工藝管道泄壓閥尺寸計算

楊梅，楊智超，王雨，李大昌，張曉莉

工藝管道泄壓閥尺寸計算

楊梅1，楊智超1，王雨2，李大昌1，張曉莉1

（1. 中國石油工程建設有限公司華北分公司，河北 任丘 062550； 2. 華北石油通信有限公司，河北 任丘 062550）

成品油庫項目中，工藝管道上通常需要安裝泄壓閥，以避免封閉管段在陽光直射下溫度升高，管內液體熱膨脹導致管線超壓。以API 520、API 521、API 526規范為基礎，介紹泄壓閥尺寸的計算方法，并以國外某成品油庫項目為例，計算其泄壓閥尺寸，便于指導后續國外成品油庫項目泄壓閥的計算與選型工作。

國外成品油庫；泄壓閥；有效泄放面積；尺寸及選型

成品油庫中，封閉的工藝管段在陽光的直射下溫度升高，管道內液體熱膨脹，可能會導致管段超壓[1]。為了避免這一情況，通常在封閉工藝管段上安裝泄壓閥，泄壓管線坡向埋地的排污罐[1-2]。為了確定泄壓閥的尺寸，結合API標準，計算泄壓閥有效泄放面積。

1 計算方法

1.1 有效泄放面積

用于液體的閥門按照ASME標準進行設計，按照式（1）初步確定其有效泄放面積[3]：

式中：—所需的有效泄放面積，mm2；

—流量，L·min-1；

K—額定泄放系數，由閥門制造商提供[4]，對于初步確定尺寸，可采用以下系數[5-6]，針對安裝/未安裝爆破片的PRV選用 -0.65，未安裝PRV選用-0.62，此參數用于計算爆破片的尺寸；

K—基于背壓的修正系數，當背壓是大氣壓時，K=1.0，有背壓的平衡式泄壓閥，其修正系數按圖1確定，先導式閥門不需要修正[7]。

圖1 平衡彈簧泄壓閥的修正系數Kw

K—PRV上游安裝爆破片時的組合修正系數[5-6]，沒有安裝爆破片選用-1.0，爆破片與PRV組合安裝選用-0.9。

K—基于黏度的修正系數；

l—在運行溫度下，液體相對于標準條件下水的比重；

1—上游泄放壓力[8-9]，等于定壓值與允許超壓值的和，kPa；

—總背壓，kPa。

K按式（2）確定[3]：

1.2 流量

對于液體滿流系統，根據式（3）近似確定為防護封閉段液體不受熱膨脹影響的泄壓設備尺寸的膨脹率[10]。

式中：—運行溫度下的體積流量，m3·s-1；

a—預期溫度下液體的體積膨脹系數，℃-1；

—總傳熱率，W；

—相對于水（15.6 ℃下，=1.0）的液體相對密度，通常忽略液體的壓縮性；

—封閉段液體的比熱容，J·kg-1·K-1。

表1為烴類液體和水在15.6 ℃下的體積膨脹系數。

表1 烴類液體和水的體積膨脹系數典型值

注：API重度是表示相對密度的一種尺度，API重度=141.5/相對密度值-131.5[11]。

1.3 傳熱速率

式中：—管線表面積，m2；

Q—地理區域的太陽輻射，W·m-2；

—管線直徑，m；

—管線長度，m。

2 計算實例

以國外某成品油庫為例，該油庫由儲罐、泵房、汽車裝車設施、變配電室及消防站組成，油庫通過輸油管線連接至新建碼頭的收發油設施。庫內工藝管線上，在必要的位置安裝泄壓閥，避免封閉管段內油品熱膨脹導致管線超壓。

以3條管線上的泄壓閥為例，航煤管線TSV-001（=0.406 m，=10 m），柴油管線TSV-301 （=0.406 m，=15 m），汽油管線TSV-101 （=0.406 m，=10 m）。

2.1 計算有效泄放面積

已知航煤的相對密度為0.84，比熱容為 2 000 J·kg-1·℃-1；柴油的相對密度為0.87，比熱容為2 100 J·kg-1·℃-1；汽油的相對密度為0.77，比熱容為2 000 J·kg-1·℃-1。當地太陽輻射Q=1 353 W·m-2，根據式（3）～式（5）計算流量。計算結果表明，TSV-001的體積流量為0.554 4 L·min-1，TSV-301的體積流量為0.611 8 L·min-1，TSV-101的體積流量為0.725 8 L·min-1。

