Jak nastavit velikost pojistného ventilu: Kompletní technický průvodce

Krátká odpověď: Jak nastavit velikost pojistného ventilu

Do velikosti a pojistný ventil , musíte vypočítat požadovanou odlehčovací kapacitu v hmotnostním nebo objemovém průtoku a poté vybrat plochu otvoru ventilu dostatečně velkou, aby prošel tento průtok při nastaveném tlaku ventilu plus povoleném přetlaku. Řídící vzorec závisí na tekuté fázi – plyn, pára nebo kapalina – a normy, jako je např API 520 část I , API 526 a ASME sekce VIII Div. 1 definovat přesnou metodu výpočtu.

V praxi dimenzování přetlakového ventilu nebo bezpečnostního pojistného ventilu zahrnuje čtyři hlavní vstupy:

• Požadovaný odlehčovací průtok (kg/h nebo lb/h)
• Nastavte tlak a přípustný přetlak (obvykle 10 % pro instalace s jedním ventilem na ASME)
• Zpětný tlak na výstupu ventilu
• Fyzikální vlastnosti kapalin za podmínek odlehčení

Jakmile vypočítáte požadovanou plochu otvoru, vyberete další standardní velikost otvoru větší z tabulek API 526 – nikdy menší. Poddimenzovaný pojistný ventil neochrání nádobu; nadrozměrný chrastí, eroduje a prosakuje.

Proč je správná velikost pojistného ventilu důležitější, než si většina inženýrů uvědomuje

Pojistný ventil je poslední linií obrany mezi normálním provozem a katastrofickou přetlakovou událostí. Poddimenzování znamená, že ventil nemůže proudit dostatečně rychle, aby zabránil překročení maximálního povoleného pracovního tlaku v nádobě (MAWP). Předimenzování vytváří jiný, ale stejně závažný problém: ventil se otevře, vypustí malé množství tekutiny, uzavře se a pak se v rychlém sledu znovu otevře – destruktivní stav tzv. tlachání .

Cvakání způsobí poškození sedadla během několika minut. Chvějící se bezpečnostní pojistný ventil, který by měl vydržet 10 let, může být zničen jedinou událostí trvající méně než hodinu. Náklady na údržbu sedel ventilů, kotoučů a trysek se mohou pohybovat od 2 000 do 20 000 USD na ventil, nepočítaje ztrátu výroby.

Kromě ekonomiky je dodržování předpisů povinné. Ve většině jurisdikcí musí být tlakové nádoby chráněny odlehčovacími zařízeními dimenzovanými a vyraženými v souladu s uznávanými předpisy. ve Spojených státech ASME kód kotle a tlakové nádoby oddíl VIII je primární standard. V Evropě se návrh řídí směrnicí pro tlaková zařízení (PED) a EN ISO 4126. Nedodržení zakládá právní odpovědnost a může zrušit pojištění zařízení.

Klíčové pojmy, kterým musíte porozumět před stanovením velikosti

Dimenzování pojistných ventilů má svůj vlastní slovník. Nepochopení byť jen jednoho termínu může vést k chybě výpočtu, která se šíří celým cvičením dimenzování.

Nastavte tlak

Vstupní tlak, při kterém je pojistný ventil nastaven na otevření. U nádoby s MAWP 100 barg nesmí nastavený tlak překročit 100 barg. Nastavený tlak je vyražen na typovém štítku ventilu a testován při nastavení na zkušební stolici.

Přetlak

Zvýšení tlaku nad nastavený tlak, ke kterému dochází, když je ventil otevřený a proudí. ASME umožňuje 10% přetlak pro jeden pojistný ventil a 16 % pro případy požáru. Uvolňovací tlak se rovná nastavenému tlaku plus přetlaku.

Zpětný tlak

Tlak na výstupu ventilu, způsobený systémem výtlačného potrubí. Zpětný tlak snižuje diferenční tlak na ventilu a tím snižuje kapacitu. Existují dva typy:

• Překrývající se zpětný tlak — existuje před otevřením ventilu v důsledku natlakovaného sběrače nebo uzavřeného výstupu.
• Vybudovaný protitlak — vzniká pouze tehdy, když ventil teče, v důsledku ztrát třením ve výtlačném potrubí.

Konvenční pojistné ventily jsou citlivé na zpětný tlak. Pokud nahromaděný protitlak překročí 10 % nastaveného tlaku, a vyvážený měch nebo pilotně ovládaný přetlakový ventil je třeba zvážit.

