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            《蘇州城投》第27期
            蘇州城市建設(shè)投資發(fā)展有限責(zé)任公司
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            城投研思 > LNG氣化站安全閥的設(shè)置及選型分析

            LNG氣化站安全閥的設(shè)置及選型分析
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                    涉及到公式,在txt中打不出來,故此文章用word格式。
                   在TXT文本如下,僅供參考,公式顯示殘缺。
                   
                   概述
                   安全閥用于受壓設(shè)備、容器和管路,當(dāng)壓力超過規(guī)定數(shù)值時(shí),促使設(shè)備自動(dòng)排放介質(zhì)的過剩壓力,保證安全生產(chǎn)。因生產(chǎn)需求、設(shè)備性質(zhì)和工藝要求等不同,安全閥在設(shè)置及選型方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)也不一樣。常用的國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)有國家標(biāo)準(zhǔn)(GB)和機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(JB)等,主要是參照國外標(biāo)準(zhǔn)修訂(如美國石油協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)API及美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)ASME等,),但國內(nèi)外各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系之間差異較大,本文參照國家標(biāo)準(zhǔn)(GB)。
                   LNG氣化站設(shè)計(jì)中,在LNG儲(chǔ)罐及空溫式氣化器前后管道應(yīng)設(shè)置安全閥,以防止儲(chǔ)罐及管道壓力超過設(shè)計(jì)壓力而發(fā)生事故。安全閥的合理設(shè)置是保證LNG氣化站正常運(yùn)行的必要措施。
                   安全閥的種類
                   1.按平衡內(nèi)壓的方式不同,安全閥的結(jié)構(gòu)形式主要分為:
                   ①靜重式。靜重式安全閥分為重錘式安全閥及杠桿重錘式安全閥兩種,目前工業(yè)上主要采用杠桿重錘式安全閥,它曾廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠和石油化學(xué)工業(yè)中。其特點(diǎn)是載荷不隨閥瓣升高而變化,并可以十分精確地加載。但加載方式?jīng)Q定了載荷不可能很大,而且不適合于移動(dòng)和振動(dòng)的場合。隨著彈簧式安全閥的發(fā)展和日益完善,杠桿重錘式安全閥有被完全取代之勢。
                   ②彈簧式。利用壓縮彈簧力來平衡閥瓣壓力,優(yōu)點(diǎn)是體積小、輕便、靈敏度高、安裝位置不受嚴(yán)格限制。同一型號(hào)規(guī)格的安全閥可通過更換彈簧來改變其工作壓力級,而在某一壓力范圍內(nèi),可通過調(diào)節(jié)閥桿開啟壓力。彈簧式安全閥結(jié)構(gòu)見圖1。
                   2.按結(jié)構(gòu)不同,安全閥分為:
                   ①封閉式。用于易燃、易爆或有毒介質(zhì)的生產(chǎn)裝置上。
                   ②不封閉式。用于蒸汽或惰性氣體的生產(chǎn)裝置中。
                   3.按其閥瓣升啟高度不同,安全閥分為:
                   ①全啟式。h= ~ ,安全閥泄放量大,回座性能好,氣體和液體都能適用。
                   ②微啟式。h= ~ ,安全閥泄放量小,效率低,一般只用于液體介質(zhì)。
                   綜上所述,LNG氣化站內(nèi)的低溫液化天然氣管道(以下簡稱LNG管道)應(yīng)采用彈簧封閉全啟式或微啟式安全閥;常溫天然氣管道應(yīng)采用彈簧封閉全啟式安全閥。
                   LNG氣化站安全閥的設(shè)置
                   1.根據(jù)GB50028-2006《城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡稱GB50028―2006)第9.4.7條,液態(tài)天然氣管道上的兩個(gè)切斷閥之間必須設(shè)置安全閥,放散氣體宜集中放散。
                   2.根據(jù)GB50028―2006第9.4.10條,液化天然氣儲(chǔ)罐必須設(shè)置安全閥,安全閥的開啟壓力及閥口總通過面積應(yīng)符合國家現(xiàn)行《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定。
                   3.根據(jù)GB50028―2006第9.4.11條,液化天然氣儲(chǔ)罐安全閥的設(shè)置應(yīng)符合下列要求:
