摘 要

介紹安全閥的壓力參數(shù)、幾何參數(shù)和排量參數(shù)，分析彈簧式安全閥和先導(dǎo)式安全閥的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)出不同工況下安全閥的選型方法。安全閥流道直徑計(jì)算的原則是保證實(shí)際排放量大于安全泄放量，據(jù)此推導(dǎo)出城鎮(zhèn)燃?xì)庹{(diào)壓器下游管道上安全閥流道直徑的計(jì)算公式，流道直徑與排放壓力、背壓、排量系數(shù)等因素有關(guān)。根據(jù)計(jì)算出的流道直徑選取合適的安全閥公稱直徑。結(jié)合北京市的實(shí)際工程，給出了安全閥的選型實(shí)例。

 摘　要：介紹安全閥的壓力參數(shù)、幾何參數(shù)和排量參數(shù)，分析彈簧式安全閥和先導(dǎo)式安全閥的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)，總結(jié)出不同工況下安全閥的選型方法。安全閥流道直徑計(jì)算的原則是保證實(shí)際排放量大于安全泄放量，據(jù)此推導(dǎo)出城鎮(zhèn)燃?xì)?a href=http://www.leakygutdiet.com/e/tags/?tagname=%E8%B0%83%E5%8E%8B target=_blank class=infotextkey>調(diào)壓器下游管道上安全閥流道直徑的計(jì)算公式，流道直徑與排放壓力、背壓、排量系數(shù)等因素有關(guān)。根據(jù)計(jì)算出的流道直徑選取合適的安全閥公稱直徑。結(jié)合北京市的實(shí)際工程，給出了安全閥的選型實(shí)例。

關(guān)鍵詞：安全閥；  彈簧式安全閥；  先導(dǎo)式安全閥；  城鎮(zhèn)燃?xì)?a href=http://www.leakygutdiet.com/e/tags/?tagname=%E8%B0%83%E5%8E%8B target=_blank class=infotextkey>調(diào)壓器

Type Selection Calculation of Safety Valve after Gas Regulator

Abstract：The pressure parameters，geometric parameters and displacement parameters of safety valve are introduced．The working principle，advantages and disadvantages of the spring-type safety valve and pilot safety valve are analyzed．The type selection methodsof safety valve under difierent conditions are summarized．The calculation principle of flow channel diameter of safety valve is to ensure that the actual?displacement is more than safety discharge，based on  which the calculation formula of flow channel diameter of safety valve on downstream pipeline of city gas regulator is deduced，and the diameter relates to the discharge pressure，back pressure and discharge coefficient and so on．The appropriate nominal diameter of safety valve is selected based on the calculated flow channel diameter．An example of selecting the type of safety valve is given with an actual engineering in Beijing City．

Keywords：safety valve；spring-type safety valve；pilot safety valve；city gas regulator

 

1　概述

GB 50028—2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱GB 50028—2006)規(guī)定，在燃?xì)庹{(diào)壓器入口(或出口)處，應(yīng)設(shè)置防止調(diào)壓器出口壓力過高的安全保護(hù)裝置。為此，城鎮(zhèn)燃?xì)夤こ唐毡椴捎玫姆绞绞窃谡{(diào)壓器下游管道上設(shè)置安全閥，安全閥出口接放散管，燃?xì)饨?jīng)由安全閥和放散管排放至大氣，從而有效地保證燃?xì)夤芫W(wǎng)和用氣設(shè)備的正常運(yùn)行。本文內(nèi)容包括城鎮(zhèn)燃?xì)庹{(diào)壓器后管道上安全閥類型選擇和主要技術(shù)參數(shù)的確定，以期對(duì)設(shè)計(jì)工作有一定偽借鑒

意義。

2　安全閥技術(shù)參數(shù)

安全閥是一種自動(dòng)閥門，它不借助任何外力，而利用被保護(hù)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱系統(tǒng))本身的壓力來自動(dòng)開啟，排出一定數(shù)量的介質(zhì)，以防止系統(tǒng)壓力超過額定的安全值。當(dāng)系統(tǒng)壓力恢復(fù)正常后，安全閥冉自動(dòng)關(guān)閉并阻止系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)繼續(xù)流出。

