安全泄放系统工艺设计要点分析

梁彦鹏

摘 要：目前，大多数化工生产过程都会遇到高压工况，导致化工装置设备管道超压的主要原因包括火灾、操作失误、设备机械故障、电力故障等。为保证化工生产安全、可靠的进行，安全泄放系统的设计必不可少。本文重点介绍了安全泄放系统设计要点，安全泄放系统的范围，安全泄放设施的种类，安全泄放的计算。

关键词：安全泄放系统;安全阀;爆破片;火炬;背压;泄放量

石油化工、煤化工、精细化工、医药化工生产过程中不可避免会涉及到高温、高压工况。如果操作压力超过设备的设计压力，会导致设备变形、泄漏、甚至破裂，严重的会造成火灾、爆炸事故。为了保证化工装置安全生产，防止发生火灾、爆炸事故，必须设计安全泄放系统。在化工生产过程中，非正常情况下可能超压的设备，都需要进行安全泄放系统的设计。安全泄放系统，作为保护装置设备的最后一道保护措施，必须引起高度重视。化工设计过程中必须对安全泄放设施、安全泄放管道进行严格计算，留有足够余量，保证安全泄放系统稳定、可靠，遇到非正常超压工况能够有效保护装置设备，避免安全事故。

1 安全泄放的分类和组成

安全泄放系统包括安全泄放装置和后续的泄放尾气处理。常用的安全泄放设施主要包括：安全阀、爆破片、呼吸阀、泄爆人孔、液压安全阀。泄放尾气处理系统主要有：火炬系统、紧急泄放罐和尾气处理装置。

①安全阀：安全阀是通过排放部分介质以保护生产设备的安全，防止出现介质泄漏、设备损坏、火灾爆炸等安全事故;②爆破片：爆破片是防止设备超压破坏的另一类重要的安全装置，可对急剧升高的压力迅速做出反应。具有泄放面积大、动作灵敏、精密度高、密封性好、耐腐蚀和不宜堵塞等优点，广泛应用于化工、石油、制药等部门;③呼吸阀：呼吸阀可以保护常压设备免受超压或超真空度破坏的安全设置;④紧急泄压人孔：紧急泄压人孔是快速泄压装置，其技术性能、主要零部件材料与呼吸人孔相同;⑤液压安全阀：液压安全阀是装设在油罐顶上，保护油罐安全的一个重要附件。当机械呼吸阀发生故障时，液压安全阀就能代替机械呼吸阀进行排气或放气;⑥火炬系统：火炬系统是用来处理石油化工厂、炼油厂、化工厂及其其他工厂或装置无法回收和再加工的可燃和可燃有毒气体及蒸汽的特殊燃烧设施，是保证工厂安全生产、减少环境污染的一项重要措施。

2 安全泄放方式的选取

2.1 安全阀适用于清洁、无微粒、粘度不高的气体或液体

例如：①顶部最高操作压力不小于0.1MPa的压力容器;②顶部最高操作压力大于0.03MPa的蒸馏塔、蒸发塔。

2.2 爆破片适用于以下工况

①压力会迅速上升;②泄放的介质含有固体颗粒、易结晶、易沉淀、易聚合;③泄放介质具有较大粘度;④泄放介质具有强腐蚀性，使用安全阀成本较高;⑤较大的泄放面积的工况。

但是以下工况不宜使用爆破片作为安全泄压方式：①经常超压的工况;②有较大温度波动的工况。

2.3 安全阀和爆破片组合使用

①对于泄放介质十分昂贵或者泄放介质有剧毒的工况，一般采用爆破片和安全阀串联，为了减少爆破造成的物料损失，在安全阀的入口处设置一个爆破片;②若泄放总管中存在腐蚀环境，爆破片需设置在安全阀的出口处;③对于特殊工况下设备压力迅速升高的场所，可以采用爆破片与安全阀并联使用;④为了增加火灾工况下的泄放面积，也可采用爆破片与安全阀串联使用。

2.4 呼吸阀

对于常压储罐，为了减少储罐内液体挥发而损失，降低环境污染，保护常压储罐因超压而损坏，储罐顶部通常设置呼吸阀。

2.5 液压安全阀、紧急泄压人孔

当选用的呼吸阀不具有防冻措施时，在储罐上应设置相同口径的液压安全阀，防止呼吸阀损坏而造成设备超压。也可以采用紧急泄压人孔代替液压安全阀。

3 安全阀泄放计算

安全阀的计算与选型见下图：

3.1 常见工况计算泄放量W

3.1.1 精馏塔塔顶

安全阀泄放量为正常工况下塔顶的最大蒸汽量。

3.1.2 地上液体卧罐、球罐利用如下公式进行计算

根据美国石油学会标准API-520：对于有足夠的消防保护措施和有能及时排走地面上泄漏物料措施时，泄放量为：

否则，泄放量为：

其中：H-汽化热，kJ/kg;A-润湿面积，m2（计算方法参见HG/T 20570.2安全阀的设置和选用）;-容器外壁校正系数。

3.1.3 储存气体容器外部火灾下泄放量计算

其中：A1-暴露面积，m2;Tw-金属壁温，K，对碳钢为593℃（866K）;T-泄放温度，K;M-分子量;P-泄放压力，MPa。

3.2 根据泄放量计算最小泄放面积

3.2.1 气体或蒸汽在临界流动条件下的最小泄放面积

其中：Co-流量系数（由制造厂提供，若无制造厂数据取Co=0.975）;X-特征系数（取值参见HG/T 20570 P48表16.0.1）;Kb-背压修正系数（取值参见HG/T 20570 P45;临界流动下，对于弹簧式安全阀Kb=1）;T-泄放温度，K（注意单位）;Z-压缩因子（查图）;M-分子量;P-泄放压力，MPa。

3.2.2 水蒸汽的最小泄放面积

其中：Ksh-过热蒸汽校正系数（取值参见HG/T20570）;

KN-Napier系数（取值参见HG/T20570）。

3.2.3 安全阀出口管道的设计

安全阀出口管道的管径不应小于安全阀的出口直径。

直接排至大气的管道，排放管出口马赫数取值不应大于0.5;对于排入密闭系统的管道，马赫数取0.5～0.7。马赫数计算公式如下：

其中：Ma-马赫数;Ua-声速，m/s;Pd-物料压力，MPa;K-绝热指数;Gg-气体密度，kg/m3。

对于排入火炬系统的管道，除满足上述两条外，还需核算安全阀出口至火炬系统的压降。

4 安全泄放尾气系统

安全阀泄放的尾气去向一般分为两种，第1种尾气去火炬系统、第二种去尾气处理。

当安全泄放尾气去火炬系统时，安全阀的背压必须大于安全阀出口管道的阻力降。对于爆破片泄放装置，泄放气体一般先经过紧急泄放罐后去尾气处理装置，紧急泄放罐用于收集爆破片泄放可能夹带的液体。由于尾气处理装置一般都设有引风机，泄放罐后的尾气可以不带压力，因此这种工况下，爆破片的背压可以为0。

5 结语

安全泄放系统作为一个安全设施，在化工、石化、医药生产领域起着至关重要的作用。安全泄放系统设计的好坏直接关系到安全生产，关系到国家和人民的生命财产安全。因此，安全泄放系统设计必须引起设计师门高度重视，在设计过程中要确保设计安全可靠。

参与文献：

[1]龚珑，周文军.安全泄放装置的设置、选型与计算[J].化工设计，2009（40）：28-32.