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換熱器低壓側(cè)安全閥的計(jì)算和選型

文檔作者：霍學(xué)剛文檔來源：北京華福工程有限公司天津分公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2022年03月19日
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2016 年7 月
換熱器低壓側(cè)安全閥的計(jì)算和選型
霍學(xué)剛（北京華福工程有限公司天津分公司，300222）
摘要：管式換熱器在石油化工行業(yè)應(yīng)用十分廣泛，但換熱
器的換熱管經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)破裂，影響設(shè)備的正常使用。安全閥是
保護(hù)換熱器的有效措施，但實(shí)際的安全閥安裝工作中，如何選
擇合適的安全閥是相關(guān)工作人員需要考慮的關(guān)鍵問題之一。
關(guān)鍵詞：換熱器；低壓側(cè)安全閥；計(jì)算；型號(hào)選擇
石化企業(yè)中常常需要對(duì)換熱器的換熱管采取一定的保護(hù)
措施，常見的保護(hù)措施主要有提高低壓側(cè)設(shè)計(jì)壓力及設(shè)置低壓
側(cè)安全閥兩種，石化企業(yè)中經(jīng)常會(huì)使用一些大型的、壓力差較
大的換熱器，此時(shí)如果想要提高低壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力保護(hù)換熱
器，往往需要花費(fèi)大量的資金，這必然會(huì)增加石化企業(yè)的投資
成本，因此，大多數(shù)企業(yè)更愿意選擇在低壓側(cè)出口安放安全閥
來保護(hù)換熱器。但換熱器型號(hào)、換熱器內(nèi)介質(zhì)的相態(tài)等等因素
都可能不同，一定程度上會(huì)影響安全閥的選擇。
1 液相工況
1.1液相泄放量
換熱器管道破裂時(shí)，管道內(nèi)的液體從兩端進(jìn)入低壓側(cè)，如
果將每一根換熱管看成是一個(gè)單孔的限流孔板，管道內(nèi)的液體
從管道兩側(cè)流出，此時(shí)管道的液體泄放量是限流孔板通過液體
量的2倍。結(jié)合管路限流孔板的液體通過量計(jì)算公式，就可以
得到每一根換熱管破裂時(shí)的液體泄放量。
WL =2×128.45×103 ×CL ×dL
2 ΔPγ （1）
其中WL（ kg/h）表示液體泄放量；CL指的是流量系數(shù)，知道
換熱管的Re和d0/D兩個(gè)數(shù)值后可以從限流孔板的C-Re-d0/D 關(guān)系圖中獲得；dL（ m）指的是每一根換熱管的內(nèi)徑，Δ P指的是
換熱管破裂時(shí)的瞬間壓力差，γ 指的是工作狀態(tài)下液體的相對(duì)
密度。
1.2液相排放所需有效面積計(jì)算
根據(jù)上述計(jì)算出來的工作狀態(tài)下液體的泄放量，進(jìn)一步計(jì)
算液體的排放面積，即為液相排放需要的有效面積。
AL = 0.1963WL
Kd KwKc KvKp ρ?1.25(p -pb) （2）
其中，AL（
mm2）表示液相排放所需的有效面積，Kd指的是有
效排放系數(shù)，液體在密封的換熱管道中流動(dòng)時(shí)，會(huì)受到管壁的
阻礙進(jìn)而被施加與流體運(yùn)動(dòng)方向相反的作用力，即背壓。Kw表
示背壓修正系數(shù)；Kc表示液壓閥上游設(shè)備的修正系數(shù)，一般取
0.9或1.0。Kv指的是粘度修正因數(shù)，Kp表示超壓修正因數(shù)，ρ
（kg/m3）指的是液體的密度；P（MPa）表示總定壓力；pb（ MPa）表
示總背壓。
2 氣相工況
2.1氣相泄放量計(jì)算
當(dāng)換熱管內(nèi)介質(zhì)為氣態(tài)時(shí)，換熱器管道破裂時(shí)，管道內(nèi)的
氣體與液體一樣從兩端進(jìn)入低壓側(cè)，此時(shí)管道的氣體泄放量依
然是限流孔板通過液體量的2倍。結(jié)合管路限流孔板的氣體通
過量計(jì)算公式，就可以得到每一根換熱管破裂時(shí)氣體的泄
放量。
WV =2×43.78×Cg dv
2P1 ( M
ZT )( k
k -1)é
ë ê
ù
û ú
(P2
P1 )2k
-(P2
P1 )k +1 k （3）