2.1　壓力參數(shù)

2．1．1  整定壓力

整定壓力是預(yù)先對(duì)安全閥設(shè)定的開啟壓力，在安全閥進(jìn)口處測(cè)得的壓力。系統(tǒng)壓力達(dá)到整定壓力時(shí)，系統(tǒng)壓力產(chǎn)生使安全閥開啟的力與使閥瓣保持在閥座上的力相平衡。以彈簧式安全閥為例，系統(tǒng)壓力達(dá)到整定壓力時(shí)，彈簧作用在閥瓣上表面向下的力與介質(zhì)作用在閥瓣下表面向上的力相平衡。彈簧式安全閥的結(jié)構(gòu)見圖1。

 

GB 50028—2006第6．6．10條第6款規(guī)定，調(diào)壓器出口管道上所設(shè)置的安全閥的整定壓力應(yīng)根據(jù)工藝要求確定，當(dāng)工藝無特殊要求時(shí)應(yīng)根據(jù)調(diào)壓器出口壓力p1確定：

①當(dāng)p1<10kPa時(shí)，安全閥的整定壓力小于等于用氣設(shè)備燃燒器的最高允許工作壓力；

②當(dāng)10kPa≤p1≤0.08MPa時(shí)，安全閥的整定壓力應(yīng)大于系統(tǒng)最高工作壓力，且小于等于1.5p1；

③當(dāng)0.08MPa≤p1≤0.4MPa時(shí)，安全閥的整定壓力應(yīng)大于系統(tǒng)最高工作壓力，且小于等于p1+0.04MPa；

④當(dāng)p1>0.4MPa時(shí)，安全閥的整定壓力應(yīng)大于系統(tǒng)最高工作壓力，且小于等于1.1p1。

2．1．2排放壓力

排放壓力是當(dāng)閥瓣達(dá)到規(guī)定開啟高度時(shí)，在安全閥進(jìn)口處測(cè)得的壓力。排放壓力通常為整定壓力的1.05～1.10倍[1]。

2．1．3背壓

背壓是安全閥開啟前在其出口處的靜壓力與安全閥開啟后介質(zhì)在安全閥出口管及放散管內(nèi)流動(dòng)所產(chǎn)生的阻力之和。背壓不宜大于整定壓力的10％[1]。

2.2　幾何參數(shù)

2．2．1開啟高度

開啟高度是閥瓣離開關(guān)閉位置的實(shí)際行程。

2．2．2全啟式安全閥的最大開啟高度

系統(tǒng)壓力達(dá)到整定壓力時(shí)，閥瓣迅速上升至最大高度，這種安全閥稱為全啟式安全閥。根據(jù)HG 20570．2—95《安全閥的設(shè)置與選用》(以下簡(jiǎn)稱HG 20570．2—95)，對(duì)于全啟式安全閥，其閥瓣的最大開啟高度不小于流道直徑的0.25倍。

2．2．3微啟式安全閥的最大開啟高度

系統(tǒng)壓力達(dá)到整定壓力時(shí)，閥瓣的開啟高度隨系統(tǒng)壓力的升高而成比例升高，這種安全閥稱為微啟式安全閥。根據(jù)HG 20570．2—95，對(duì)于微啟式安全閥，其閥瓣的最大開啟高度應(yīng)不小于流道直徑的0.025～0.050倍。

2．2．4流道面積

流道面積是安全閥閥座喉部最小橫截面積。

2．2．5流道直徑

安全閥喉部橫截面為圓形，則其對(duì)應(yīng)流道面積的直徑稱為流道直徑。

2．2．6公稱直徑

公稱直徑是經(jīng)過圓整后的標(biāo)準(zhǔn)化名義直徑。安全閥的公稱直徑分進(jìn)口公稱直徑和出口公稱直徑。全啟式安全閥的出口公稱直徑一般比進(jìn)口公稱直徑大一檔，而微啟式安全閥的進(jìn)、出口公稱直徑則一般是相同的。安全閥的公稱直徑通常指進(jìn)口公稱直徑，常見安全閥公稱直徑與流道直徑的關(guān)系見表1。

