步驟基本如下：1. 根據(jù)正常工況，確定控制閥和孔板總共可以得到的壓力降，即控制閥前操作壓力和容器最終操作壓力之差，DP1。2. 首先均分步驟1中得到的總壓力降DP1,即控制閥和孔板的初始壓降均為0.5DP1。3. 根據(jù)正常操作流量和步驟2中所得的壓降計算出相應(yīng)的控制閥和F(Z)孔板，求得相應(yīng)的孔板孔徑d0。4. 在控制閥失敗全開時，保守計算可以認為控制閥全開時壓降為0。此時通過孔板的介質(zhì)量最大。5. 根據(jù)操作要求，分析出在控制閥失敗全開時，孔板上游的最大操作壓力P1。6. 根據(jù)P1和下游容器安全閥的設(shè)定壓力P3，以及步驟3中

7、所得的孔板孔徑d0，即可求出在控制閥失敗全開工況下的安全閥的相應(yīng)泄放量Q1。7. 如果Q1量偏大，可以回到步驟2，從新分配控制閥和孔板的壓降，可多分配些壓降在孔板上，使其孔徑減小，從而減少最終的泄放量，直到達到可以接受的值。下面通過兩個例子來加以說明。例一：某容器有一氮氣進料線，正常操作時氮氣流量為757.5kg/h，進口為F(Z)孔板和流量控制閥串聯(lián)設(shè)置，孔板前壓力為21barg,溫度為23，容器內(nèi)操作壓力為4.0barg，進口管線為DN50（內(nèi)徑為49.25mm），容器的安全閥設(shè)定壓力為17.7barg，試求在進口流量控制閥失敗全開時的安全閥泄放量。1.由以上的計算步驟，可先由正常工況進行

8、推算，可以知道在正常操作時，F(xiàn)(Z)孔板和下游控制閥的總共壓力降為 DP1：21-4=17bar。2.先取其一半作為孔板的正常操作時的壓降，即DP2為17/2=8.5barg，所以正常操作時孔板后的壓力為4+8.5=12.5barg?？装迩昂髩毫χ葹?2.5/21=59.5%，大于發(fā)生阻塞流時的壓力之比，可知此孔板滿足正常操作要求。3.由孔板入口條件，通過HYSYS進行物料性質(zhì)模擬，可以知道此時氮氣的性質(zhì)為：粘度為0.0186cp，絕熱指數(shù)K為1.442，密度為25.25kg/m3。4.從而求得孔板的孔徑為8.64mm。（孔板的計算可參見相關(guān)的資料）5.在控制閥失敗全開時，保守計算不考慮其在

9、全開時的壓降以及管道壓力降，此時得出的泄放量將是最大的。由氮氣系統(tǒng)分析得，氮氣系統(tǒng)的最大操作壓力為25barg，所以在控制閥全開時，孔板前的壓力為25barg，孔板后的壓力為安全閥的設(shè)定壓力17.7barg。溫度仍為23。6.由此時的孔板入口條件，通過HYSYS進行物料性質(zhì)模擬，可以得到相應(yīng)的氮氣性質(zhì)：粘度為0.0186cp，絕熱指數(shù)K為1.449，密度為29.87kg/m3。7.從而求得在控制閥全開時通過F(Z)孔板的最大流量為797kg/h。此流量即為在控制閥全開時通過安全閥的最大泄放量。從本例中可以看出，在實際的孔板設(shè)計中，一定要注意孔板在正常情況下是否會出現(xiàn)阻塞流，即孔板后的壓力是否會

10、小于孔板前壓力的一定值（約55%左右，具體可參見孔板設(shè)計規(guī)范），如果出現(xiàn)阻塞流，則說明在正常操作時，此孔板是整個系統(tǒng)的瓶頸，介質(zhì)流量不再受控制閥的調(diào)節(jié)，系統(tǒng)處于無法調(diào)節(jié)的狀態(tài)，正常操作將無法維持。同時通過本例可以看出，通過F(Z)孔板得出的泄放量是相應(yīng)安全閥絕對安全的泄放量，并且在基礎(chǔ)設(shè)計時就可以確定，也不需要知道控制閥的Cv值。而且在后續(xù)階段，即使相應(yīng)的控制閥由于某種原因更換后，也不會影響到相應(yīng)系統(tǒng)的安全，即不需要重新進行控制閥失敗工況的分析計算，安全閥也不需要更換，很方便系統(tǒng)后續(xù)的設(shè)計和維護。下面在舉一個間接加熱的例子：例二：某輕烴類精餾塔，安全閥設(shè)定壓力為10barg，塔頂正常操作壓力為