Koeficient vybíjení (Kd)

Bezrozměrný faktor, který zohledňuje ztráty průtokem tělem ventilu. API 520 používá jmenovitý koeficient vybíjení Kd, který je obvykle kolem 0,975 za plyn/páru a 0,65 pro kapalinovou službu. Výrobci zveřejňují certifikované hodnoty Kd z průtokových testů ASME.

Požadovaná oblast otvoru (A)

Minimální průtoková plocha vypočtená z vaší vyprošťovací povinnosti. To pak přiřadíte k dalšímu většímu standardnímu označení clony z API 526 (D, E, F, G, H, J, K, L, M, N, P, Q, R, T).

Krok za krokem: Jak dimenzovat pojistný ventil pro servis plynu nebo páry

Dimenzování plynů a par používá rovnice stlačitelného toku. Metodika API 520 část I je pro to průmyslovým standardem. Postupujte podle těchto kroků v uvedeném pořadí.

Krok 1: Identifikujte scénář návrhu

Nejprve musíte určit, co způsobuje přetlak. Běžné scénáře zahrnují zablokovaný výstup, selhání chladicí vody, vystavení požáru, prasknutí trubky výměníku tepla a únikovou reakci. Každý scénář vytváří jiný požadovaný odlehčovací tok. Velikost pro nejhorší věrohodný jednotlivý případ, pokud filozofie instalace nevyžaduje současné případy.

Krok 2: Vypočítejte požadovaný odlehčovací průtok

To pochází ze simulace procesu nebo tepelné a materiálové bilance. U zablokovaného výstupu na kompresoru se požadovaný průtok rovná plnému výkonu kompresoru. Pro případy požáru poskytuje API 521 vzorec pro přívod tepla:

Q = 43 200 × F × A ^0.82 (pro smáčený povrch, v BTU/h, imperiální jednotky)

kde F je faktor prostředí (1,0 pro holé nádoby, 0,3 pro dostatečně izolované nádoby) a A je smáčená plocha ve čtverečních stopách.

Krok 3: Zkontrolujte kritický nebo podkritický tok

Průtok tryskou pojistného ventilu se stává kritickým (ucpaným), když poměr zpětného tlaku k uvolňovacímu tlaku klesne pod kritický tlakový poměr Cf. Pro ideální plyn závisí Cf na poměru měrných tepl (k nebo γ):

Cf = (2/(k 1)) ^k/(k-1)

Pro většinu uhlovodíků a vzduchu je k ≈ 1,3–1,4, což dává Cf ≈ 0,545–0,528. Pokud je zpětný tlak/spouštěcí tlak nižší než Cf, máte kritický průtok a použijte jednodušší rovnici kritického průtoku. V opačném případě použijte podkritickou korekci.

Krok 4: Aplikujte vzorec API 520 Gas Sizing

Pro kritický průtok plynu (API 520 část I, rovnice 3):

A = W / (C × Kd × P1 × Kb × √ (M / (T × Z)))

• A = požadovaná plocha otvoru (v²)
• W = požadovaná odlehčovací kapacita (lb/h)
• C = plynová konstanta odvozená z k (bezrozměrná, tabulková v API 520 Appendix B)
• Kd = efektivní koeficient vypouštění (pro předběžné dimenzování použijte 0,975)
• P1 = snížení tlaku v psia (nastavený tlak × 1,1 14,7 pro atmosférický výboj)
• Kb = korekční faktor protitlaku (z hodnot API 520; 1,0, pokud je protitlak zanedbatelný)
• M = molekulová hmotnost plynu
• T = snížení teploty v Rankine (°F 460)
• Z = faktor stlačitelnosti za podmínek odlehčení (1,0 pro ideální plyn)

Krok 5: Vyberte standardní velikost otvoru

Vezměte vypočítanou plochu A a najděte další standardní označení clony větší v API 526. Například, pokud A = 0,85 in², clona D (0,110 in²) je příliš malá, E (0,196 in²) je příliš malá a tak dále, dokud nenajdete tu správnou. Nikdy nezaokrouhlujte dolů. Zvolený otvor musí být stejný nebo větší než požadovaná plocha.

