塔系統(tǒng)安全閥配置與經(jīng)濟性討論

王波 張璐璐 李漢華 陸工程科技有限責任公司 西安 710065

張煒寶雞市環(huán)境監(jiān)測站寶雞721006

塔系統(tǒng)安全閥配置與經(jīng)濟性討論

王波*張璐璐 李漢華 陸工程科技有限責任公司 西安 710065

張煒寶雞市環(huán)境監(jiān)測站寶雞721006

在塔系統(tǒng)的設(shè)計中，針對整個塔及其相關(guān)聯(lián)設(shè)備進行安全防護，分析不同安全閥的配置對系統(tǒng)的影響以及經(jīng)濟性。在事故狀態(tài)下，選用多個安全閥能夠及時準確的泄放超壓物，降低危險隱患，有效地保證設(shè)備安全。由于安全閥的費用隨個數(shù)的增加而上升，故可以根據(jù)不同系統(tǒng)對安全等級的要求，選擇與經(jīng)濟性和安全性相匹配的安全設(shè)施。

安全閥泄放量經(jīng)濟性

在化工工藝設(shè)計中，為防止超壓，廣泛地采用安全閥來保護整個設(shè)備系統(tǒng)。隨著工藝裝置和設(shè)備的大型化，往往一個安全閥泄放裝置并不能滿足被保護系統(tǒng)的泄放要求，必須設(shè)置多個安全泄放裝置才能解決這個工程問題［1］。由于安全閥尺寸越大，價格越高，所以如何合理配置安全閥對整個工程的費用控制顯得尤其重要。

在一個被保護系統(tǒng)中存在多個可能的超壓事故，如:外部火災(zāi)、換熱器管子破裂、循環(huán)水故障、電力故障、出口堵塞、控制閥失靈以及化學反應(yīng)失控等因素［2］。當各個超壓事故需要的泄放量相差較大時，若按常規(guī)做法設(shè)置單個安全閥，則應(yīng)采用幾個超壓事故中最大的泄放量作為確定安全閥泄放裝置尺寸的安全泄放量。但當發(fā)生泄放量較小的超壓事故時，單個安全閥泄放尺寸顯得過大。更重要的是，安全閥可能發(fā)生頻跳或顫振而使其性能惡化，引起閥座密封性降低，進而損壞閥門及連接管道。因此可以設(shè)置多個較小尺寸的安全閥泄放裝置以適應(yīng)不同泄放量的多個超壓事故。

在塔的工藝設(shè)計中，由于有多個設(shè)備相關(guān)聯(lián)，采用傳統(tǒng)單個安全閥用于保護整個塔系統(tǒng)具有一定的局限性。單個安全閥配置并未充分考慮其他設(shè)備發(fā)生狀況時的泄放，以及單個設(shè)備與安全閥相關(guān)聯(lián)對于整個泄放量的影響。本文針對以往選用的欠缺，分析單個和多個安全閥的設(shè)置對于系統(tǒng)安全的影響，并結(jié)合費控評價其經(jīng)濟性能。

1 工藝簡述

塔系統(tǒng)單個安全閥工藝見圖1。

圖1 塔系統(tǒng)單個安全閥工藝簡圖

以典型的精餾塔為例，精餾塔所連接的設(shè)備多，操作狀況復雜，在事故狀況下安全閥對整個設(shè)備的保護非常重要。整個系統(tǒng)包括塔、再沸器、冷凝器、回流罐四個主要設(shè)備。將物料輸入塔中，塔頂餾出的物料回流。塔底經(jīng)再沸器加熱，氣化物料返回塔內(nèi)，釜液送出處理。從安全閥排出的廢氣進入收集總管，當系統(tǒng)發(fā)生超壓狀況時，塔頂?shù)陌踩y1開啟保護整個單塔系統(tǒng)。

2 安全閥配置

2.1 單個安全閥配置

在傳統(tǒng)工藝中，精餾塔及未設(shè)切斷閥的回流罐、冷凝器、再沸器系統(tǒng)僅設(shè)置一個安全閥即可［3］。由此被保護系統(tǒng)中存在外部火災(zāi)、換熱管破裂、循環(huán)水故障三個最可能發(fā)生的超壓事故:常規(guī)計算火災(zāi)工況一般只考慮塔及其回流罐的潤濕面積;換熱管破裂要根據(jù)物料的性質(zhì)和換熱器兩側(cè)壓差大小，考慮工藝物料是否與冷卻介質(zhì)(加熱介質(zhì))發(fā)生反應(yīng)或膨脹的復雜效應(yīng);根據(jù)規(guī)定以循環(huán)水為冷媒的塔頂冷凝器，當循環(huán)水發(fā)生故障時，塔頂設(shè)置的安全閥泄放量為正常工作下進入冷凝器的最大蒸汽量［4］。

