管殼式換熱器安全閥優化設計探討

鐘文思

摘 要：以行業標準和國外工程公司的設計處理為基礎，分析了管殼式換熱器的4種安全閥泄放工況。簡要介紹了相關的計算公式，說明了泄放量計算所需的主要參數，闡述了國外工程公司設計管殼式安全閥遵循的原則，并列舉了一些工程實例。

關鍵詞：管殼式換熱器；安全閥；主要參數；處理方法

中圖分類號：TQ051.5 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.107

隨著我國經濟的增長和技術的發展，換熱器被廣泛應用于各行各業中，它的普及進一步推動了社會的發展。但是，換熱器的工況比較復雜，所以，安全閥的設置顯得十分重要。因此，如何根據實際情況設計換熱器的安全閥已經成為了工作人員急需解決的問題。

1 換熱器安全閥泄放工況

在設置換熱器安全閥時，需要考慮4種工況，即出口閥關閉、熱脹、火災和換熱管破裂。對于管殼式換熱器，應逐一進行工況超壓分析，在設計換熱器安全閥設計時，要考慮換熱器安全管理，安全閥設置判斷、分析，換熱器泄放計算等非常復雜的問題，而這些問題困擾了很多設計人員。為此，提出了在設置安全閥時，安全閥泄放量的詳細計算方法。

2 出口閥關閉工況

當管殼式換熱器冷側介質出口閥關閉時，熱側介質仍處于操作狀態，冷側則可能會發生氣化，引起超壓。如果冷側介質在熱側介質入口溫度下的飽和蒸汽壓不超過冷側設計壓力的1.3倍，則可以不考慮該工況，否則，冷側需要設置安全閥。冷側泄放量可按照公式計算：

式（1）（2）中：W為泄放量，kg /h；Q為換熱器正常操作熱負荷，kJ/h；T1為熱側流體入口溫度，℃；Tbp為冷側泄放壓力下飽和溫度，℃；λ為在Tbp 時的氣化潛熱，kJ/kg；tav為冷側平均溫度，℃；t1為冷側入口溫度，℃；t2為冷側出口溫度，℃。

以某硫酸法烷基化裝置的烷基化油—循環堿水換熱器為例，1臺型號為BES500-1.35/1.50-55-6/25-4I的換熱器，管程走冷堿水，殼程走烷基化油，操作參數如表1所示。

當冷堿水在熱側的烷基化油入口溫度為161 ℃時，飽和蒸汽壓（表）為0.63 MPa，小于管程設計壓力（表）1.35 MPa，所以，無需考慮冷側出口閥關閉氣化工況。

3 熱脹工況

當換熱器冷側出入口閥或管路上相關的調節閥等關閉時，

熱側仍然處于操作狀態或從日光中吸熱。這時，冷側會發生熱膨脹而超壓，冷側需要設置安全閥，烴類和水的典型膨脹系數如表2所示。泄放量可式（3）求得：

W1=αvφ/1 000dc. （3）

式（3）中：W1為泄放流量，m3/s；αv為體積膨脹系數，1/℃；φ為傳熱速率，W。

液體體積膨脹系數由式（4）求得：

αV=（ρ12-ρ22）/[2（T2-T1）ρ1ρ2]. （4）

式（4）中：ρ1為T1溫度下的液體密度，kg/m3；ρ2為T2溫度下的液體密度，kg/m3。

注：*為15.6 ℃下的數值

以中烷基化油-循環堿水換熱器為例，當冷側冷堿水在出入口的閥關閉時，熱側烷基化油仍然給冷側加熱，那么，冷側冷堿水的體積膨脹系數按照公式計算可得αv=5.18×10-4 1/℃，按照公式計算得泄放量為1.11×10-4 m3/s，約為400.5 kg/h。

4 火災工況和參數計算

當設備暴露于火災下時，是因為換熱器內介質氣化或膨脹而引起超壓。在火災工況下，所有進出系統的物流都會終止，內部的加熱源也會停止，所有工藝過程假定停止。

火災工況泄放量W的計算公式為：

W=0.859 8φ/λ. （5）

在計算熱通量φ時，如果壓力容器有消防設施和足夠的可燃物質排放系統，那么，火災熱通量可用式（6）計算；如果無消防設施和足夠的可燃物質排放系統，那么，火災熱通量用式（7）計算。