當泄壓閥用于黏性液體，首先假設液體為非黏性，即K=1.0，根據式（1）計算泄放面積1，如表2所示。

表2 假設為非黏性液體初步計算有效泄放面積A1

注：假設背壓為大氣壓，泄放壓力=定壓值+10%的超壓。

2.2 復核計算結果

根據API 526中的標準孔口面積（見表3[12]），采用比上述1大一級的泄放面積2（70.97 mm2）計算雷諾數，后根據式（2）確定實際的黏度修正系數K。

表3 標準孔口面積及字母型號

注：表中的值僅在使用API 520 PT I的尺寸計算公式時有效。

雷諾數根據式（6）計算[3]：

式中：—雷諾數；

—運行溫度下的流量，L/min；

—運行溫度下的絕對黏度，cp；

—有效泄放面積（根據API 526得到的標準孔口面積），mm2。

已知航煤的動力黏度為1.46 mPa·s，柴油的動力黏度為5.22 mPa·s，汽油的動力黏度為0.77 mPa·s，根據式（6）計算雷諾數，結合表1參數，重新核算泄放面積。計算結果表明，TSV-001的泄放面積為0.243 0 mm2，TSV-301的泄放面積為 0.313 0 mm2，TSV-101的泄放面積為0.288 6 mm2。

若復核所得泄放面積超出所選的標準孔口面積值（70.97 mm2），則根據API 526選大一級的標準孔口面積，重復上述計算過程，直到所得值小于所選的標準孔口面積[3]。

2.3 泄壓閥選型

根據上述計算結果，成品油庫工藝管道所需泄放量非常少，計算的泄壓閥有效泄放面積也非常小。根據API 521，通常采用公稱直徑DN20×DN25（NPS 3/4×NPS 1）的泄壓閥[10]。

3 結 論

根據封閉管段的總傳熱速率，計算通過泄壓閥的體積流量，確定泄壓閥的有效泄放面積，再根據此面積，結合API 526選擇閥門類型。需注意，在閥門有效面積的計算過程中，先假設液體為非黏性，黏度修正系數取1.0，根據計算結果和標準孔口面積來修正黏度修正系數，直到計算值小于選擇的標準孔口面積值。后續項目中，泄壓閥的選型計算應遵照此過程。

計算結果表明，成品油庫工藝管線通常情況下所需泄放量非常少，泄壓閥有效泄放面積也非常小，通常選取DN20×DN25（NPS 3/4×NPS 1）的泄壓閥。

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［10］API STD 521．Pressure-relieving and De-pressuring Systems[S].2014．

［11］API MPMS Ch.9.1．Standard Test Method for Density, Relative Density (Specific Gravity), or API Gravity of Crude Petroleum and Liquid Petroleum Products by Hydrometer Method[S].2012．

［12］API STD 526.Flanged Steel Pressure-relief Valves[S].2017．

Sizing Calculation of Pressure-relief Valve of Process Pipeline

1,1,2,1,1

（1. China Petroleum Engineering and Construction Corporation North Branch, Renqiu Hebei 062550, China;2. Huabei Oil Communication Co., Renqiu Hebei 062550, China）

Pressure-relief valves shall be normally installed on the process pipelines in petroleum products terminal to avoid pipeline overpressure because of the thermal expansion of liquid in pipeline when the temperature of closure section increasing under the sunlight. Based on API 520, API 521, API 526, the sizing calculation method of pressure-relief valve was introduced. Referring to a petroleum products project abroad, the sizing of pressure-relief valves was calculated, which could guide the calculation and sizing selection of pressure-relief valves for following foreign petroleum products projects.

Foreign petroleum products terminal; Pressure-relief valve; Effective discharge area; Sizing and selection

2021-08-10

楊梅（1988-），女，河北省任丘市人，工程師，碩士，2013年畢業于西南石油大學油氣儲運工程專業，研究方向：工藝設計。

TQ055.81

A

1004-0935（2022）03-0343-03