張宇劍

（中石化上海工程有限公司，上海 200120）

1 引言

安全閥在系統(tǒng)中起安全保護(hù)作用，其設(shè)定壓力一般小于或者等于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力。當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到安全閥的設(shè)定壓力時(shí)，安全閥打開(kāi)，將系統(tǒng)中的一部分物料排出，從而保證系統(tǒng)不因壓力過(guò)高而發(fā)生事故（比如壓力容器因壓力過(guò)高而破裂后，其中有毒有害、易燃易爆的工藝物料外泄而引起爆炸、中毒等危害）。當(dāng)系統(tǒng)通過(guò)安全閥排出一定量的物料之后，系統(tǒng)內(nèi)的壓力開(kāi)始降低，直至降低到安全閥的回坐壓力時(shí)安全閥關(guān)閉，以避免因過(guò)多的物料排出而造成不必要的浪費(fèi)。

安全閥所需泄放量一般按照API 521 對(duì)各種工況進(jìn)行分析而得到。在API 521-2007 的表格“Table 2 – Guidance for required relieving rates under selected conditions”中，簡(jiǎn)要羅列了各工況下液相及氣相所需泄放量的確定[1]。

塔系統(tǒng)，一般包括塔、塔頂回流罐、塔頂冷凝器、塔釜再沸器、進(jìn)料泵、回流泵、出料泵等設(shè)備，屬于較復(fù)雜的系統(tǒng)。塔系統(tǒng)安全閥的工況分析不同于一般單元操作設(shè)備，有一些其特有的超壓工況，比如塔頂氣相出口閥門關(guān)閉、塔頂冷凝器冷卻水故障、回流故障、塔釜過(guò)度熱量輸入等，這些工況的分析均需要結(jié)合整個(gè)塔系統(tǒng)進(jìn)行分析，而不能只局限于塔本體這個(gè)設(shè)備。為了更直觀地探討塔系統(tǒng)的這些超壓工況，本文將結(jié)合筆者在具體工程項(xiàng)目中遇到的一個(gè)塔系統(tǒng)，對(duì)塔系統(tǒng)相關(guān)的工況進(jìn)行分析與探討，給出可行的分析思路與計(jì)算方法。

2 塔系統(tǒng)安全閥若干工況的分析

2.1 流程簡(jiǎn)介

該塔系統(tǒng)的主要流程詳見(jiàn)圖1，主要包括塔T01、進(jìn)料泵P01、塔頂冷凝器E01、回流罐V01、回流泵P02、塔釜再沸器E02、塔釜出料泵P03 等。

進(jìn)料物流01 由P01 泵送進(jìn)塔，控制方案是流量控制（調(diào)節(jié)閥FV-01，失氣時(shí)狀態(tài)為FC）。在該塔系統(tǒng)的工藝流程中，塔頂和回流罐頂設(shè)有氣相平衡線，整個(gè)塔頂氣相部分的壓力由分程調(diào)節(jié)控制，壓力低時(shí)PV-01B 打開(kāi)補(bǔ)氮增壓，壓力高時(shí)PV-01A 打開(kāi)卸壓?；亓鞴轛01 內(nèi)的物料由泵P02 送出，一部分由流量控制（調(diào)節(jié)閥FV-03，失氣時(shí)狀態(tài)為FO）回流至塔；另一部分送往下游，其流量與V01 的液位串級(jí)控制（調(diào)節(jié)閥FV-02，失氣時(shí)狀態(tài)為FC）。塔釜出料經(jīng)P03 送出至下游，其流量與塔的液位串級(jí)控制（調(diào)節(jié)閥FV-04，失氣時(shí)狀態(tài)為FC）。塔釜再沸器E02 中，熱源蒸汽走殼程，工藝物料走管程。熱源的控制點(diǎn)在蒸汽管線上，由塔的靈敏板溫度串級(jí)控制蒸汽流量（調(diào)節(jié)閥FV-05，失氣時(shí)狀態(tài)為FC）。

本系統(tǒng)中T01 與E01、E01 與V01 之間分別由氣相管線與氣相平衡管線連接，整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力相同。系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)安全閥，分別為T01 塔頂?shù)腜SV-01和V01 回流罐頂?shù)腜SV-02，設(shè)定壓力均設(shè)為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)壓力。以下對(duì)這些安全閥的工況進(jìn)行分析與探討。

