板式换热器安全阀的计算及其管路设计要点

白二亮，许 磊，徐苏华，彭言峰

（南通远洋船舶配套有限公司，江苏 南通 226013）

0 引言

常规船上使用的安全阀一般都是厂家自带的，比如锅炉安全阀、压缩空压机安全阀和空气瓶安全阀等。船厂设计师对于它的计算选型和安装要求并不熟悉。但是对于像FPSO（浮式生产储油缷油平台）这类有特殊功能的船，其管路和设备上安装的安全阀很多，这些安全阀需要船厂设计师自己计算并初步选型，把计算结果发给安全阀厂家，厂家根据自身设备特点，调整某些计算系数，然后重新计算并确定安全阀型号。

以南通中远船务于2017 年交付的圆筒式FPSO 为例，管路系统安全阀初始设计并不成熟，因为前期设计时设备尺寸、工作温度和压力设定点都是预估值，所以安全阀及其进出管路的管径尺寸也没有最终确定，影响了生产设计的进度。

1 建立计算模型

被保护设备为货油加热器，材质为不锈钢316L，设计压力2 Mpa（即为安全阀设定压力），最大设计温度 180℃。该板式换热器安装在半敞开式的主甲板区域，如图1 所示。主甲板区域大致划分为4 个区域，其中位于货油舱上部的区域被划定为危险等级1 级区域，该处被定义为在正常情况下，爆炸性气体混合物有可能出现的场所。货油加热器正处于该区域，所以安全阀的计算需要考虑该因素，如图1 所示。

图1 主甲板布置图

常温下的货油粘度很大，为了保持货油舱里货油的流动性，以备随时可以转运到穿梭油轮上，44℃的货油会被货油泵输送到货油加热器里被150℃的乙二醇水溶液加热到66℃，然后再返回到货油舱。

2 计算与分析

2.1 计算安全阀的流量和有效泄放面积直径

加热流体管路安全阀的计算工况见表1。

表1 计算工况

外部火灾因素下，货油加热器总的吸收热量计算公式[3]为：

其中：Q 为总吸收热量，95 kW；C1为常数43200，但是根据船东要求，选取100000；F 为环境系数，取1；AWS为总浸水面积，0.94 m2

汽化速率计算公式为：

其中：W 为汽化速率，280.6 kg/h；Q 为总吸收热量，95 kW；λ 为汽化潜热，由石油化工工艺流程模拟软件（即HYSYS）模拟得到1218.8 kJ/kg。

临界流体状态下，安全阀有效孔径计算公式[1]：

其中：A 为有效孔径，17.8 mm2，0.028 平方英尺；W 为汽化速率，280.6 kg/h；C 为临界方程系数，计算得0.0253；Kd为有效泄放系数，0.975；P1=进口释放压力，2521.3 kPa；Kb为背压校正系数，1；Kc为联合校正系数，1；T 为进口释放温度，606.75 K；Z 为可压缩系数，0.902；M 为释放气体摩尔重量，35.35。

由结果可知，安全阀有效孔径至少为17.8 mm2，经查标准可得，安全阀型号选型为“1D2”，即进口法兰尺寸为DN25，出口法兰尺寸为DN50，安全阀标准有效泄放面积为71 mm2，应用到此处，此安全阀额定流量为1120 kg/h。

2.2 计算安全阀进出口管路管径及压降

由HYSYS 软件模拟得出的释放气体参数见表2。

表2 释放气体参数

根据API520 标准要求，安全阀进口管路压降不超过安全阀设定压力的3%[2]，所以进口管道压降最大为0.06 MPa，据此计算，选用DN25 的管道最长可允许5 m，考虑管道和安全阀布置需要，一般建议管道长度不要少于10 m；计算出选用DN40 的管道最长可允许50 m，较为适合。

2.3 分析

对比安全阀在不同释放因素下的流量，对于同样的设备和同样的流体（安全流体），若布置于安全区域（不会发生火灾），安全阀可以选择更小的尺寸，或者可以不用安装安全阀。

表3 流量对比

因为实际计算的货油加热器，一侧流动的是货油，不能排除着火的可能性，所以需要按照最严格设计方案设计安全阀。

若安全阀选择偏小，压力不能及时释放，被保护设备超压，遭到损坏。若安全阀选择偏大，阀盘会随着进口管道内的压力变大变小而频繁开启和关闭，降低阀门寿命，而且导致安全阀进出口管路偏大，浪费材料。

3 安全阀管路设计要点

3.1 管路设计难点

安全阀背压偏大，主要由以下几个方面引起：

1）管路堵塞。雨水或者冷凝水进入管路后，遇寒冷天气，结冰，管路完全堵塞；或者安全阀上下游的隔离阀意外关闭。

2）管路积水。雨水或者冷凝水进入管路，以液态形式存在管路中，安全阀释放需克服水柱阻力后才能排出。

3）管路过长。有一定粗糙度的管道表面与释放流体摩擦，损耗释放流体能量，加上更多的弯头等管附件，总的管道压力损失变大。

3.2 管路设计要点

安全阀释放管路，设计时要避免出现存水弯，并有逐渐下降的趋势，方便冷凝水或者残留水及时排出。可以把安全阀布置到较高的位置。如果做不到，需在管路中有可能存水的地方安装泄放阀，船员需定期去排放。

因为安全阀需要定期拆下后校正，为避免管路系统中流体溢出，安全阀进出口可能都安装隔离阀。该隔离阀需要在系统正常工作下保持开启状态，一般用专用锁止装置把该隔离阀锁定在开启状态。

4 结语

1）通过计算安全阀和其选型，了解火灾是布置在危险区域安全阀的主要影响因素，可以帮助优化设备布置，把设备尽量布置在安全区域，以便简化设备在安全方面的设计，降低设计风险和成本。

2）通过了解安全阀进出管路压降和布置要点，可以规避一些设计上的误区。

3）本文论述了引起安全阀频繁启动的直接原因，但是要探究其根本原因，则比较复杂。需要根据船用系统设计要求，并综合考虑水泵压力、加热来源、阀门及各种传感器的控制逻辑、设备安装区域、设备包覆绝缘和消防设施等，确定合适的安全阀开启压力设定点，或者安装设定压力不等的多个安全阀，从而避免安全阀频繁开启。