                   ①必須選用奧氏體不銹鋼彈簧封閉全啟式;
                   ②單罐容積為100m3或100m3以上的儲(chǔ)罐應(yīng)設(shè)置2個(gè)或2個(gè)以上安全閥。
                   4.根據(jù)GB50028―2006第9.4.16條,液化天然氣氣化器或其出口管道上必須設(shè)置安全閥,環(huán)境氣化器的安全閥泄放能力必須滿足在1.1倍的設(shè)計(jì)壓力下,泄放量不小于氣化器設(shè)計(jì)額定流量的1.5倍。
                   5.目前LNG氣化站內(nèi)的低溫液化天然氣管道(以下簡稱LNG管道)采用彈簧封閉全啟式或微啟式安全閥;常溫天然氣管道采用彈簧封閉全啟式安全閥。
                   LNG氣化站安全閥選型分析
                   1.安全閥壓力參數(shù)
                   ①整定壓力
                   整定壓力也稱開啟壓力,是安全閥閥瓣開始動(dòng)作,離開所接觸的密封面,并有一定的位移時(shí)的壓力。
                   儲(chǔ)罐安全閥的整定壓力:根據(jù)GB50316-2000《工業(yè)金屬管道設(shè)計(jì)規(guī)范》(2008年版)(以下簡稱GB50316-2000)第14.2.4條規(guī)定,安全閥的開啟壓力(整定壓力)除工藝有特殊要求外,為正常最大工作壓力的1.1倍,最低為1.05倍。儲(chǔ)罐安全閥的整定壓力P0應(yīng)根據(jù)LNG儲(chǔ)罐的最大允許工作壓力P確定,一般取P0=(1.05~1.1)P。
                   空溫式氣化器前LNG管道安全閥的整定壓力:根據(jù)GB/T20801.6-2006《壓力管道規(guī)范工業(yè)管道》第4.1.6.2條規(guī)定,對于防止液體管道熱膨脹的安全泄放裝置,安全閥設(shè)定壓力應(yīng)不大于管道設(shè)計(jì)壓力的120%和系統(tǒng)試驗(yàn)壓力中的較小值,且最大泄放壓力應(yīng)不超過相應(yīng)溫度下管道壓力額定值的20%或由壓力產(chǎn)生的管道名義應(yīng)力不超過材料許用應(yīng)力值的20%。另根據(jù)GB50316-2000第14.2.4條規(guī)定,安全閥的開啟壓力(整定壓力)除工藝有特殊要求外,為正常最大工作壓力的1.1倍,最低為1.05倍。本文綜合考慮,取滿足GB/T20801.6-2006和GB50316-2000兩者之中的較小值,且考慮到LNG管道系統(tǒng)和LNG儲(chǔ)罐連通,應(yīng)與LNG儲(chǔ)罐工作壓力保持一致??諟厥綒饣髑癓NG管道安全閥的整定壓力P0'可根據(jù)LNG儲(chǔ)罐的最大允許工作壓力P確定,一般取P0'=(1.05~1.1)P。
                   ②泄放壓力
                   根據(jù)安全閥相關(guān)規(guī)范條文,安全閥的泄放壓力等于設(shè)定壓力加超過壓力,而排放壓力等于整定壓力加超過壓力。因此,泄放壓力等同于排放壓力。泄放壓力是閥瓣達(dá)到規(guī)定開啟高度時(shí)的進(jìn)口壓力。
                   本文設(shè)置的安全閥為彈簧直接載荷式安全閥,泄放壓力可取1.1倍整定壓力,則:
                   儲(chǔ)罐安全閥絕對泄放壓力Pd=(1.155~1.21)P+0.1;
                   空溫式氣化器前LNG管道安全閥絕對泄放壓力Pd'=(1.155~1.21)P+0.1。
                   另根據(jù)GB50028―2006第9.4.16條,空溫式氣化器出口管道上安全閥絕對泄放壓力取Pd"=1.21P+0.1。
                   2.安全閥泄放量計(jì)算
                   ①LNG儲(chǔ)罐及空溫式氣化器前LNG管道的安全泄放量的計(jì)算
                   本文以蘇州燃?xì)饧瘓F(tuán)王家莊LNG儲(chǔ)配站為例,LNG儲(chǔ)罐最大允許工作壓力P=0.6MPa,因此:
                   儲(chǔ)罐安全閥和空溫式氣化器前LNG管道安全閥的整定壓力P0=0.63~0.66MPa。綜合考慮,儲(chǔ)罐安全閥的整定壓力定為0.63MPa,此時(shí)安全閥絕對泄放壓力Pd=Pd'=1.10.63+0.1=0.793MPa。
                   空溫式氣化器出口管道上安全閥絕對泄放壓力取Pd"=1.21P+0.1=0.826MPa。
                   根據(jù)TSGD0001-2009《壓力管道安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程工業(yè)管道》中E1.3.1第2條,液化氣體容器和管道系統(tǒng)有完善的絕熱層時(shí),安全泄放量按照式(1)進(jìn)行計(jì)算:
                    儲(chǔ)罐受熱面積近似按儲(chǔ)罐內(nèi)罐的全部外表面積估算,立式儲(chǔ)罐受熱面積按照式(2)進(jìn)行計(jì)算。
                    管道受熱面積按照式(3)進(jìn)行計(jì)算。
                    LNG主要成分為甲烷,其體積分?jǐn)?shù)可達(dá)99%以上。因此LNG物性參數(shù)近似按甲烷考慮。根據(jù)GB150.1-20l1《壓力容器第1部分:通用要求》(以下簡稱GB150.1-20l1)附錄B表B.6,甲烷的摩爾質(zhì)量M=16.04kg/kmol,在0.013MPa、15℃時(shí)的等熵指數(shù)K=1.31,臨界壓力(絕壓)Pc=4.64MPa,臨界溫度=190.65K。
