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城镇燃气调压器后安全阀的选型计算

1   概述

 

GB 500282006《城镇燃气设计规范》(以下简称GB 500282006)规定,在燃气调压器入口(或出口)处,应设置防止调压器出口压力过高的安全保护装置。为此,城镇燃气工程普遍采用的方式是在调压器下游管道上设置安全阀,安全阀出口接放散管,燃气经由安全阀和放散管排放至大气,从而有效地保证燃气管网和用气设备的正常运行。本文内容包括城镇燃气调压器后管道上安全阀类型选择和主要技术参数的确定,以期对设计工作有一定的借鉴意义。

 

2   安全阀技术参数

 

安全阀是一种自动阀门,它不借助任何外力,而利用被保护系统(以下简称系统)本身的压力来自动开启,排出一定数量的介质,以防止系统压力超过额定的安全值。当系统压力恢复正常后,安全阀再自动关闭并阻止系统内介质继续流出。

 

2.1  压力参数

2.1.1 整定压力

 

整定压力是预先对安全阀设定的开启压力,在安全阀进口处测得的压力。系统压力达到整定压力时,系统压力产生使安全阀开启的力与使阀瓣保持在阀座上的力相平衡。以弹簧式安全阀为例,系统压力达到整定压力时,弹簧作用在阀瓣上表面向下的力与介质作用在阀瓣下表面向上的力相平衡。弹簧式安全阀的结构见图1

 

1   弹簧式安全阀结构

 

GB 5002820066.6.10条第6款规定,调压器出口管道上所设置的安全阀的整定压力应根据工艺要求确定,当工艺无特殊要求时应根据调压器出口压力p1确定:

 

  p110 kPa时,安全阀的整定压力小于等于用气设备燃烧器的最高允许工作压力;

 

②当10 kPap10.08 MPa 时,安全阀的整定压力应大于系统最高工作压力,且小于等于1.5 p1

 

③当0.08 MPap10.4 MPa时,安全阀的整定压力应大于系统最高工作压力,且小于等于p1+0.04 MPa

 

④当p10.4 MPa 时,安全阀的整定压力应大于系统最高工作压力,且小于等于1.1 p1

 

2.1.2 排放压力

 

排放压力是当阀瓣达到规定开启高度时,在安全阀进口处测得的压力。排放压力通常为整定压力的1.051.10倍。

 

2.1.3 背压

 

背压是安全阀开启前在其出口处的静压力与安全阀开启后介质在安全阀出口管及放散管内流动所产生的阻力之和。背压不宜大于整定压力的10%

 

2.2  几何参数

2.2.1 开启高度

 

开启高度是阀瓣离开关闭位置的实际行程。

 

2.2.2 全启式安全阀的最大开启高度

 

系统压力达到整定压力时,阀瓣迅速上升至最大高度,这种安全阀称为全启式安全阀。根据HG 20570.295《安全阀的设置与选用》(以下简称HG 20570.295),对于全启式安全阀,其阀瓣的最大开启高度不小于流道直径的0.25倍。

 

2.2.3 微启式安全阀的最大开启高度

 

系统压力达到整定压力时,阀瓣的开启高度随系统压力的升高而成比例升高,这种安全阀称为微启式安全阀。根据HG 20570.295,对于微启式安全阀,其阀瓣的最大开启高度应不小于流道直径的0.0250.050倍。

 

2.2.4 流道面积

 

流道面积是安全阀阀座喉部最小横截面积。

 

2.2.5 流道直径

 

安全阀喉部横截面为圆形,则其对应流道面积的直径称为流道直径。

 

2.2.6 公称直径

 

 

1   安全阀公称直径与流道直径           mm

 

2.3  排量参数

2.3.1 理论排量

 

理论排量是截面积与安全阀流道面积相等的理想喷管的计算排量,认为流动没有任何阻力影响。

 

2.3.2 实际排量

 

实际排量是安全阀在实际工况下的排放量。因为介质在安全阀内流动实际存在阻力,所以安全阀的实际排量比理论排量小。

 

2.3.3 排量系数

 