 

2.3　排量參數(shù)

2．3．1理論排量

理論排量是截面積與安全閥流道面積相等的理想噴管的計(jì)算排量，認(rèn)為流動(dòng)沒有任何阻力影響。

2．3．2實(shí)際排量

實(shí)際排量是安全閥在實(shí)際工況下的排放量。因?yàn)榻橘|(zhì)在安全閥內(nèi)流動(dòng)實(shí)際存在阻力，所以安全閥的實(shí)際排量比理論排量小。

2．3．3排量系數(shù)

排量系數(shù)即安全閥的實(shí)際排量和理論排量的比值，是表述安全閥流通能力的參數(shù)。排量系數(shù)與安全閥結(jié)構(gòu)有關(guān)，應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)確定。無參考數(shù)據(jù)時(shí)，可按下述推薦值選取[1]：全啟式安全閥取0.60～0.70，帶調(diào)節(jié)圈的微啟式安全閥取0.40～0.50，不帶調(diào)節(jié)圈的微啟式安全閥取0.25～0.35。調(diào)節(jié)圈是使微啟式安全閥保持在最佳工作狀態(tài)的一種調(diào)節(jié)元件，以改善安全閥工作時(shí)的不正常現(xiàn)象，同時(shí)提高微啟式安全閥的性能。

2．3．4安全泄放量

安全泄放量是指系統(tǒng)出現(xiàn)超壓時(shí)，為了保證安全，安全閥必須達(dá)到的排放量。

根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)系統(tǒng)壓力(即調(diào)壓器出口壓力)小于0.4MPa，系統(tǒng)下游直接接用戶(例如中低壓鍋爐或低壓民用戶)時(shí)，管道容量較小。當(dāng)調(diào)壓器出現(xiàn)故障時(shí)，為了保護(hù)用氣設(shè)備及計(jì)量裝置，需要快速排放，安全泄放量應(yīng)不小于系統(tǒng)流量的30％。

當(dāng)系統(tǒng)壓力(即調(diào)壓器出口壓力)大于或等于0.4MPa時(shí)，通常為區(qū)域調(diào)壓，系統(tǒng)下游接燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)。通常燃?xì)廨斉涔芫W(wǎng)的設(shè)計(jì)壓力高，而運(yùn)行壓力低，一般不需要快速排放。因此，安全泄放量為系統(tǒng)流量的3％～5％。

3　安全閥類型選擇

3.1　彈簧式安全閥

3．1．1原理

彈簧式安全閥結(jié)構(gòu)見圖1。利用安全閥中的彈簧被壓縮后產(chǎn)生向下的彈力將閥瓣壓緊在閥座上，使系統(tǒng)壓力保持在允許范圍之內(nèi)。當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)作用于閥瓣向上的力大于彈簧作用在閥瓣向下的力時(shí)，彈簧就被壓縮，使閥瓣被頂起離開閥座，系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)就通過閥瓣與閥座之間的間隙向外排放；系統(tǒng)作用于閥瓣向上的力小于彈簧作用在閥瓣向下的力時(shí)，彈簧就伸長(zhǎng)，使閥瓣與閥座重新緊密結(jié)合，系統(tǒng)內(nèi)介質(zhì)停止排放。

彈簧式安全閥的整定壓力是通過擰緊或放松調(diào)整螺桿來調(diào)節(jié)的。擰緊調(diào)整螺桿，彈簧被壓縮，彈力增加，作用于閥瓣上向下的力也就增大，安全閥整定壓力被調(diào)高；反之，放松調(diào)整螺桿，彈簧被放松，彈力減小，作用于閥瓣上向下的力也就減小，安全閥整定壓力被調(diào)低。

3．1．2優(yōu)點(diǎn)[2]

