加氢装置两相泄放工况安全阀的选型计算

安全阀是防止压力容器发生超压的主要保护措施，因此进行正确的安全阀选型对于保证装置本质安全具有关键意义。两相泄放工况因受相态、物性、流型等多种因素的影响，故其选型计算比单相泄放工况更加复杂，旧版API STD 520标准(第7版之前)采用单相流计算方法分别计算气、液两相所需泄放面积并进行叠加的两相安全阀面积计算方法不具有热力学的理论基础，计算得到的安全阀尺寸与实际需要尺寸相比往往偏小，存在一定的安全隐患，在新版本的API STD 520标准中已经不再建议使用[1]。

目前工程设计中，两相泄放工况安全阀面积计算主要采用的是新版API STD 520(简称API)推荐的均相平衡法(Homogeneous Equilibrium Method, 简称HEM)，而实际使用过程中又可以分为两种计算方法：简化法(Omega法)和严格法。

以加氢装置热低压分离器、冷低压分离器的两相泄放工况为例，比较Omega法和严格法用于多组分宽沸程、含有不凝气的烃类组分混合物两相安全阀泄放面积计算时，计算结果的差异，并提出设计建议。

1　两相泄放安全阀面积计算方法介绍

HEM计算方法主要基于以下两点假设[2]：①由于安全阀泄放过程流速及湍流强度非常高，可以认为两相流体处于完全混合的均相状态，因此两相流体可以使用体积平均性质所表示。②两相流体在泄放过程中处于热力学平衡和机械平衡状态，也即泄放过程中发生的相态变化是瞬时的，并且气液两相之间不存在速度差异，因此可以使用等熵过程热力学模型进行计算。

本组筛查对象发现肺内阳性结节随着年龄增长，出现的几率也升高，发现的3类和4类结节中45岁以上占绝大对数。所以建议45岁以上的成人用低剂量螺旋CT扫描替代胸片作为常规体检项目，从而应用于肺结节的筛查。如果低剂量CT扫描发现了可能恶性的结节，及时告知临床进行处理，从而避免结节的进一步发展，实现肺癌的早发现及早期处理。

无论Omega法还是严格法，都是通过计算流经安全阀管嘴所允许的最大质量通量(简称G值)，也即流经安全阀管嘴的流体处于临界流状态时的质量通量，从而计算安全阀所需面积。

如图2所示，在MATLAB仿真中，LMS算法在约100次后达到了收敛状态。且收敛误差达到大约0.03数量级。

 

通过Omega值，可以计算得到临界流压力比ηc以及临界流压力：

ηc=[1+(1.044 6-0.0 093 431ω0.5)×ω-0.562 61](-0.70356+0.014685lnω)

本次研究对象选择我院在2016年8月~2017年9月接诊治疗的60例行手术治疗的老年骨科患者,将60例患者通过抽签法平均分为30例参照组与30例实验组。

Pc=ηcP0

根据泄放物流是否处于临界流状态，选择质量通量计算公式：

API STD 520标准的Omega法认为使用90%泄放压力、100%泄放压力两个压力点的混相密度可以有效拟合泄放过程中两相混合物的性质，此假设对于单组分流体适用性较好，但是对于多组分宽沸程的混合物，还应考虑使用不同计算压力计算Omega(即ω)值对于G值的影响。ω值计算如下：

Pc≥Pa，临界流动

 

图2和图3分别为热低压分离器的两相泄放工况下不同方法计算的G值。

ν0——P0压力下泄放介质的混相比容，m3/kg;

 

 

式中:　　　G——流经安全阀管嘴的最大质量通量，kg/(s·m2)；

这项工程获得了北京市、石油部、铁道部的好评，并获得石油部全优工程金牌奖。北京市人民政府把“为天然气进京做出贡献”的锦旗授予华北油田油建工人，表彰他们为建设社会主义祖国文明、美丽的首都贡献出的力量。

α——泄放压力的百分数，%；

να——Pα压力下泄放介质的混相比容，m3/kg;

1.3.6 选定树脂对红薯叶总黄酮的动态解吸试验 分别考察洗脱液浓度(50%、60%、70%、80%、90 %)、洗脱液流速(1、2、3、4、5 mL/min)、洗脱液用量(2、3、4、5、6 BV)对选定树脂解吸率的影响，并通过L9(34)三因素三水平正交试验确立选定大孔吸附树脂对红薯叶中总黄酮的最佳解吸工艺参数。

①从病史上讲,本人对颈源性头痛患者的诊断更注重是否是伏案工作者,是否慢性积累性损伤者,这一点与目前国内外多数学者观点不同。目前国内外多数学者认为该病大部分患者应有头颈部外伤史,尤其是有车祸等外伤史的患者应高度怀疑。