φ=C1FAws0.82. （6）

φ=C2FAws0.82. （7）

式（6）（7）中：C1為常數，43 200；C2為常數，70 900；F為環境因數；AWS為受熱潤濕面積，m2。

在計算環境因數F時，未保溫的容器F=1.如果使用保溫材料的容器，那么，環境因素F可由式（8）求得：

F=k（a-Tf）/Ct. （8）

式（8）中：Tf為泄放條件下的容器溫度，℃。

發生火災后，保溫材料不能抵抗900 ℃的高溫2 h以上，所以，環境因數采用數值1.

氣化潛熱可以使用文獻值或流程模擬數值，對于臨界區域，可采用最小值115 kJ/kg。對于有些操作介質，比如常減壓蒸餾裝置減壓塔底油，氣化溫度高于設備的承受溫度，此時，火災安全閥應考慮介質的熱裂解。

5 其他國際工程公司的處理方法

5.1 殼牌公司

對于超過2 h才到達泄放工況，并且有完好的消防設施，不予考慮，但是，會排除介質存在發生反應的危險。當潛在的設備失敗后，會泄放大量的有毒物質。換熱器處于以下2中情況時，可不作為火災工況考慮：①利用一些必要的行政管理手段，規定一旦換熱器隔斷后，要立即將其中的液體排放掉。②在正常操作時，火災的泄放負荷可泄放至其他處。當換熱器介質為液化天然氣時，需要考慮火災工況氣相泄放保護；當火災發生時，換熱器介質有潛在的反應危險時，需要考慮火災氣相泄放保護；固定管板式換熱器殼側按壓力容器考慮，對于容積大于500 L容器，通常需要設置火災工況安全閥。

5.2 柏克德公司

在4 h內，火災吸收的熱量在泄放壓力下，液相介質達到泡點時，則不考慮設置火災安全閥。假設危險已經消除或業主放棄該設備，那么，對于不同的設備，在這4 h內是需要進行評估的。

5.3 ExxonMobil公司

通常的換熱器系統不需要設置火災安全閥，因為當換熱器系統發生火災時，它可以利用暢通的通道到達塔或罐。對于設置前后切斷閥和副線閥的單臺換熱器，有2種選擇——設置火災安全閥或利用行政管理手段消除該工況，即一旦換熱器隔斷后，應立即將其中的液體排放掉，甚至可在隔斷閥和副線閥處設置醒目的標識牌。

5.4 實際工程應用

以中烷基化油-循環堿水換熱器為例，當發生火災時，殼程前后切斷閥關閉，殼程側烷基化油可能會超壓，但是，這些動作最終都需要與業主溝通。在換熱器前后切斷閥和副線閥處設置醒目的標識牌，并且要求操作人員在換熱器前后切斷閥關閉時，立即排放掉換熱器內的操作介質，進而將火災工況安全閥泄放消除掉。

6 換熱管破裂工況

換熱器低壓側（包括上下游系統）的水壓試驗壓力低于高壓側的設計壓力時，則應考慮是換熱器換熱管斷裂。如果在管程和殼程設計壓力中，低壓側大于高壓側的10/13，則可以不考慮該工況，否則，需要考慮換熱管破裂。

在計算換熱管破裂泄放量時，換熱管破裂考慮單根管高壓側介質流入低壓側介質，可假定換熱管在管板背面一側，高壓流體通過留在管板中的管接頭和另一處管子斷面比較長的部分。

7 結束語

綜上所述，在設計管殼式換熱器安全閥時，要依據出口閥關閉、熱脹、火災和換熱管破裂這4種不同工況來設計。在設計的同時還應該考慮到換熱器的生產維修方式，這樣才能全方位地保證管殼式換熱器處于正常的運行情況，為企業創造更好的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]丁傳琪，壽濤.管殼式換熱器安全閥設計選型[J].科技傳播，2014，16（08）：104-105.

[2]全國壓力容器標準化技術委員會.GB 151—1999 管殼式換熱器[S].北京：中國標準出版社，1999.

[3]全國鍋爐壓力容器標準化技術委員會.GB 150.1～150.4—2011 壓力容器[S].北京：中國標準出版社，2011.

〔編輯：白潔〕