①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。

②對(duì)介質(zhì)不過分挑剔，適用范圍廣。

③直接作用式，反應(yīng)靈敏。

④價(jià)格低。

3．1．3缺點(diǎn)[2]

①密封性不高。由于閥瓣和閥座之間的密封力隨系統(tǒng)介質(zhì)壓力的升高而降低，系統(tǒng)壓力小于且接近安全閥整定壓力時(shí)，就有少量介質(zhì)泄漏排放，因此，彈簧式安全閥不適合整定壓力高的場(chǎng)所。

②排放能力受背壓影響較大。背壓越大，越不利于安全閥的排放。

3.2　先導(dǎo)式安全閥

3．2．1原理

先導(dǎo)式安全閥結(jié)構(gòu)見圖2。先導(dǎo)式安全閥包括主閥、導(dǎo)閥和導(dǎo)管。在正常工況下，主閥處于關(guān)閉狀態(tài)，導(dǎo)閥瓣在彈簧的作用下位置靠下，介質(zhì)從安全閥進(jìn)口經(jīng)由導(dǎo)閥導(dǎo)管、導(dǎo)閥氣室和主閥導(dǎo)管進(jìn)入主閥氣室。這樣系統(tǒng)壓力既作用于主閥瓣的下方，又作用于主閥瓣的上方，由于主閥瓣上部承壓面積大于其下部承壓面積，因此，作用于主閥瓣上向下的力大于向上的力，主閥處于穩(wěn)定的關(guān)閉狀態(tài)。隨著系統(tǒng)壓力的上升，主閥瓣受到的向下的作用力與向上的作用力的差值更大，密封更嚴(yán)，這和彈簧式安全閥情況正好相反。

 

當(dāng)系統(tǒng)壓力異常，達(dá)到或超過整定壓力時(shí)，導(dǎo)閥瓣受介質(zhì)壓力作用而上移，與導(dǎo)閥座緊密結(jié)合。此時(shí)，導(dǎo)閥導(dǎo)管向?qū)чy氣室、進(jìn)而通過主閥導(dǎo)管向主閥氣室的進(jìn)氣被切斷，同時(shí)導(dǎo)閥排放口和導(dǎo)閥氣室連通，導(dǎo)致導(dǎo)閥氣室、主閥導(dǎo)管和主閥氣室內(nèi)的氣體從導(dǎo)閥排放l5快速排出。這樣主閥瓣上部的壓力急劇下降，主閥瓣在下部氣體壓力的作用下離開閥座，系統(tǒng)內(nèi)氣體從主閥的出口迅速大量排放，使系統(tǒng)內(nèi)壓力恢復(fù)到正常的工作壓力。導(dǎo)閥的工作原理同彈簧式安全閥。系統(tǒng)的整定壓力是通過導(dǎo)閥的調(diào)整螺桿來設(shè)定的。

3．2．2優(yōu)點(diǎn)[3]

①密封性能好，閥座密封力隨系統(tǒng)介質(zhì)壓力的升高而升高，因此，可以使系統(tǒng)在較高系統(tǒng)壓力下高效能地工作。

②動(dòng)作性能不受背壓的影響。

3．2．3缺點(diǎn)[3]

①對(duì)介質(zhì)比較挑剔，不適用于較臟或較粘稠的介質(zhì)，這是因?yàn)榇祟惤橘|(zhì)會(huì)堵塞導(dǎo)管及導(dǎo)閥氣室。

②動(dòng)作過程由主閥和導(dǎo)閥二者配合控制，不像彈簧式安全閥那樣響應(yīng)靈敏。

③價(jià)格高。

3.3　選型原則

根據(jù)HG 20570．2—95，排放氣體或蒸汽時(shí)，選用全啟式安全閥；排放液體時(shí)，選用全啟式或微啟式安全閥。整定壓力大于或等于0.2MPa時(shí)選用先導(dǎo)式安全閥，整定壓力小于0.2MPa時(shí)選用彈簧式安全閥[4]。