2.2 塔頂安全閥PSV-01 若干工況分析

2.2.1 塔頂出口閥門關(guān)閉工況

根據(jù)API 521 規(guī)范，此工況的安全閥排放量描述為：“Total incoming steam and vapor plus that generated therein at relieving conditions”，筆者理解為在泄放條件下進(jìn)料中的氣相以及壓力系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的氣相之和。

圖1 塔系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

在本系統(tǒng)中，塔頂氣相出口至塔頂冷凝器E01 之間不設(shè)閥門，E01 和回流罐V01 之間設(shè)有切斷閥。當(dāng)該切斷閥關(guān)閉時(shí)，由于其下游的塔頂回流罐V01、回流泵P02 等還在繼續(xù)工作，因此在一段時(shí)間內(nèi)，塔的回流還處于正常情況，所以塔內(nèi)的氣液相負(fù)荷也處于正常情況。但由于切斷閥的關(guān)閉，E01 所冷凝的液相將從這個(gè)切斷閥處開(kāi)始積聚并逐漸沿著管道向上游阻塞直至將冷凝器E01 浸沒(méi)，冷凝器E01 的冷凝作用將逐漸減弱并最終失去，在整個(gè)過(guò)程中塔內(nèi)壓力將逐漸上升。由于氣相出口被堵塞，塔內(nèi)的氣相負(fù)荷變?yōu)?；而回流還未停，液相負(fù)荷還維持在正常流量，這就破壞了塔內(nèi)正常的氣液傳質(zhì)過(guò)程（多級(jí)氣液平衡）。因此可以將超壓泄放工況下的塔T01 簡(jiǎn)化為一個(gè)底部有熱源輸入的容器（即一級(jí)氣液平衡）。

由于塔壓降的作用，塔內(nèi)的壓力隨塔高變化，塔頂壓力最低，塔釜壓力最高。根據(jù)氣液平衡原理，對(duì)于一定組成的混合物，如果溫度不變，那么在氣液兩相區(qū)域內(nèi)壓力越低氣相分率越大。在超壓泄放工況下，塔內(nèi)壓力沿塔高越來(lái)越低，到塔頂處壓力最低；所以大體上塔內(nèi)產(chǎn)生的氣相量沿塔高越來(lái)越多，在塔頂處最多。如果忽略塔壓降的影響進(jìn)行簡(jiǎn)化，從壓力與氣相分率關(guān)系的角度來(lái)說(shuō)，也足以保證工況分析的結(jié)果能覆蓋塔內(nèi)產(chǎn)生的氣相量最大這一對(duì)安全閥來(lái)說(shuō)最苛刻的情況。

如上所述，可以忽略塔壓降的影響，并將超壓工況下的塔T01 簡(jiǎn)化為一個(gè)底部有熱源輸入的容器（即一級(jí)氣液平衡過(guò)程），詳見(jiàn)圖2。塔的進(jìn)料和回流流量維持正常流量不變，熱源通過(guò)塔釜的再沸器向塔內(nèi)輸入熱量。

圖2 塔的簡(jiǎn)化

在分析與計(jì)算的過(guò)程中，需要注意塔內(nèi)產(chǎn)生的氣相流量以及氣相溫度的合理性。

塔內(nèi)產(chǎn)生的氣相流量主要包括①塔的進(jìn)料和回流進(jìn)入塔時(shí)，在設(shè)定壓力下閃蒸產(chǎn)生的氣相量；以及②塔釜熱源輸入使塔釜物料部分氣化所產(chǎn)生的氣相量，兩者之和為此時(shí)塔內(nèi)產(chǎn)生的氣相總和。對(duì)于其中的第②部分氣相，還需要對(duì)塔釜再沸器的換熱面積進(jìn)行校核。

塔內(nèi)產(chǎn)生的氣相溫度應(yīng)小于靈敏板的控制溫度。由于塔釜熱源的流量由塔的靈敏板溫度串級(jí)控制（如果塔內(nèi)溫度過(guò)高，受儀表系統(tǒng)的控制，塔釜熱源調(diào)節(jié)閥會(huì)關(guān)小），而安全閥的分析不考慮兩種沒(méi)有關(guān)聯(lián)的超壓原因同時(shí)發(fā)生的可能性，所以在儀表系統(tǒng)調(diào)節(jié)功能正常運(yùn)作的狀態(tài)下，塔內(nèi)產(chǎn)生氣相的最大溫度為靈敏板的控制溫度。

以上為一般情況。特殊地，如果塔內(nèi)進(jìn)料的溫度本身就大于或等于靈敏板溫度時(shí)，塔釜熱源調(diào)節(jié)閥即使全關(guān)（即塔釜無(wú)熱量輸入），塔內(nèi)物料溫度也會(huì)大于靈敏板的控制溫度。這時(shí)只需考慮進(jìn)料在設(shè)定壓力下閃蒸產(chǎn)生的氣相量即可。

