液氨儲罐的安全閥的計算、選型和安裝

杜云濤 楊洋 黃炳光(信息產業電子第十一設計研究院科技工程股份有限公司 四川 成都 610000)

前言

液氨儲罐一般設計壓力為2.16MPa,根據《壓力容器安全技術監察規程》,屬于第三類壓力容器，必須設計安全閥【1】。安全閥能有效防止氨罐內部壓力超過限度而發生爆裂或泄漏，準確進行安全閥的計算和選型非常重要。本文針對液氨、氣氨的物性，將液氨儲罐安全閥計算公式進一步簡化，以方便設計人員計算和選型。

一、氨罐安全泄放量的計算

氨罐的安全泄放量是氨罐在超壓時為保證它的壓力不再升高，在單位時間內所必須泄放的氣量。在計算安全閥時，應該考慮最為苛刻的狀態下產生的最大泄放量，才能滿足所有的情況都能使用。當氨罐暴露在外部火災時，液氨汽化，氨罐壓力迅速升高，安全閥的泄放量最大，一般情況，氨罐不設置保溫層，氨罐安全泄放量按照下式計算：

式中：W——液氨儲罐的安全泄放量，kg/h；

Hl——泄放條件下的汽化熱，k J/kg；

Ae——潤濕面積，m2；

F——儲罐外壁校正系數，儲罐在地面上無保溫：F＝1.0；儲罐在地面下用砂土覆蓋：F＝0.3；儲罐頂部設有大于10L/(m2·m in)水噴淋裝置：F=0.6。

不同型式設備的濕潤面積計算不同，對橢圓封頭臥式儲罐，Ae=πD(L+0.3D)；對于立式儲罐或半球形封頭臥式儲罐，Ae=πDL；對于球形儲罐，Ae=0.5πD2。上述公式中：D為設備外徑，m；L為臥罐總長(包括封頭)或立罐最高液位，m【3】。

二、最小泄放面積的計算

最小泄放面積為物料流經安全閥時通過的最小截面積。根據安全閥背壓大小不同，安全閥的排氣能力應按臨界條件和亞臨界條件進行計算【3】。臨界條件滿足公式否則為亞臨界流動。

式中:

Pb——背壓(安全閥出口側壓力，絕壓)，MPa；

Pcf——臨界流動壓力，MPa；

Pd——泄放壓力或排放壓力，Pd=1.1 Ps+0.1，(絕壓)MPa；

k——絕熱指數，對于氨氣，k=1.31；

Ps——安全閥的開啟壓力或整定壓力，一般為最高工作壓力的1.05-1.1倍，(絕壓)MPa；

液氨儲罐安全閥放空氣一般排放至氨氣洗滌系統集中處理，其背壓接近當地大氣壓。一般情況，液氨儲罐的工作溫度40℃，工作壓力1.9 MPa，安全閥的開啟壓力Ps=1.06×1.9=2.0 MPa，泄放壓力Pd=1.1×2.0+0.1=2.3 MPa，背壓Pb約為0.1 MPa。代入上式判斷液氨儲罐安全閥排放狀態一般為臨界條件【3】。臨界狀態下，安全閥的最小泄放面積計算公式為：

式中：

A——最小泄放面積，mm2；

W——液氨儲罐的安全泄放量，kg/h；

K——安全閥的流量系數，由制造廠提供，若沒有制造廠的數據時，對于全啟式安全閥K=0.6～0.7；對于帶調節圈的微啟式安全閥:K=0.4～0.5；對于不帶調節圈的微啟式安全閥：K=0.25～0.35；液氨儲罐需要較大的排氣能力，選用全啟式安全閥，K取0.6比較合適。

Pd——泄放壓力，MPa；

Z——安全閥進口處氣體壓縮因子，查氣體壓縮因子圖即可；

T——泄放溫度，即泄放壓力下的飽和蒸汽的溫度，K；

M——分子量，氨氣取17.03kg/kmol。

公式(1)代入(2)中，簡化得到液氨儲罐安全閥的最小泄放面積。

三、氨罐安全閥的選型

由于液氨容易汽化，氨罐需要較大的排氣能力，需要選用全啟式安全閥。根據上面計算出的安全閥最小泄放面積，計算安全閥喉徑：

對于壓力容器，要求安全閥的排量必須大干等于壓力容器的安全泄放量，上式計算出的喉徑是最小理論喉徑，在實際選型時應考慮一定富余。查詢安全閥公稱直徑與喉徑關系或喉徑代號與喉徑截面積關系即可確定安全閥尺寸型號。液氨儲罐工作壓力比較高，安全閥一般選用PN 25以上的公稱壓力。

氨罐安全閥必須是密封式，有效防止氨氣外漏，密封面采用PTFE(聚四氟乙烯)軟密封，安全閥材質要求不能用銅材料。

四、氨罐安全閥的安裝

安全閥收貨時檢查其產品合格證及出廠壓力調試報告，安裝前要送到當地校驗所進行再次復校，加以鉛封并出具安全閥校驗報告【2】。安全閥應垂直安裝，保持良好的密封性，并裝設在容器或管道氣相界面位置上。安全閥的出口阻力盡可能小，裝設排泄總管，其內徑應大于安全閥的出口通徑，低溫天氣安全閥排除口應注意防凍，防止水氣結冰堵塞。

安全閥入口處應安裝氨用切斷閥，正常運行時，該閥必須保持全開并加鉛封，切斷閥的直徑不應小于安全閥的入口直徑。超過100m3的液氨儲罐應設雙安全閥。

安全閥宜設旁通線，旁通線的管徑不宜小于安全閥的入口直徑。

結論

安全閥設置的正確與否對整個裝置系統的安全生產起著舉足輕重的作用，因此在液氨罐的設計過程中，一定要重視安全閥的計算及選型。

[1]TSGR0004-2009.固定式壓力容器安全技術監察規程.

[2]GB/T 12241-2005.安全閥的一般要求[S].

[3]HG/T20570.2-1995安全閥的設置和選用[S].