4　安全閥流道直徑計(jì)算

4.1　計(jì)算原則

在進(jìn)行安全閥流道直徑計(jì)算時(shí)，基本原則是保證安全閥的實(shí)際排量大于系統(tǒng)的安全泄放量，實(shí)際排量和流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。計(jì)算出流道直徑后，根據(jù)表1確定安全閥的公稱直徑。

根據(jù)GB／T 12241—2005《安全閥一般要求》，上游來氣壓力一定的情況下，在達(dá)到臨界流動(dòng)狀態(tài)之前，氣體通過一個(gè)孔(例如安全閥的流道)的流量隨著下游壓力的減小而增加。一旦達(dá)到臨界流動(dòng)，下游壓力的進(jìn)一步減小將不會(huì)使流量繼續(xù)增加。

滿足式(1)時(shí)，流動(dòng)處于臨界流動(dòng)狀態(tài)。

 

式中pb——背壓(絕對(duì)壓力)，Mpa

pd——實(shí)際排放壓力(絕對(duì)壓力)，Mpa

k——等熵指數(shù)

根據(jù)GB／T 12241—2005，臨界流動(dòng)狀態(tài)下的理論排量按式(2)計(jì)算。

 

 

式中qm,t——理論排量(質(zhì)量流量)，kg／h

A——流道面積，mm2

C——氣體特性系數(shù)

v——比體積，即在實(shí)際排放壓力和排放溫度下氣體密度的倒數(shù)，m3／kg

p0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓力(絕對(duì)壓力)，Mpa

T——實(shí)際排放溫度，K

T0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的溫度，K

r0——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度，kg／m3

實(shí)際排量為理論排量和排量系數(shù)的乘積，見式(5)。

qm,r=qm,tk0    　　(5)

式中qm,r——實(shí)際排量(質(zhì)量流量)，kg／h

k0——排量系數(shù)

為了保證系統(tǒng)安全，安全閥的實(shí)際排量應(yīng)大于安全泄放量，即：

qm,r>qVr0  　　  (6)

式中qm,r——安全泄放量，折算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的體積流量，m3／h

將式(2)、(4)、(5)代入式(6)，可得：

 

即：

安全閥閥座喉部截面積為圓形，根據(jù)式(8)，與流道面積A對(duì)應(yīng)的流道直徑需滿足下式：

 

式中d——安全閥流道直徑，mm

4.3　亞臨界流動(dòng)狀態(tài)下的流道直徑計(jì)算

滿足式(10)時(shí)，流動(dòng)處于亞臨界流動(dòng)狀態(tài)。

 

根據(jù)GB／T 12241—2005，亞臨界流動(dòng)狀態(tài)下的理論排量按式(11)計(jì)算。

 

 

 

 

 

式中Kb——亞臨界狀態(tài)下的理論排量修正系數(shù)

和臨界流動(dòng)狀態(tài)下流道直徑的推導(dǎo)同理，對(duì)于亞臨界流動(dòng)狀態(tài)，流道直徑需滿足下式：

 

5　安全閥選型實(shí)例

以北京市常見的次高壓A－中壓A區(qū)域調(diào)壓柜為例，下游接中壓A管網(wǎng)，調(diào)壓器進(jìn)口壓力為0.6～1.0MPa，調(diào)壓器出口壓力為0.4MPa，系統(tǒng)流量為50000m3／h。調(diào)壓器出口管道上安全閥的選型過程如下。

①物性參數(shù)的確定

天然氣的主要組分是甲烷，因組成不同，不同來源的天然氣參數(shù)存在一定差異。以北京燃?xì)饧瘓F(tuán)和中石油結(jié)算時(shí)所取天然氣的參數(shù)為例，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)取溫度為20℃，絕對(duì)壓力為101.325kPa。天然氣在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的密度為0.8676kg／m3?？紤]安全閥排放氣的溫度為20℃，則r0取0.8676kg／m3，p0取0.101MPa，T0取293K，T取293K。

對(duì)于天然氣，等熵指數(shù)，k取1.3，則：

 