考慮到塔T01 頂部和回流罐V01 頂部氣相聯(lián)通，而且在氣相空間壓力過(guò)高時(shí)系統(tǒng)能夠通過(guò)排放閥PV-01A 排放一部分氣體，因此在分析時(shí)也需要考慮PV-01A 全開(kāi)所起到的卸壓作用。計(jì)算時(shí)需注意PV-01A的入口壓力并不等于安全閥的設(shè)定壓力，還應(yīng)考慮PSV-01 至PV-01A 之間的系統(tǒng)壓降。

將塔內(nèi)產(chǎn)生的氣相量，減去此時(shí)PV-01A 全開(kāi)所能排出的物料量，其差值即本工況安全閥所需泄放量。

根據(jù)上文的分析，本工況安全閥所需泄放量的計(jì)算主要步驟如下：

（1）比較塔的進(jìn)料和回流物料溫度與靈敏板控制溫度之間的高低。如果塔的進(jìn)料和回流物料溫度更高，轉(zhuǎn)步驟（2）；反之轉(zhuǎn)步驟（3）。

（2）在設(shè)定壓力下，對(duì)進(jìn)料和回流進(jìn)行一次閃蒸計(jì)算（利用各類流程模擬軟件，經(jīng)過(guò)一次閃蒸計(jì)算即可得出涵蓋塔內(nèi)氣相量?jī)蓚€(gè)產(chǎn)生來(lái)源的氣相產(chǎn)生總量），將得到的氣相量減去此時(shí)PV-01A 全開(kāi)所能排出的物料量，其差值即本工況安全閥所需泄放量。計(jì)算完畢。

（3）在設(shè)定壓力、靈敏板控制溫度下，對(duì)進(jìn)料和回流進(jìn)行一次閃蒸計(jì)算。將計(jì)算得到的熱負(fù)荷、氣液相物料的流量和物性等已知數(shù)據(jù)輸入換熱器計(jì)算軟件進(jìn)行換熱面積校核。如果再沸器的換熱面積足夠，轉(zhuǎn)步驟（4）；反之轉(zhuǎn)步驟（5）。

（4）將步驟3 計(jì)算得到的氣相量減去此時(shí)PV-01A全開(kāi)所能排出的物料量，其差值即本工況安全閥所需泄放量。計(jì)算完畢。

（5）利用換熱器計(jì)算軟件反算此時(shí)塔釜內(nèi)所能產(chǎn)生的氣相量，減去此時(shí)PV-01A 全開(kāi)所能排出的物料量，其差值即本工況安全閥所需泄放量。計(jì)算完畢。

可見(jiàn)塔的安全閥工況分析必須考慮各方面條件的約束才能得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

2.2.2 冷卻水發(fā)生故障

當(dāng)發(fā)生冷卻水停水故障時(shí)，由于冷凝器失去功能，氣相堵塞，壓力上升。類似“出口閥門關(guān)閉工況”，塔內(nèi)的氣相負(fù)荷為0，而液相負(fù)荷在一段時(shí)間內(nèi)維持正常狀態(tài)。本工況產(chǎn)生原因與“出口閥門關(guān)閉工況” 雖然不同，不過(guò)泄放狀態(tài)下塔內(nèi)發(fā)生的過(guò)程與“出口閥門關(guān)閉工況”基本相同，因此本工況的安全閥所需泄放量的計(jì)算可參照“出口閥門關(guān)閉工況”。

2.2.3 回流發(fā)生故障

當(dāng)塔的回流發(fā)生故障時(shí)，塔內(nèi)精餾段的液相負(fù)荷為0，提餾段的液相負(fù)荷最多相當(dāng)于進(jìn)料01 的流量。（因提餾段液相負(fù)荷取決于進(jìn)料的熱狀態(tài)，物料01 進(jìn)塔后閃蒸，氣相進(jìn)入精餾段，液相進(jìn)入提餾段。極端工況為全液相，所有進(jìn)料進(jìn)入提餾段。）

此工況發(fā)生時(shí)，精餾段幾乎不會(huì)發(fā)生氣液傳質(zhì)；塔釜熱源僅用于氣化進(jìn)料中的液相，因此塔內(nèi)僅提餾段的各塊塔板（或填料）中可能還會(huì)發(fā)生氣液傳質(zhì)（如果進(jìn)料為過(guò)熱氣相，且過(guò)熱度較大，以致提餾段液相負(fù)荷為0，則提餾段也不發(fā)生氣液傳質(zhì)）。所以塔內(nèi)氣相負(fù)荷在提餾段可能會(huì)有變化，而在精餾段將基本維持不變（即精餾段可以簡(jiǎn)化為一個(gè)閃蒸罐）。