Dimenzování pojistného ventilu pro službu Steam

Dimenzování páry používá zjednodušenou verzi rovnice plynu, protože vlastnosti páry při nasycení jsou dobře charakterizovány. API 520 část I poskytuje vzorec specifický pro páru:

A = W / (51,45 × Kd × Ksh × Kn × Kb × P1)

• Ksh = korekční faktor přehřátí (1,0 pro sytou páru; méně než 1,0 pro přehřátou páru, z tabulky 6 API 520)
• Kn = Korekce Napier pro vysokotlakou páru (platí, když nastavený tlak překročí 1 500 psia)
• Ostatní proměnné jsou definovány jako u plynárenské služby

Například pojistný ventil kotle s požadovanou odlehčovací kapacitou 50 000 lb/h nasycené páry při nastaveném tlaku 250 psig (snížení tlaku = 275 psia) a žádný významný protitlak by nevyžadoval:

A = 50 000 / (51,45 × 0,975 × 1,0 × 1,0 × 1,0 × 275) ≈ 3,62 in²

Od API 526 by dalším větším standardním otvorem nad 3,62 in² byl otvor P s 6,38 in², který je předimenzovaný. V praxi můžete použít dva menší ventily paralelně, aby každý ventil měl vhodnější velikost vzhledem k jeho oblasti otvoru – to také poskytuje redundanci.

Dimenzování pojistného ventilu pro kapalinový servis

Klížení kapaliny se zásadně liší od klížení stlačitelné kapaliny. Kapaliny jsou nestlačitelné, takže kapacita je řízena druhou odmocninou diferenčního tlaku spíše než absolutním tlakem.

Vzorec API 520 pro klížení kapaliny je:

A = Q / (38 × Kd × Kw × Kč × Kv × √(ΔP / G))

• Q = požadovaný odlehčovací průtok v amerických galonech za minutu (gpm)
• Kd = 0,65 pro tekutou službu (nikoli 0,975)
• Kw = korekce zpětného tlaku pro vyvážené ventily (1,0 pro konvenční ventily)
• Kc = kombinovaná korekce (1,0, pokud není předřazená prasklá destička, 0,9, pokud je prasklá destička instalována v sérii)
• Kv = korekční faktor viskozity (1,0 pro počáteční dimenzování; opakujte, pokud je kapalina viskózní)
• ΔP = diferenční tlak na ventilu v psi (snížení tlaku mínus protitlak)
• G = měrná hmotnost kapaliny vzhledem k vodě při 60°F

Kapalinové pojistné ventily často vyžadují UV razítko ASME Section VIII a musí být použity speciální verze standardních ventilových těles s kapalinovou úpravou. Výsledkem použití tělesa plynového/parního ventilu pro kapalinový provoz bez kapalinové úpravy je obvykle výrazné snížení kapacity a možná nestabilita.

Korekce viskozity pro husté kapaliny

Pokud viskozita kapaliny za podmínek odlehčení překročí asi 100 SSU (Saybolt Seconds Universal), korekční faktor viskozity Kv se stane významným. Korekce využívá Reynoldsovo číslo skrz otvor. Začněte s Kv = 1,0, vypočítejte plochu zkušebního otvoru, určete Reynoldsovo číslo, vyhledejte Kv v grafu API 520 a poté přepočítejte. Opakujte, dokud se oblast otvoru nesblíží – obvykle během dvou nebo tří iterací pro typické procesní tekutiny.

Standardníní velikosti trysek: Referenční tabulka API 526

Jakmile vypočítáte požadovanou plochu clony, vyberete další standardní označení clony z API 526. Tabulka níže ukazuje standardní označení clony a jejich jmenovité plochy. Vždy si to ověřte podle datového listu konkrétního výrobce, protože skutečné efektivní plochy clony se mohou mírně lišit od nominálních hodnot API 526.

Jak zpětný tlak ovlivňuje výběr a dimenzování pojistného ventilu

Zpětný tlak je jedním z nejčastěji nesprávných aspektů dimenzování přetlakového ventilu. Inženýři, kteří to ignorují, skončí s ventily, které fungují jinak než design – někdy až nebezpečně.

Konvenční pojistné ventily

Běžný pojistný ventil s přímou pružinou má dutinu pružiny odvzdušněnou k výstupu. To znamená, že protitlak působí přímo proti síle pružiny a účinně zvyšuje nastavený tlak. Pokud je superponovaný protitlak stálé a známé , ventil lze nastavit pro kompenzaci. Ale pokud je protitlak proměnlivý, mění se s ním i nastavený tlak – nebezpečná situace. API 520 to doporučuje nahromaděný protitlak na běžném ventilu nesmí překročit 10 % nastaveného tlaku v rozchodu.