P0——泄放压力，Pa；

Pc——临界流压力，Pa；

在他们的脸上，我看到自己脸部的轮廓和眼睛的形状。感觉到世间万事万物浑然一体，没有分别。每一个微小个体都是宇宙神秘而不可观测的系统的一份子。在哪里都是归宿。与任何人都有血缘。我已适应在时间缓慢无所事事的地区停留，他们更注重生命的当下感。

Pα——总背压，Pa。

而严格法是假设泄放物流通过安全阀是等熵过程，由于能量守恒，在无摩擦阻力条件下速度能完全由压力能所转化，因此对泄放物流在不同压力间隔下进行等熵闪蒸计算，可以积分得到临界流状态下的质量通量，也就是泄放物流通过安全阀的最大质量通量。

“多亏了党和国家的好政策和投资促进局的大力帮扶，不仅给我们发种子和化肥，蔬菜销路不用愁，孩子上大学还享受到了资助，政府帮忙一把，自己努力一把，大家一起奔小康！”普万雄信心满满地说道。

 

 

式中:　　　ρi——两相流体处于滞止状态压力Pi下的密度，kg/m3;

K——排放系数、背压校正系数、黏度校正系数、爆破片校正系数的乘积。

转基因食品是将生物的基因转移到某种特定的生物体中并直接或者间接通过原料进一步的加工生产，形成产量高、成本低、市场前景广阔的生物产品。目前为止，国内外出现的转基因产品，其中包括抗虫、抗病毒、抗除草剂等优良性的作物[1]。转基因食品带来巨大效益的同时也存在很大的安全问题，给转基因的发展和市场拓宽带来了很大的影响，所以监管至关重要。

在计算得到G值之后，安全阀泄放面积可由如下公式计算：

 

式中:　　　A——安全阀需要面积，mm2;

W——泄放量，kg/h;

ρt——泄放温度压力下的混合密度,kg/m3。

2　加氢装置两相泄放工况

对于加氢装置，最常见的两相泄放工况发生在热低压分离器、冷低压分离器顶部安全阀(如图1所示)，热高分油经过减压进入到热低压分离器中，当热低压分离器液相出口调节阀因液位控制失效导致调节阀关闭而满罐时，为防止热低压分离器发生超压需要泄放掉进入热低压分离器的所有进料，即热高分油减压后产生的气液两相流体需要全部泄放掉。冷低压分离器顶部安全阀两相流泄放工况与热低压分离器类似，当冷低压分离器油相出口调节阀因液位控制失效导致调节阀关闭而满罐时，为防止设备超压需要泄放掉进入冷低压分离器的除酸性水外的全部气液两相流体。

  

图1　加氢裂化装置低压分离器部分示意Fig.1　Typical low pressure separation section sketch diagram of hydrocracking unit

表1为某加氢裂化装置热低压分离器、冷低压分离器顶部安全阀两相泄放工况的工艺数据。以表1所示两相泄放工况为例，分别考察Omega法以及严格HEM法对于多组分宽沸程的混合物两相泄放安全阀计算结果。

 

表1　热低分与冷低分两相泄放工况数据Table 1　Relief loads and properties of two phase relief data for PSVs on hot and cold flash drum

  

项　目热低压分离器冷低压分离器定压/MPa3．203．20允许超压，%1010泄放压力/MPa3．523．52泄放温度/℃24050总背压/MPa0．250．18气相泄放质量流量/(kg·h-1)81693278气相相对分子质量25．078．96压缩因子0．9971．003绝热指数1．1381．325液相泄放质量流量/(kg·h-1)16874767262液相密度/(kg·m-3)657．7686．7液相黏度/cP0．1980．291

3　计算结果比较

3.1　热低压分离器的两相泄放工况

Pc<Pa，非临界流动

汉武帝登基，一个新时代由此开启。汉代政治、军事、文化等方面的走向随后发生了很大的变化。就汉代文化而言，汉赋发达是极为重要的一个方面，而司马相如被武帝赏识是其间一个具有标志意义的事件。司马相如被武帝召见之后，在其已有的《子虚赋》的基础上，又补写了后篇《上林赋》，合为《天子游猎赋》。我们今天看到的《子虚赋》《上林赋》合起来大体相当于当时的《天子游猎赋》。

  

图2　不同泄放压力百分数下Omega法计算G值

 