為了簡(jiǎn)化處理，將此工況下的塔T01 簡(jiǎn)化為一個(gè)閃蒸罐進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算步驟類似“出口閥門關(guān)閉工況”，僅需修改塔的回流量為0 即可。

2.2.4 塔釜過(guò)度熱量輸入

根據(jù)API 521 規(guī)范，此工況的安全閥排放量描述為：“Estimated maximum vapor generation including noncondensables from overheating”，筆者理解為在泄放條件下壓力系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的最大蒸汽量。

在塔正常運(yùn)行過(guò)程中，塔釜熱量突然發(fā)生過(guò)量輸入，即熱源調(diào)節(jié)閥FV-05 開(kāi)大，此時(shí)塔內(nèi)的氣相負(fù)荷增加，而液相負(fù)荷不變（進(jìn)料01 不變；回流由泵和流控閥FV-03 控制，也不變），塔的正常操作被破壞。因此塔釜的熱量將加速把塔釜儲(chǔ)存的液相氣化成氣相，導(dǎo)致壓力升高。類似于“回流發(fā)生故障工況”，將此工況的T01 簡(jiǎn)化成一個(gè)閃蒸罐。分析步驟如下：

第一步：計(jì)算進(jìn)料01 和回流08 進(jìn)入T01，在泄放壓力下的泡點(diǎn)溫度。然后將這個(gè)泡點(diǎn)溫度與塔釜熱源進(jìn)行比較。

（1）如果泡點(diǎn)溫度高于塔釜熱源溫度，意味著在泄放壓力下，塔內(nèi)物料即使由熱源加熱至極限溫度（即熱源溫度），塔內(nèi)物料也不會(huì)氣化（未達(dá)到泡點(diǎn)溫度），因此不會(huì)造成安全閥起跳。

（2）如果泡點(diǎn)溫度低于塔釜熱源溫度，說(shuō)明塔釜熱源的輸入會(huì)導(dǎo)致塔內(nèi)物料在泄放壓力下產(chǎn)生一定量的氣相（即需要泄放的氣量）。此時(shí)需要繼續(xù)計(jì)算。

第二步：計(jì)算進(jìn)料01 和回流08 進(jìn)入T01，在泄放壓力、極限溫度（即塔釜熱源溫度。因塔釜熱源調(diào)節(jié)閥FV-05 全開(kāi)，靈敏板溫度控制失靈）下產(chǎn)生的氣相量。

塔釜蒸汽的產(chǎn)生通過(guò)塔釜再沸器實(shí)現(xiàn)，對(duì)于熱虹吸式再沸器，熱虹吸的動(dòng)力源是塔釜液位和再沸器液位的位差，塔釜依靠這個(gè)位差來(lái)克服熱虹吸過(guò)程的流動(dòng)阻力。隨著塔釜?dú)饣康脑黾樱鲃?dòng)阻力增加，因此塔釜再沸器產(chǎn)生的蒸汽量有個(gè)極限值，即位差正好克服流動(dòng)阻力從而維持熱虹吸過(guò)程。

因此對(duì)第二步計(jì)算所得的氣相量，需要進(jìn)行熱虹吸流動(dòng)阻力的校核。

（1）如果計(jì)算所得的氣相量產(chǎn)生的熱虹吸流動(dòng)阻力小于位差提供的推動(dòng)力，那么這部分氣相量再減去此時(shí)PV-01A 全開(kāi)所能排出的物料量以及塔頂冷凝器E01 能夠液化的物料量，其差值即本工況的安全閥所需泄放量。

（2）如果計(jì)算所得的氣相量產(chǎn)生的熱虹吸流動(dòng)阻力大于位差提供的推動(dòng)力，那就需要反算位差正好克服熱虹吸流動(dòng)阻力時(shí)的氣相量，再減去此時(shí)PV-01A 全開(kāi)所能排出的物料量以及塔頂冷凝器E01 能夠液化的物料量，其差值即本工況的安全閥所需泄放量。