排量系数即安全阀的实际排量和理论排量的比值,是表述安全阀流通能力的参数。排量系数与安全阀结构有关,应根据实验数据确定。无参考数据时,可按下述推荐值选取:全启式安全阀取0.600.70,带调节圈的微启式安全阀取0.400.50,不带调节圈的微启式安全阀取0.250.35。调节圈是使微启式安全阀保持在最佳工作状态的一种调节元件,以改善安全阀工作时的不正常现象,同时提高微启式安全阀的性能。

 

2.3.4 安全泄放量

 

安全泄放量是指系统出现超压时,为了保证安全,安全阀必须达到的排放量。

 

根据设计经验,当系统压力(即调压器出口压力)小于0.4 MPa,系统下游直接接用户(例如中低压锅炉或低压民用户)时,管道容量较小。当调压器出现故障时,为了保护用气设备及计量装置,需要快速排放,安全泄放量应不小于系统流量的30%

 

当系统压力(即调压器出口压力)大于或等于0.4 MPa时,通常为区域调压,系统下游接燃气输配管网。通常燃气输配管网的设计压力高,而运行压力低,一般不需要快速排放。因此,安全泄放量为系统流量的3%5%

 

3   安全阀类型选择

3.1  弹簧式安全阀

3.1.1 原理

 

 

3.1.2 优点

 

①结构简单,可靠性高。

 

②对介质不过分挑剔,适用范围广。

 

③直接作用式,反应灵敏。

 

④价格低。

 

3.1.3 缺点

 

①密封性不高。由于阀瓣和阀座之间的密封力随系统介质压力的升高而降低,系统压力小于且接近安全阀整定压力时,就有少量介质泄漏排放,因此,弹簧式安全阀不适合整定压力高的场所。

 

②排放能力受背压影响较大。背压越大,越不利于安全阀的排放。

 

3.2  先导式安全阀

3.2.1 原理

 

先导式安全阀结构见图2。先导式安全阀包括主阀、导阀和导管。在正常工况下,主阀处于关闭状态,导阀瓣在弹簧的作用下位置靠下,介质从安全阀进口经由导阀导管、导阀气室和主阀导管进入主阀气室。这样系统压力既作用于主阀瓣的下方,又作用于主阀瓣的上方,由于主阀瓣上部承压面积大于其下部承压面积,因此,作用于主阀瓣上向下的力大于向上的力,主阀处于稳定的关闭状态。随着系统压力的上升,主阀瓣受到的向下的作用力与向上的作用力的差值更大,密封更严,这和弹簧式安全阀情况正好相反。

 

2   先导式安全阀结构

 

当系统压力异常,达到或超过整定压力时,导阀瓣受介质压力作用而上移,与导阀座紧密结合。此时,导阀导管向导阀气室、进而通过主阀导管向主阀气室的进气被切断,同时导阀排放口和导阀气室连通,导致导阀气室、主阀导管和主阀气室内的气体从导阀排放口快速排出。这样主阀瓣上部的压力急剧下降,主阀瓣在下部气体压力的作用下离开阀座,系统内气体从主阀的出口迅速大量排放,使系统内压力恢复到正常的工作压力。导阀的工作原理同弹簧式安全阀。系统的整定压力是通过导阀的调整螺杆来设定的。

 

3.2.2 优点

 

①密封性能好,阀座密封力随系统介质压力的升高而升高,因此,可以使系统在较高系统压力下高效能地工作。

 

②动作性能不受背压的影响。

 

3.2.3 缺点

 

①对介质比较挑剔,不适用于较脏或较粘稠的介质,这是因为此类介质会堵塞导管及导阀气室。

 

②动作过程由主阀和导阀二者配合控制,不像弹簧式安全阀那样响应灵敏。

 

③价格高。

 

3.3  选型原则

 

根据HG 20570.295,排放气体或蒸汽时,选用全启式安全阀;排放液体时,选用全启式或微启式安全阀。整定压力大于或等于0.2 MPa时选用先导式安全阀,整定压力小于0.2 MPa时选用弹簧式安全阀。

 

4   安全阀流道直径计算

4.1  计算原则

 

在进行安全阀流道直径计算时,基本原则是保证安全阀的实际排量大于系统的安全泄放量,实际排量和流动状态有关。计算出流道直径后,根据表1确定安全阀的公称直径。

 