Vyvážené vlnovcové pojistné ventily

Vyvážený vlnovcový přetlakový ventil používá pružný prvek k izolaci pružiny od zpětného tlaku a udržuje nastavený tlak stabilní bez ohledu na podmínky na výstupu. Tyto ventily zvládnou protitlak až přibližně 50 % nastaveného tlaku bez výrazného snížení výkonu, i když kapacita stále klesá s rostoucím protitlakem a stále platí korekce Kb.

Pilotně ovládané přetlakové ventily

Pilotně ovládaný pojistný ventil používá procesní tlak k udržení sedla hlavního ventilu uzavřené. Hlavní ventil se otevře pouze tehdy, když pilot zjistí přetlak. Tyto ventily jsou v podstatě imunní vůči účinkům zpětného tlaku na nastavený tlak a mohou pracovat se zpětnými tlaky až 80 % nastaveného tlaku u některých provedení . Často jsou vybírány pro vysokotlaké aplikace, nálevkové sběrače s výrazným protitlakem a situace, kde je kritický přesný nastavený tlak.

Dvoufázová a smíšená úleva: Zvláštní úvahy

Když je odlehčovací kapalina dvoufázová směs kapalina-pára, nepoužije se přímo metoda klížení plynu ani kapaliny. Blikající kapaliny, reaktivní systémy a chladicí okruhy často vytvářejí scénáře dvoufázového odlehčení. Poddimenzování je v těchto případech běžné a nebezpečné.

Mezi uznávané metody pro dvoufázové dimenzování patří:

• Metodika DIERS (Design Institute for Emergency Relief Systems) — nejpřísnější přístup, vyvinutý speciálně pro reaktivní a nerovnovážné dvoufázové systémy
• Omega metoda — zjednodušený model rovnováhy od Leunga (1986), přijatý v příloze C API 520; používá jediný parametr ω odvozený z bleskových výpočtů při 90 % a 100 % uvolňovacího tlaku
• HEM (model homogenní rovnováhy) — předpokládá plnou termodynamickou rovnováhu a homogenní míchání; konzervativní pro většinu aplikací

Dvoufázové dimenzování obvykle vyžaduje simulátor procesu (jako je Aspen HYSYS, SimSci PRO/II nebo VMGSim), který generuje flash data za podmínek odlehčení. Výsledná požadovaná plocha otvoru je často 2x až 5x větší než to, co by naznačoval výpočet čisté páry pro stejný průtok. To je důvod, proč mnoho závodů, které dimenzovaly pojistné ventily za předpokladu provozu pouze na páru, zjistilo, že jsou silně poddimenzované, když byla skutečná kapalina dvoufázová.

Pokles vstupního tlaku: 3% pravidlo, které se ignoruje

Tlak na vstupu ventilu při průtoku nesmí klesnout o více než 3 % pod nastavený tlak (podle API 520 část II a API 526). Tento 3% limit poklesu vstupního tlaku je jedním z nejčastěji porušovaných omezení v instalační praxi a způsobuje chvění.

Zde je důvod, proč: pojistný ventil s pružinou se začne zavírat při poklesu vstupního tlaku. Pokud má vstupní potrubí vysoký odpor, tlak na vstupu ventilu při otevření ventilu prudce poklesne. Pokud tento pokles překročí odluh (snížení tlaku potřebné k opětovnému usazení ventilu – obvykle 7–10 % nastaveného tlaku u procesních ventilů), ventil se uzavře dříve, než se tlak v systému obnoví, a poté se znovu otevře. Cyklus se opakuje – to je chvění a ničí sedlo ventilu.

V praxi pravidlo 3 % znamená, že přívodní potrubí musí být krátké a velké. Hrubé vodítko: vstupní tryska by měla být alespoň tak velké, jako je velikost vstupního připojení ventilu z tabulky API 526 a ekvivalentní délka vstupního potrubí by měla být minimalizována. Před dokončením návrhu instalace vypočítejte skutečnou tlakovou ztrátu při plném odlehčovacím průtoku pomocí Darcy-Weisbachovy rovnice.

Dimenzování požárního pouzdra: Když dominuje tepelný reliéf

Požární případy často řídí dimenzování pojistných ventilů pro skladovací nádoby a procesní zařízení umístěná v oblastech se zásobami hořlavých látek. Scénář předpokládá požár bazénu obklopující nádobu, zahřívání obsahu a vytváření výparů, které je třeba uvolnit.

