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      《蘇州城投》第27期
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      城投研思 > LNG氣化站安全閥的設置及選型分析

      LNG氣化站安全閥的設置及選型分析
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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
             安全閥用于受壓設備、容器和管路,當壓力超過規(guī)定數(shù)值時,促使設備自動排放介質(zhì)的過剩壓力,保證安全生產(chǎn)。因生產(chǎn)需求、設備性質(zhì)和工藝要求等不同,安全閥在設置及選型方面的技術(shù)標準也不一樣。常用的國內(nèi)標準有國家標準(GB)和機械行業(yè)標準(JB)等,主要是參照國外標準修訂(如美國石油協(xié)會標準API及美國機械工程師協(xié)會標準ASME等,),但國內(nèi)外各個標準體系之間差異較大,本文參照國家標準(GB)。
             LNG氣化站設計中,在LNG儲罐及空溫式氣化器前后管道應設置安全閥,以防止儲罐及管道壓力超過設計壓力而發(fā)生事故。安全閥的合理設置是保證LNG氣化站正常運行的必要措施。
             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,它曾廣泛應用于發(fā)電廠和石油化學工業(yè)中。其特點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,而且不適合于移動和振動的場合。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)點是體積小、輕便、靈敏度高、安裝位置不受嚴格限制。同一型號規(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)應采用彈簧封閉全啟式或微啟式安全閥;常溫天然氣管道應采用彈簧封閉全啟式安全閥。
             LNG氣化站安全閥的設置
             1.根據(jù)GB50028-2006《城鎮(zhèn)燃氣設計規(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切斷閥之間必須設置安全閥,放散氣體宜集中放散。
             2.根據(jù)GB50028―2006第9.4.10條,液化天然氣儲罐必須設置安全閥,安全閥的開啟壓力及閥口總通過面積應符合國家現(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,液化天然氣儲罐安全閥的設置應符合下列要求:
             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以上的儲罐應設置2個或2個以上安全閥。
             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倍的設計壓力下,泄放量不小于氣化器設計額定流量的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作,離開所接觸的密封面,并有一定的位移時的壓力。
             儲罐安全閥的整定壓力:根據(jù)GB50316-2000《工業(yè)金屬管道設計規(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。儲罐安全閥的整定壓力P0應根據(jù)LNG儲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,安全閥設定壓力應不大于管道設計壓力的120%和系統(tǒng)試驗壓力中的較小值,且最大泄放壓力應不超過相應溫度下管道壓力額定值的20%或由壓力產(chǎn)生的管道名義應力不超過材料許用應力值的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儲罐連通,應與LNG儲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。泄放壓力是閥瓣達到規(guī)定開啟高度時的進口壓力。
             本文設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.安全閥泄放量計算
             ①LNG儲罐及空溫式氣化器前LNG管道的安全泄放量的計算
             本文以蘇州燃氣集團王家莊LNG儲配站為例,LNG儲罐最大允許工作壓力P=0.6MPa,因此:
             儲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,儲罐安全閥的整定壓力定為0.63MPa,此時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,安全泄放量按照式(1)進行計算:
              儲罐受熱面積近似按儲罐內(nèi)罐的全部外表面積估算,立式儲罐受熱面積按照式(2)進行計算。
              管道受熱面積按照式(3)進行計算。
              LNG主要成分為甲烷,其體積分數(shù)可達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臺公稱容積100m3的立式LNG儲罐為例,設備參數(shù)可為:D1=3m,L=18m,λ=0.565kj/(m?h?℃)(由設備廠家提供),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),得儲罐受熱面積A1=169.56m2。
             將A1代入式(1),得儲罐的安全泄放量為:W=467.55kg/h。
             以LNG儲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算
             根據(jù)GB50028―2006第9.4.16條,在1.1倍的設計壓力下,空溫式氣化器出口管道上安全泄放量不小于氣化器設計額定流量的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.安全閥公稱直徑計算
             ①流通直徑
             安全閥喉部橫截面為圓形,則對應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)過圓整后的標準化名義直徑。全啟式安全閥的出口公稱直徑一般比進口公稱直徑大一檔,而微啟式安全閥的進、出口公稱直徑則一般相同。安全閥的公稱直徑通常指進口公稱直徑,常見安全閥公稱直徑與流通直徑的關(guān)系見表1。
              ③LNG儲罐及空溫式氣化器前LNG管道上的安全閥公稱直徑的計算
             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》(以下簡稱GB/T18442.6)附錄A.5“安全閥排放能力計算”。
             而A= ;
             則公稱容積100的立式LNG儲罐安全閥喉部直徑dt>10mm;
             LNG儲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)及參照已運行LNG氣化站的經(jīng)驗,儲罐上安全閥建議選擇DN40,由于100方LNG儲罐罐體一個連接口設置2個安全閥,該連接口的截面積至少等于2個安全閥的進口截面積;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介質(zhì)時的理論排量”。
             由以上數(shù)據(jù)可得屬于臨界流動狀態(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管道應上的安全閥閥體材料應選用奧氏體不銹鋼,空溫式氣化器后管道上的安全閥閥體材料應選用WCB。
             結(jié)論
             安全閥用在LNG儲罐及工藝管道上,以防止其壓力超過允許的極限值,確保LNG氣化站的安全運行。掌握安全閥的設置選型方法對LNG氣化站的安全設計至關(guān)重要,是LNG氣化站安全運行的重要保障。
             
      
      
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