根据GB/T 122412005《安全阀一般要求》,上游来气压力一定的情况下,在达到临界流动状态之前,气体通过一个孔(例如安全阀的流道)的流量随着下游压力的减小而增加。一旦达到临界流动,下游压力的进一步减小将不会使流量继续增加。

 

4.2  临界流动状态下流道直径计算

 

满足式(1)时,流动处于临界流动状态。

 

 

根据GB/T 122412005,临界流动状态下的理论排量按式(2)计算。

 

 

 

实际排量为理论排量和排量系数的乘积,见式(5)。

 

 

为了保证系统安全,安全阀的实际排量应大于安全泄放量,即:

 

 

将式(2)、(4)、(5)代入式(6),可得:

 

 

安全阀阀座喉部截面积为圆形,根据式(8),与流道面积A对应的流道直径需满足下式:

 

 

4.3  亚临界流动状态下的流道直径计算

 

满足式(10)时,流动处于亚临界流动状态。

 

 

根据GB/T 122412005,亚临界流动状态下的理论排量按式(11)计算。

 

 

 

和临界流动状态下流道直径的推导同理,对于亚临界流动状态,流道直径需满足下式:

 

 

5   安全阀选型实例

 

以北京市常见的次高压A-中压A区域调压柜为例,下游接中压A管网,调压器进口压力为0.61.0 MPa,调压器出口压力为0.4 MPa,系统流量为50 000 m3/h。调压器出口管道上安全阀的选型过程如下。

 

  性参数的确定

 

天然气的主要组分是甲烷,因组成不同,不同来源的天然气参数存在一定差异。以北京燃气集团和中石油结算时所取天然气的参数为例,标准状态取温度为 20 ℃,绝对压力为101.325 kPa。天然气在标准状态下的密度为0.867 6 kg/m3。考虑安全阀排放气的温度为20 ℃,则ρ00.867 6 kg/m3p00.101 MPaT0293 K,T293 K

 

对于天然气,等熵指数κ取1.3,则:

 

 

②安全阀类型的确定

 

调压器出口压力等于0.4 MPa,并且下游接管网。根据第3.3节的选型原则,采用先导式安全阀。介质为气体,动作型式为全启式。根据第2.3.3条的推荐值,排量系数k00.65

 

③实际排放压力(绝对压力)pd的确定

 

调压器出口压力等于0.4 MPa,根据第2.1.1条的规定,整定压力取0.44 MPa。根据第2.1.2条的推荐值,排放压力取0.48 MPa,则对应实际排放压力(绝对压力)pd0.581 MPa

 

④背压(绝对压力)pb的确定

 

城镇燃气通常直接对大气排放,安全阀开启前在其出口处的静压力为大气压。根据第2.1.3条阐述,背压为大气压和出口段流动阻力之和,并且小于等于整定压力的10%。因为实际工况存在一定的流动阻力,所以背压大于大气压。整定压力取0.44 MPa,则背压需小于等于0.044 MPa。因此,背压(绝对压力)pb满足式(16)。

 

 

⑤流动状态的确定

 

P/ p≤ 0.145 / 0.581

 

即:

 

P/ p≤ 0.25

 

结合式(14),此流动状态满足式(1),则处于临界流动状态。

 

⑥安全泄放量qV的确定

 

根据第2.3.4条的设计经验数据,安全泄放量为系统流量的3%5%qV2 500 m3/h

 

⑦流道直径计算

 

qV=2 500 m3/hC=2.63k0=0.65pd=0.581 MPa、ρ0=0.867 6 kg/m3p0=0.101 MPaT0=293 KT=293 K代入式(9),得:

 

d32.29 mm

 

查表1,选取流道直径为40 mm,全启式安全阀进口公称直径为65 mm。出口公称直径比进口公称直径大一档,为80 mm

 

6   结论

 

在城镇燃气的调压系统中,介质为气体,推荐采用全启式安全阀。当调压器出口压力小于0.4 MPa,下游直接接用户时,为了保护用气设备及计量装置,需要快速排放,安全阀的安全泄放量应不小于系统流量的30%。当调压器出口压力大于或等于0.4 MPa,下游接输配管网时,不需要快速排放,安全阀的安全泄放量一般为系统流量的3%5%。安全阀流道直径计算的原则是保证实际排放量大于安全泄放量。通过计算安全阀的流道直径,选取合适的公称直径。

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