其中，WV（ kg/h）表示氣體的泄放量，Cg表示氣體的流量系
數(shù)，與液體的流量系數(shù)求取方法相同，dv（ m）指換熱管內(nèi)徑大
小，P1（
Pa）表示換熱管高壓側(cè)的設(shè)計(jì)壓力；P2（
Pa）指換熱管低壓
側(cè)的最大壓力，M（mol/L）氣體的摩爾質(zhì)量；T表示氣體泄放時(shí)的
溫度，Z表示氣體的壓縮系數(shù)，k指的是換熱管的絕熱指數(shù)。
2.2氣相排放所需有效面積計(jì)算
由氣體的氣相泄放量計(jì)算氣相排放所需有效面積
AV = 13.16WV
CKd P1Kb Kc
TZ
M
（4）
其中AV表示氣相排放所需有效面積，C =520 k( 2 k +1)k +1 k -1 ，
P1=安全閥整定壓力+允許的超壓（MPa），Kb氣相背壓修正系數(shù)，
氣體的流動(dòng)形式不同，Kb會(huì)有所區(qū)別，氣體臨界流動(dòng)Kb取1。
3、安全閥型號(hào)的選擇。安全閥同樣根據(jù)氣相排放所需要
的有效面積進(jìn)行選擇。
3 混相工況
安全閥泄放介質(zhì)為氣相液相混合時(shí)，相關(guān)計(jì)算不能按照上
述兩種方法來進(jìn)行，現(xiàn)階段還沒有針對(duì)這種情況的計(jì)算方法。
本文假定換熱器管道破裂的瞬間，管道兩端流體同時(shí)從高壓側(cè)
流向低壓側(cè)，泄露的氣體與液體能夠分布為均勻的微分單元，
并將氣液兩相的泄露微分面積進(jìn)行計(jì)分，可以得到換熱管道破
裂時(shí)氣液兩相相當(dāng)量面積。即
AˉV +AˉL =2A0 （5）
dˉL
2 +dˉV
2 =2d0
2 （6）
其中，A0（ mm2）表示每一根換熱管的內(nèi)截面積，AˉV（mm2）
表示單管氣相相當(dāng)量面積，AˉL（mm2）表示單管液相相當(dāng)量面
積，dˉV（mm）表示單管氣相相當(dāng)量孔徑，dˉL（mm）表示單管液相
相當(dāng)量孔徑，d0（
mm）表示每一根換熱管的內(nèi)徑大小。
3.1 混相工況下泄放量
混相工況下，換熱管的泄放量難以直接計(jì)算，只能得到相
當(dāng)量孔徑與泄放量之間的關(guān)系：
dˉV = WV
2×43.78Cg P1 ( M
ZT )( K
K -1)é
ë ê
ù
û ú
(P2
P1 )2K
-(P2
P1 )K +1 K
（7）
dˉL = WL
2×128.45×1000CL ΔPγ
（ 8）
dˉV / dˉL =（f WV/WL，Cg/CL）即為相當(dāng)量孔徑與泄放量之間的關(guān)
聯(lián)式。
假定Cg= CL，WV/WL為換熱管破裂時(shí)進(jìn)入低壓側(cè)的氣液相
介質(zhì)的質(zhì)量比，此時(shí)可以計(jì)算出dˉV / dˉL ，然后將其與
dˉL
2 +dˉV
2 =2d0
2 聯(lián)立，計(jì)算出dˉV 和dˉL 的大小，將dˉV 和dˉL 分別帶
入到式（7）式（8）中進(jìn)行驗(yàn)算，得到Cg、CL 后再次帶入關(guān)聯(lián)式
中，得到合適的dˉV 和dˉL 后分別帶入液相及氣相泄放量計(jì)算公
式中，得出WV與WL。
3.2 混相排放所需泄放孔道面積計(jì)算
將上文得到的WV與WL分別帶入液相及氣相排放所需有效
面積計(jì)算公式中，可以得到兩個(gè)相當(dāng)量泄放面積AL，AV。二者
相加就是混相排放所需泄放孔道面積。
3.3 安全閥型號(hào)的選擇
通過上述計(jì)算得到的混相排放所需泄放孔道面積，選擇孔
口尺寸合適的安全閥。
4 結(jié)語(yǔ)
本文分析了石化企業(yè)中管殼式換熱器低壓側(cè)安全閥的相
關(guān)計(jì)算，并針對(duì)安全閥尺寸的選擇方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的計(jì)算。，石
化企業(yè)中實(shí)際的安全閥型號(hào)選擇還應(yīng)該結(jié)合其它的工況，比如
公用程條件失效等情況綜合考慮。
參考文獻(xiàn)：
[1]丁傳琪，壽濤.管殼式換熱器安全閥設(shè)計(jì)選型[J].科技傳
播.2014（08）
[2]馮杰，馮會(huì).換熱器低壓側(cè)安全閥的計(jì)算和選型[J].機(jī)械
設(shè)備.2014（03）
設(shè)備運(yùn)維
23

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