將k=1.3代入式(3)，得：

C=2.63 　　  　   (15)

②安全閥類型的確定

調(diào)壓器出口壓力等于0.4 MPa，并且下游接管網(wǎng)。根據(jù)第3．3節(jié)的選型原則，采用先導(dǎo)式安全閥。介質(zhì)為氣體，動(dòng)作型式為全啟式。根據(jù)第2．3．3條的推薦值，排量系數(shù)k0取0.65。

③實(shí)際排放壓力(絕對(duì)壓力)pd的確定

調(diào)壓器出口壓力等于0.4MPa，根據(jù)第2．1．1條的規(guī)定，整定壓力取0.44MPa。根據(jù)第2．1．2條的推薦值，排放壓力取0.48MPa，則對(duì)應(yīng)實(shí)際排放壓力(絕對(duì)壓力)pd為0.581MPa。

④背壓(絕對(duì)壓力)pb的確定

城鎮(zhèn)燃?xì)馔ǔＶ苯訉?duì)大氣排放，安全閥開啟前在其出口處的靜壓力為大氣壓。根據(jù)第2．1．3條闡述，背壓為大氣壓和出口段流動(dòng)阻力之和，并且小于等于整定壓力的10％。因?yàn)閷?shí)際工況存在一定的流動(dòng)阻力，所以背壓大于大氣壓。整定壓力取0.44MPa，則背壓需小于等于0.044MPa。因此，背壓(絕對(duì)壓力)pb滿足式(16)。

0.101MPa<pb≤0.145MPa 　　   (16)

⑤流動(dòng)狀態(tài)的確定

pb/pd≤0.145/0.581

即：

pb/pd≤0.25

結(jié)合式(14)，此流動(dòng)狀態(tài)滿足式(1)，則處于臨界流動(dòng)狀態(tài)。

⑥安全泄放量qV的確定

根據(jù)第2．3．4條的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，安全泄放量為系統(tǒng)流量的3％～5％，qV取2500m3／h。

⑦流道直徑計(jì)算

將qV=2500m3／h、C=2.63、k0=0.65、pd=0.581MPa、r0=0.8676kg／m3、p0=0.101MPa、T0=293K、T=293K代入式(9)，得：

d>32.29mm

查表1，選取流道直徑為40mm，全啟式安全閥進(jìn)口公稱直徑為65mm。出口公稱直徑比進(jìn)口公稱直徑大一檔，為80mm。

6　結(jié)論

在城鎮(zhèn)燃?xì)獾恼{(diào)壓系統(tǒng)中，介質(zhì)為氣體，推薦采用全啟式安全閥。當(dāng)調(diào)壓器出口壓力小于0.4MPa，下游直接接用戶時(shí)，為了保護(hù)用氣設(shè)備及計(jì)量裝置，需要快速排放，安全閥的安全泄放量應(yīng)不小于系統(tǒng)流量的30％。當(dāng)調(diào)壓器出口壓力大于或等于0.4MPa，下游接輸配管網(wǎng)時(shí)，不需要快速排放，安全閥的安全泄放量一般為系統(tǒng)流量的3％～5％。安全閥流道直徑計(jì)算的原則是保證實(shí)際排放量大于安全泄放量。通過計(jì)算安全閥的流道直徑，選取合適的公稱直徑。

 

參考文獻(xiàn)：

[1]張德姜，王懷義，劉紹葉．石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)第一篇設(shè)計(jì)與計(jì)算[M]．4版．北京：中國(guó)石化出版社，2009：320-325．

[2]趙春岳，吉守軍．淺談彈簧式安全閥的選用和調(diào)試[J]．閥門，2003(4)：34-36．

[3]王學(xué)彬，唐旭麗．先導(dǎo)式安全閥的應(yīng)用[J]．閥門，2013(6)：40-42．

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本文作者：向素平  孫明燁  周義超  譚春艷

作者單位：北京市煤氣熱力工程設(shè)計(jì)院有限公司

  中國(guó)人民解放軍總后勤部建筑設(shè)計(jì)研究院