                   以1臺(tái)公稱容積100m3的立式LNG儲(chǔ)罐為例,設(shè)備參數(shù)可為:D1=3m,L=18m,λ=0.565kj/(m?h?℃)(由設(shè)備廠家提供),δ=0.25m。泄放絕對壓力為0.793MPa,查得T=147K,q=427.1kJ/kg。將相關(guān)參數(shù)代入式(2),得儲(chǔ)罐受熱面積A1=169.56m2。
                   將A1代入式(1),得儲(chǔ)罐的安全泄放量為:W=467.55kg/h。
                   以LNG儲(chǔ)罐出液口至空溫式氣化器的LNG管道為例,管道參數(shù)可為:D2=0.05m,L=100m,保冷層材料建議采用ArmaflexLT材料,λ=0.028W/(m?k)=0.1kj/(m?h?℃),保冷層厚度δ=0.10m。泄放絕對壓力為0.793MPa,查得T=147K,q=427.1kJ/kg。將相關(guān)參數(shù)代入式(3),得LNG管道受熱面積A2=7.85O。
                   將A2=7.85O代入式(1),得LNG儲(chǔ)罐出液口至空溫式氣化器的LNG管道的安全泄放量為:W'=29.4kg/h。
                   ②空溫式氣化器出口管道的安全泄放量的計(jì)算
                   根據(jù)GB50028―2006第9.4.16條,在1.1倍的設(shè)計(jì)壓力下,空溫式氣化器出口管道上安全泄放量不小于氣化器設(shè)計(jì)額定流量的1.5倍。
                   以額定流量2000Nm3/h空溫式氣化器出口天然氣管道為例,空溫式氣化器出口管道的安全泄放量為:W"=3000Nm3/h。
                   3.安全閥公稱直徑計(jì)算
                   ①流通直徑
                   安全閥喉部橫截面為圓形,則對應(yīng)流通面積的直徑稱為流通直徑(亦稱喉徑)。
                   ②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。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相同。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通直徑的關(guān)系見表1。
                    ③LNG儲(chǔ)罐及空溫式氣化器前LNG管道上的安全閥公稱直徑的計(jì)算
                   根據(jù)GB/T18442.6-20l1《固定式真空絕熱深冷壓力容器第6部分:安全防護(hù)》(以下簡稱GB/T18442.6)附錄A.5“安全閥排放能力計(jì)算”。
                   而A= ;
                   則公稱容積100的立式LNG儲(chǔ)罐安全閥喉部直徑dt>10mm;
                   LNG儲(chǔ)罐出液口至空溫式氣化器的LNG管道安全閥喉部直徑dt>2.7mm。
                   根據(jù)GB50028―2006第9.4.11條,液化天然氣儲(chǔ)罐安全閥必須選用奧氏體不銹鋼彈簧封閉全啟式,且根據(jù)本文表1,從安全角度出發(fā)及參照已運(yùn)行LNG氣化站的經(jīng)驗(yàn),儲(chǔ)罐上安全閥建議選擇DN40,由于100方LNG儲(chǔ)罐罐體一個(gè)連接口設(shè)置2個(gè)安全閥,該連接口的截面積至少等于2個(gè)安全閥的進(jìn)口截面積;LNG管道安全閥一般選用微啟式,根據(jù)本文表1及經(jīng)驗(yàn)選取DN10或DN15的安全閥。
                   ④空溫式氣化器后管道上的安全閥直徑的計(jì)算
                   根據(jù)GB/T12241-2005《安全閥一般要求》(以下簡稱GB/T12241-2005)第6.3條“用空氣或其他氣體作為試驗(yàn)介質(zhì)時(shí)的理論排量”。
                   由以上數(shù)據(jù)可得屬于臨界流動(dòng)狀態(tài),則dt>2.7mm,且根據(jù)本文表1至少選取DN50的安全閥;另根據(jù)排放介質(zhì)為氣體,應(yīng)選取全啟式安全閥。
                   4.安全閥閥體材料
                   安全閥閥體材料根據(jù)安全閥的使用溫度、工作壓力及管道介質(zhì)的腐蝕情況等選擇。一般用于氣體、水,且工作溫度低于450攝氏度,閥體選用WCB等碳鋼材料,而-100攝氏度以下的超低溫場合,則選用奧氏體不銹鋼。本文空溫式氣化器前LNG管道應(yīng)上的安全閥閥體材料應(yīng)選用奧氏體不銹鋼,空溫式氣化器后管道上的安全閥閥體材料應(yīng)選用WCB。
                   結(jié)論
                   安全閥用在LNG儲(chǔ)罐及工藝管道上,以防止其壓力超過允許的極限值,確保LNG氣化站的安全運(yùn)行。掌握安全閥的設(shè)置選型方法對LNG氣化站的安全設(shè)計(jì)至關(guān)重要,是LNG氣化站安全運(yùn)行的重要保障。
                   
            
            
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