2.2.5 進(jìn)料閥FV-01 故障開(kāi)大的工況

在本系統(tǒng)中，進(jìn)料為液相，靈敏板在提餾段。本工況發(fā)生時(shí)，進(jìn)料量增加，而回流量不變，所以提餾段的液相負(fù)荷增大，靈敏板溫度降低，由靈敏板溫度串級(jí)控制的塔釜熱源調(diào)節(jié)閥FV-05開(kāi)大，塔釜熱源增加，塔釜有更多的液相被氣化成氣相，塔內(nèi)氣相負(fù)荷增大，可能引起超壓。

此工況的分析與計(jì)算類似“塔釜過(guò)度熱量輸入工況”，不過(guò)需要把“塔釜過(guò)度熱量輸入工況”中的進(jìn)料01 的流量由正常流量改為本工況下由調(diào)節(jié)閥全開(kāi)時(shí)的CV 值算出的FV-01 全開(kāi)工況的流量。

2.2.6 火災(zāi)工況

火災(zāi)工況下，考慮距地面7.5 m 或距能形成大面積火焰的平臺(tái)之上7.5 m 高度范圍內(nèi)、在設(shè)備最高操作液位以下的外表面積作為受熱面，詳細(xì)計(jì)算過(guò)程本文不做贅述，可參照API 521-2007 的5.15 節(jié)。

2.3 回流罐頂安全閥PSV-02 若干工況分析

2.3.1 氣相泄放工況

由于本系統(tǒng)中，塔T01 和回流罐V01 氣相聯(lián)通，而且PSV-01 與PSV-02 的設(shè)定壓力也相同，因此對(duì)于壓力源在上游設(shè)備的氣相超壓工況，當(dāng)上游安全閥PSV-01設(shè)計(jì)泄放量大于所需泄放量時(shí)，僅PSV-01 會(huì)起跳泄放，而PSV-02 不起跳泄放。但須注意，有如下例外：

（1）本設(shè)備的火災(zāi)工況；

（2）氮?dú)忾yPV-01B 故障，在全開(kāi)位置。此時(shí)從壓力源分析，V01 在T01 的上游，因此如果此工況時(shí)發(fā)生安全閥起跳，則應(yīng)該是PSV-02 起跳。在不考慮兩種非正常工況同時(shí)發(fā)生的原則下，此工況發(fā)生時(shí)儀表系統(tǒng)的控制功能正常，PV-01A 也會(huì)打開(kāi)以泄壓。此時(shí)需要計(jì)算PV-01A 和PV-01B 在泄放壓力下的全開(kāi)流量，再進(jìn)行比較。如果排放閥PV-01A 的全開(kāi)流量更大，安全閥不會(huì)起跳；如果氮?dú)忾yPV-01B 的全開(kāi)流量更大，那么兩個(gè)調(diào)節(jié)閥全開(kāi)流量的差值為此工況安全閥PSV-02 的泄放量。

需注意，如果塔頂氣相中有無(wú)法被E-01 冷凝的不凝氣，則上述各工況的安全閥所需排量計(jì)算都需要疊加這部分不凝氣的量。

2.3.2 液相泄放工況

引起液相排放的工況一般是由于液相出口閥門關(guān)閉或者停泵等原因。根據(jù)API 521-2007 的5.4 描述，操作工能夠在10～30 min之內(nèi)對(duì)不正常工況進(jìn)行響應(yīng)。因此，需要計(jì)算罐內(nèi)正常液位至滿罐之間的緩沖時(shí)間，判斷操作工是否有足夠的響應(yīng)時(shí)間，進(jìn)而判斷是否需要考慮液相泄放的工況。

此外還需要注意，除了這些一次原因（直接原因）引起的排放工況之外，也需要考慮二次原因（間接原因）是否可能引發(fā)安全閥的起跳。同時(shí)，也需結(jié)合操作工的響應(yīng)時(shí)間，綜合分析與判斷這些工況。

3 總結(jié)

任何工藝系統(tǒng)都應(yīng)該視作一個(gè)整體，因而對(duì)安全閥各排放工況的分析也應(yīng)系統(tǒng)地進(jìn)行：不但要充分考慮工藝過(guò)程的操作參數(shù)、工藝流程、控制方案、管道與設(shè)備布置等各種直接的條件和限制，還要充分考慮間接因素引起超壓的可能性。

本文結(jié)合某項(xiàng)目的工程實(shí)例，對(duì)塔系統(tǒng)安全閥的幾個(gè)典型工況進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，提供了可行的分析思路和計(jì)算方法，對(duì)常見(jiàn)塔系統(tǒng)安全閥的工況分析具有一定的指導(dǎo)和參考作用。

[1] API 521-2007, Pressure-relieving and Depressuring Systems [S].