石化企業中常常需要對換熱器的換熱管采取一定的保護措施, 常見的保護措施主要有提高低壓側設計壓力及設置低壓側安全閥兩種, 石化企業中經常會使用一些大型的、壓力差較大的換熱器, 此時如果想要提高低壓側的設計壓力保護換熱器, 往往需要花費大量的資金, 這必然會增加石化企業的投資成本, 因此, 大多數企業更愿意選擇在低壓側出口安放安全閥來保護換熱器。但換熱器型號、換熱器內介質的相態等等因素都可能不同, 一定程度上會影響安全閥的選擇。
1 液相工況
1.1 液相泄放量
換熱器管道破裂時, 管道內的液體從兩端進入低壓側, 如果將每一根換熱管看成是一個單孔的限流孔板, 管道內的液體從管道兩側流出, 此時管道的液體泄放量是限流孔板通過液體量的2倍。結合管路限流孔板的液體通過量計算公式, 就可以得到每一根換熱管破裂時的液體泄放量。
其中WL (kg/h) 表示液體泄放量;CL指的是流量系數, 知道換熱管的Re和d0/D兩個數值后可以從限流孔板的C-Re-d0/D關系圖中獲得;dL (m) 指的是每一根換熱管的內徑, ΔP指的是換熱管破裂時的瞬間壓力差, γ指的是工作狀態下液體的相對密度。
1.2 液相排放所需有效面積計算
根據上述計算出來的工作狀態下液體的泄放量, 進一步計算液體的排放面積, 即為液相排放需要的有效面積。
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, 液體在密封的換熱管道中流動時, 會受到管壁的阻礙進而被施加與流體運動方向相反的作用力, 即背壓。Kw表示背壓修正系數;Kc表示液壓閥上游設備的修正系數, 一般取0.9或1.0。Kv指的是粘度修正因數, Kp表示超壓修正因數, 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 氣相泄放量計算
當換熱管內介質為氣態時, 換熱器管道破裂時, 管道內的氣體與液體一樣從兩端進入低壓側, 此時管道的氣體泄放量依然是限流孔板通過液體量的2倍。結合管路限流孔板的氣體通過量計算公式, 就可以得到每一根換熱管破裂時氣體的泄放量。
其中, WV (kg/h) 表示氣體的泄放量, Cg表示氣體的流量系數, 與液體的流量系數求取方法相同, dv (m) 指換熱管內徑大小, P1 (Pa) 表示換熱管高壓側的設計壓力;P2 (Pa) 指換熱管低壓側的最大壓力, M (mol/L) 氣體的摩爾質量;T表示氣體泄放時的溫度, Z表示氣體的壓縮系數, k指的是換熱管的絕熱指數。
2.2 氣相排放所需有效面積計算
由氣體的氣相泄放量計算氣相排放所需有效面積
其中AV表示氣相排放所需有效面積, , P1=安全閥整定壓力+允許的超壓 (MPa) , Kb氣相背壓修正系數, 氣體的流動形式不同, Kb會有所區別, 氣體臨界流動Kb取1。3
3、安全閥型號的選擇。安全閥同樣根據氣相排放所需要的有效面積進行選擇。
3 混相工況
安全閥泄放介質為氣相液相混合時, 相關計算不能按照上述兩種方法來進行, 現階段還沒有針對這種情況的計算方法。本文假定換熱器管道破裂的瞬間, 管道兩端流體同時從高壓側流向低壓側, 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行計分, 可以得到換熱管道破裂時氣液兩相相當量面積。即
其中, A0 (mm2) 表示每一根換熱管的內截面積, V (mm2) 表示單管氣相相當量面積, L (mm2) 表示單管液相相當量面積, 表示單管氣相相當量孔徑, 表示單管液相相當量孔徑, d0 (mm) 表示每一根換熱管的內徑大小。
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算, 只能得到相當量孔徑與泄放量之間的關系:
即為相當量孔徑與泄放量之間的關聯式。
3.2 混相排放所需泄放孔道面積計算
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算公式中, 可以得到兩個相當量泄放面積AL, AV。二者相加就是混相排放所需泄放孔道面積。
3.3 安全閥型號的選擇
通過上述計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 結語
本文分析了石化企業中管殼式換熱器低壓側安全閥的相關計算, 并針對安全閥尺寸的選擇方法進行了簡單的計算。, 石化企業中實際的安全閥型號選擇還應該結合其它的工況, 比如公用程條件失效等情況綜合考慮。
摘要：管式換熱器在石油化工行業應用十分廣泛, 但換熱器的換熱管經常會出現破裂, 影響設備的正常使用。安全閥是保護換熱器的有效措施, 但實際的安全閥安裝工作中, 如何選擇合適的安全閥是相關工作人員需要考慮的關鍵問題之一。
關鍵詞：換熱器,低壓側安全閥,計算,型號選擇
參考文獻
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