11、6barg，塔頂溫度為56，塔頂設(shè)有一循環(huán)水冷凝器和一冷凍水后冷器，塔底設(shè)有一熱虹吸式再沸器，加熱介質(zhì)為蒸汽，入口管徑為DN200，正常操作時蒸汽的壓力為36barg，溫度為246，流量為16861kg/h，蒸汽入口為一流量控制閥和F(Z)孔板串聯(lián)設(shè)計，再沸器蒸汽側(cè)正常操作壓力為25.4barg，在最小操作彈性時，蒸汽側(cè)的操作壓力為6.6barg，試求取在再沸器加熱蒸汽控制閥全開時，此塔頂安全閥的泄放量。其中正常時主冷凝器的負荷為33522840KJ/h,后冷器的負荷為681948KJ/h。1.同理，根據(jù)正常操作時蒸汽側(cè)的操作條件，可以得到蒸汽流量控制閥和F(Z)孔板的總共壓力降DP1為：36

12、-25.4=10.6barg。2.首先取總壓力降的一半作為F(Z)孔板的設(shè)計壓降，即DP2為：10.6/2=5.3bar，所以孔板前的壓力為：36-5.3=30.7barg，通過HYSYS進行蒸汽的絕熱降壓模擬，可以得到在30.7barg時的蒸汽性質(zhì)：蒸汽溫度為238，粘度為0.0171cp，絕熱指數(shù)K為1.3077，密度為15.706kg/m3。3.孔板后即為再沸器殼側(cè)操作壓力25.4barg，所以孔板前后壓力之比為：25.4/30.7=82.7%，大于可能產(chǎn)生阻塞流的值，在塔的最小彈性操作時，因為蒸汽流量變小，此孔板的壓力降會更小，即不會發(fā)生阻塞流，所以此孔板在正常操作時是滿足要求的。5.

13、根據(jù)孔板的計算公式，可以求得孔徑為50.0mm。6.在控制閥失敗全開時，蒸汽流量將變大，其最大流量將有F(Z)限制，并且是在再沸器蒸汽側(cè)最小操作壓力時蒸汽流量最大。忽略上游控制閥以及管道的壓降，可知F(Z)孔板的板前壓力為36barg，板后壓力為6.6barg。7.通過HYSYS模擬軟件，可以得到孔板前蒸汽的性質(zhì)：粘度為0.0174cp，絕熱指數(shù)K為1.272，蒸汽密度為18.56kg/m3。8.從而可以求得在控制閥全開時，通過此孔板的最大蒸汽流量為29757kg/h。根據(jù)塔的非穩(wěn)態(tài)計算模塊，此時塔頂安全閥的泄放量即是再沸器產(chǎn)生的過多熱量以及進出物料熱量差所致，根據(jù)HYSYS模擬軟件對相應(yīng)的進

14、出塔的物料做泄放工況下的性質(zhì)模擬，可得通過安全閥泄放的物流能量為22362417KJ/h,塔內(nèi)液體的蒸汽潛熱為286KJ/kg，所以可得通過安全閥的泄放量為78.2t/h。在此例題中，由于重點是介紹F(Z)孔板的計算，所以對非穩(wěn)態(tài)塔的泄放計算做了簡化。在這里必須指出，對于本例題，由于其可得到的總壓力將比較大，而且孔板前后壓力比遠離可能發(fā)生阻塞流的區(qū)域，假如覺得78.2t/h的泄放量偏大，可以通過增大正常操作時孔板的壓降，來減小孔板的孔徑，從而降低最后的泄放量，其計算步驟同例題基本一致，這也是使用F(Z)的一個好處，即比較靈活。對于本例題，在實際設(shè)計中，我們通過增大F(Z)孔板的壓降，使其泄放量最終降低至53t/h。從本例中也可以看出兩種不同的流程其計算過程基本相似，不同的只是如何去折算成最終的安全閥的泄放量。對于F(Z)的計算，還有另外一種算法，即先通過安全閥的泄放量，來計算在泄放工況下所需要的孔徑，再反推在正常情況下是否合適，從個人的觀點來說，這兩種方法基本原理都是一樣的，并沒有本質(zhì)性的差別，只是出發(fā)點不一樣，所以都可以使用。如果對安全閥的泄放量比較敏感，即絕對不允許超過某一個負荷，那么先通過安全閥的泄放工況來確定孔板，再反推正常操作是否合適可能會更便捷，在這