Fig.2　Mass flux vs choking pressure

由图2可以看出，对于热低压分离器的两相泄放，随着泄放压力百分数的升高，Omega法计算得到的G值较大，但是最大偏差仅为680 kg/(s·m2)。而由图3可以看出，使用严格法计算得到的G值为20 462 kg/(s·m2)，与Omega法使用泄放压力25%计算得到的G值20 468 kg/(s·m2)十分接近，而与API标准推荐的使用90%泄放压力Omega法计算值21 031 kg/(s·m2)相比偏差为569 kg/(s·m2)。严格法计算的临界压力为2.16 MPa， Omega法计算得到的临界压力在2.00～2.05 MPa，两者也相差较小。

在严格法的计算过程中，选择不同压力间隔计算得到的G值会略有不同，此处按照API标准的建议选择了泄放压力的4%作为压力间隔进行计算，虽然压力间隔越小，计算结果越精确，但是以4%作为压力间隔的计算偏差已经处于可接受范围。

  

图3　不同积分压力下严格HEM法计算G值Fig.3　Mass flux vs integration pressure

3.2　冷低压分离器两相泄放工况

图4和图5分别为冷低压分离器的两相泄放工况下不同方法计算的G值。

  

图4　不同泄放压力百分数下Omega法计算结果Fig.4 Mass flux vs choking pressure

  

图5　不同积分压力下严格HEM法计算结果Fig.5　Mass flux vs integration pressure

由图4可以看出，对于冷低压分离器的两相泄放，20%泄放压力百分数下，G值最大，为17 229 kg/(s·m2),但是与90%泄放压力百分数下计算到的G值17 125 kg/(s·m2)相比，差距只有6%。由图5可以看出，使用严格法计算得到的G值发生在临界压力2.02 MPa时，为16 841 kg/(s·m2)，与Omega法使用泄放压力70%时计算得到的G值17 062 kg/(s·m2)比较接近，偏差为221 kg/(s·m2)，而与API标准推荐的90%泄放压力Omega法计算值17 125 kg/(s·m2)偏差为284 kg/(s·m2)。

阿托伐他汀钙（ATV）是临床上治疗高胆固醇血症、混合型高脂血症，防治冠心病和脑卒中的常用选择竞争性3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A（HMG-CoA）还原酶抑制剂[1]。该药可抑制体内胆固醇的合成，降低血清低密度脂蛋白（LDL）含量，从而达到调整体内血脂水平的目的[2]。丹红注射液是由丹参和红花组方制成的中药注射剂，其主要功能为活血化瘀、通脉舒络，常用于治疗冠心病、心绞痛、心肌梗死等[3]。临床上常采用丹红注射液联合ATV治疗冠心病、心绞痛等，研究显示联合用药后临床疗效显著增强[4]，但两者联用后的药动学研究尚未见报道。

表2为不同计算方法安全阀计算面积及选型对比。在无法得到厂家的两相泄放流量校正系数时，可以使用API标准推荐的默认值0.85进行计算。由表2的对比可以看出，使用Omega法计算得到的安全阀泄放面积略小于严格法，但最终选择的安全阀型号均为同一型号。

 

表2　不同计算方法安全阀计算面积及选型对比Table 2　Comparison of calculated area and selected designation between different methods

  

计算方法热低分泄放工况安全阀计算面积/cm2API型号冷低分泄放工况安全阀计算面积/cm2API型号Omega法25%31．08POmega法70%14．86LOmega法90%30．24P14．81L严格法31．09P15．06L

4　结　论

(1)安全阀厂家无法完成G值计算，在涉及两相泄放工况的安全阀选型时，应在数据表中告知安全阀厂家选型应使用的G值。

(2)从加氢装置热低压分离器、冷低压分离器两相泄放的计算结果来看，对于多组分宽沸程、含有不凝气的烃类组分，采用不同计算压力用Omega法计算得到的G值相差很小。

(3)采用Omega法比严格法计算得到的G值稍大，说明严格法是更加保守的计算方法。但是此偏差对于安全阀选型的影响很小。从简化计算的角度，对本文所述两个泄放工况的安全阀面积计算，可以优先采用以90%泄放压力作为计算压力的Omega法。

(4)以上计算完全基于通过理想喷嘴的等熵流动，实际安全阀管嘴与理想喷嘴存在一定差异，因此需要咨询安全阀厂家其两相流工况下所对应的流量校正系数Kd，才能最终选择出适合的安全阀。

(5)不管Omega法还是严格法都属于均相平衡法(HEM)，而两相泄放安全阀尺寸计算方法目前仍处在不断发展的阶段，均相非平衡法(HNE)等其他计算方法在不断的涌现，不同的计算方法有各自的适用范围，设计人员应根据实际情况选择合适的计算方法。

参考文献

[1] 周保国.安全阀两相流计算方法探讨[J].石油化工设计,2011,28(2):39-40.

[2] RON D,PAUL R M，JARAD R S，et al.Select the best model for two-phase relief sizing[J].Chemical Engineering Progress,2001,97(5):56-64.