單安全閥的配置存在著一些弊端，一方面因為塔系統(tǒng)由多個設(shè)備組成，只設(shè)一個安全閥會造成不同事故下的起跳偏差，另一方面對于具有多個不同泄放量的超壓事故系統(tǒng)，采用單個大尺寸的安全泄放裝置，不能改善泄放性能和提高安全性。

2.2 多個安全閥配置

塔系統(tǒng)雙安全閥工藝見圖2。

圖2 塔系統(tǒng)雙安全閥工藝簡圖

由于單安全閥設(shè)置的弊端，此塔系統(tǒng)分別在塔頂氣相出口和塔底再沸器物料出口處設(shè)置安全閥，此系統(tǒng)存在三種可能發(fā)生的安全閥起跳現(xiàn)象:①當塔底發(fā)生超壓事故時，首先檢測到超壓的安全閥3開啟，釋放一部分氣體，塔壓恢復正常時安全閥2仍未起跳;②當塔頂聚集大量氣體時，安全閥2首先檢測到超壓，閥瓣開啟泄壓，瞬間系統(tǒng)回到平衡狀態(tài)，安全閥3未檢測到超壓保持原狀;③當發(fā)生其他泄放量大的工況時，首先接觸到超壓的安全閥開啟，若不能滿足泄放要求或其他超壓事故接連發(fā)生時，另一個安全閥開啟，釋放多余氣體以保護整個塔系統(tǒng)。此系統(tǒng)設(shè)置的雙安全閥既保護了設(shè)備，又能迅速泄放氣體，間接地減少了物料的泄放量，為事故處理爭取了寶貴的時間。

2.3 安全閥配置方案的分析

2.3.1 塔底安全閥配置

火災(zāi)是化工廠中計算安全閥最?？紤]的工況之一，外部火焰?zhèn)魅氲臒崃客ㄟ^潤濕面積使容器內(nèi)的物料氣化，瞬間排出的大量氣體引起系統(tǒng)壓力劇增，達到設(shè)定壓力時安全閥起跳。由于精餾塔較高，框架以上很難發(fā)生火災(zāi)工況，所以將安全閥裝在再沸器物料出口處，當塔下部發(fā)生火災(zāi)時能夠及時排出被氣化的物料，有力地保護了再沸器和塔。

2.3.2 塔頂安全閥配置

塔系統(tǒng)上部的主要設(shè)備是以循環(huán)水為冷媒的塔頂冷凝器，當循環(huán)水發(fā)生故障時，大量蒸汽源源不斷進冷凝器，聚集到設(shè)定壓力時，安全閥起跳排出大量未冷凝下來的物料氣。如果換熱管破裂，物料可能與水發(fā)生化學反應(yīng)，放出大量氣體，需要考慮反應(yīng)工況。

以多晶硅裝置精餾塔為例，背壓0.05MPa (G)，安全閥允許超壓10%，各種工況下安全閥的泄放量計算參數(shù)［5］見表1。

表1 塔系統(tǒng)安全閥的設(shè)置及參數(shù)

安全閥排放量應(yīng)采用多種考慮因素中的最大量，如果設(shè)置單個安全閥用于保護整個系統(tǒng)，應(yīng)選擇四種工況下泄放量的最大值405453 kg/h，安全閥口徑為14Y18。若圖2設(shè)置雙安全閥，塔頂氣相管應(yīng)考慮選擇口徑較大的冷凝器換熱管破裂反應(yīng)工況，安全閥型號為10V14，塔釜泄放量為總量減去塔頂安全閥所對應(yīng)的的額定泄放量。塔頂安全閥型號10V14的額定泄放量計算為232480kg/h，則塔釜安全閥3應(yīng)選擇排量為:

405453－232480 =172973 kg/h。

3 安全閥配置的經(jīng)濟衡算

3.1 安全閥選用口徑與泄放量

不同泄放量下安全閥費用見表2。

表2 不同泄放量下安全閥費用

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，設(shè)置多個安全閥泄放裝置的最大泄放壓力(GB150為112或116%MAWP，ASME為116或121%MAWP)比設(shè)置單個安全閥泄放裝置(GB150和ASME均為110%MAWP)大［1］，故本裝置塔釜安全閥3允許超壓16%。在表2中，單個安全閥1報價為10.5萬元，安全閥2和安全閥3，總計11.4萬元。由實際計算可知，在選用相同材質(zhì)的情況下，雙安全閥費用與單個安全閥相差不大，但其安全性能將會增加。故通過對比不同安全閥配置的方法以及安全性能的優(yōu)劣，可以依照所設(shè)計工藝中物質(zhì)的有毒性和可燃性等級，結(jié)合費用控制選用與工藝配套的安全設(shè)施。

4 結(jié)語

隨著工程設(shè)計對安全系統(tǒng)要求的增高，安全閥的設(shè)計也愈加嚴格。由于很難對安全閥進行各種工況下的在線超壓試驗，因此有必要對其進行精確的設(shè)計和配置，使安全閥的設(shè)計在技術(shù)上更加安全，在經(jīng)濟上更加合理。塔是一個高壓復雜系統(tǒng)，在塔頂和塔底設(shè)置兩個安全閥有助于控制整個塔系統(tǒng)的泄放安全。如果塔下部發(fā)生火災(zāi)工況，塔底安全閥首先起作用，排放出氣體降低塔溫;如果塔上部發(fā)生事故，當壓力達到最大設(shè)定壓力時，塔頂安全閥及時開啟。如此設(shè)置能夠全面考慮到塔與各個設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，盡快排出超壓氣體以降低系統(tǒng)壓力，確保設(shè)備安全。

此安全閥配置方法按照規(guī)范選取并結(jié)合實際工況進行計算，綜合考慮幾種工況的疊加效應(yīng)對整個系統(tǒng)的影響。從安全閥的配置和費用分別剖析計算，為以后相似工段的設(shè)計提供借鑒與參考。特別是對于有毒、易燃、易爆和貴重的工藝物料，多級設(shè)定的多個裝置，能夠有效的減少超壓事故的泄放量，有利于工藝操作穩(wěn)定、環(huán)保、安全和經(jīng)濟性［1］。

鑒于安全閥費用隨其口徑的增大而劇增的特性，根據(jù)以上的計算和費用分析可知，按照安全性與經(jīng)濟性的最優(yōu)點分級設(shè)置安全閥，能夠進一步優(yōu)化配置，為整個裝置提供更加安全節(jié)能的保護設(shè)施。

1 應(yīng)道宴，夏德楷，丁伯民，等．《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道》實施指南．化工設(shè)備與管道［J］．2007，44(增刊二) (2):297－298．

2 王煒，吳德榮．管殼換熱器中管子斷裂泄放量的計算［J］．化工設(shè)計．2002，12(3):16－18．

3 張慧，王佳杰，季忠斌．安全閥系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)用解析［J］．化工設(shè)計．2009，19(3):30－36．

4 HG/T 20570－95．工藝系統(tǒng)工程設(shè)計技術(shù)規(guī)定［S］．北京:化工部工程建設(shè)標準編輯中心，1996:31－32．

5 張璐璐，李漢，王波等．多晶硅精餾塔系統(tǒng)中安全閥泄放量的計算［J］．化學工程．2011，39(1):95－96

Focusing on the protection and safety of the tower and relevant equipment，this paper analyzes the different configuration of safety valves and corresponding impact on the system design and cost．The results show that in case of emergency several safety valves can relieve over-pressure quickly and correctly，which reduces the potential hazards to the tower，thus protecting all of the equipment in the whole system against danger．For the expense of safety valves increases along with its quantity，appropriate safety devices can be selected with balance between cost and safety based on required safe level of the system concerned．

Discussion on Configuration and Economy of Safety Valves in Tower System

Wang Bo，et al(Hualu Engineering and Technology Co.，Ltd.，Xi'an 710065)

safety valverelief capacityeconomy

*王波:工程師。2002年畢業(yè)于西安交通大學化學工程與工藝專業(yè)。一直從事化工工藝設(shè)計工作。聯(lián)系電話(029)87989892，EMail:wb1961@chinahualueng.com。

2012－3－23)