API 521 poskytuje dvě rovnice pro tepelný příkon ohně – jednu pro smáčený povrch (kapalina pod plamenem) a jednu pro nesmáčený povrch (výparný prostor). Rovnice smáčeného povrchu obvykle řídí a udává tepelný příkon v BTU/h nebo kW. Tento tepelný příkon se pak dělí latentním výparným teplem kapaliny za podmínek odlehčení, aby se získala požadovaná rychlost toku páry.

Jeden kritický detail: požární pouzdro umožňuje 21% přetlak podle ASME sekce VIII (oproti 10 % pro normální případy), což poněkud snižuje požadovanou plochu otvoru. ASME však také vyžaduje, aby byl případ požáru řešen buď speciálním požárním pojistným ventilem nastaveným na 110 % MAWP (zatímco primární ventil je na 100 %), nebo prokázáním, že primární ventil má dostatečnou kapacitu pro oba scénáře.

Příklad: horizontální nádoba obsahující 10 000 galonů nafty s 2 000 ft² smáčeného povrchu, bez drenáže, bez izolace a bez použití hasicí vody (F = 1,0):

Q = 43 200 × 1,0 × 2 000 ^0.82 ≈ 34 200 000 BTU/h

Pokud je latentní teplo nafty za podmínek odlehčení 120 BTU/lb, požadovaný průtok páry je 285 000 lb/h – velmi velký požadavek na odlehčení, který by pravděpodobně vedl k výběru více bezpečnostních ventilů s velkým otvorem nebo pilotně ovládaného ventilu.

Běžné chyby ve velikosti a jak se jim vyhnout

Použití nesprávné tekuté fáze

Za předpokladu, že odlehčení je pouze pára, když je skutečná tekutina za podmínek odlehčení dvoufázová, může ventil poddimenzovat faktorem 3 nebo více. Vždy spusťte bleskový výpočet při snížení tlaku a teploty, abyste určili skutečnou fázi a složení proudící tekutiny.

Ignorování zpětného tlaku v systémech Flare

Jak rostlina stárne a do spalovací komory se přidávají další odlehčovací zátěže, protitlak stoupá. Ventil dimenzovaný na protitlak 5 psi za rok může vidět zpětný tlak 25 psi o deset let později, protože expanze výroby zatěžují flérový systém. Znovu zkontrolujte předpoklady zpětného tlaku během kontrol Management of Change.

Výběr nadrozměrných ventilů „pro bezpečnost“

Instinkt přidat marži výběrem většího ventilu je kontraproduktivní. Předimenzovaný pojistný ventil chvěje, způsobuje mechanické poškození a netěsnosti. API 520 část I výslovně varuje: zvolený otvor by měl být co nejblíže vypočítané požadované ploše, aniž by se dostal pod ni. Pokud další zvýšení standardní velikosti vede k tomu, že ventil je o více než 10 % větší, než je nutné, zvažte použití menšího nastaveného tlaku nebo dvou menších ventilů paralelně.

Zapomenutí kombinačního korekčního faktoru Kc

Když je před pojistný ventil instalována průtržná podložka, působí kombinace jako jediné zařízení a kapacita se snižuje. API 520 specifikuje Kc = 0,9, pokud konkrétní kombinace nebyla testována a certifikována. Mnoho inženýrů aplikuje tento faktor pouze na vzorec pro stanovení velikosti kapaliny a zapomíná, že se vztahuje také na velikost plynu.

Bez zohlednění provozního tlaku vs. nastaveného tlaku

ASME sekce VIII vyžaduje, aby pojistný ventil zůstal uzavřen a za normálních provozních podmínek netěsnil. API doporučuje minimum 10% provozní rezerva mezi normálním provozním tlakem a nastaveným tlakem (tj. nastavený tlak by měl být alespoň 1,1× maximální normální provozní tlak). Ventily fungující příliš blízko na to, aby se dosáhlo nastaveného tlaku vaření, netěsnosti sedla a předčasného opotřebení.

Software a nástroje pro dimenzování pojistných ventilů

Ruční výpočet pomocí rovnic API 520 je pro jednofázové kapaliny jednoduchý, ale u velkých odlehčovacích systémů s mnoha ventily je časově náročný. Několik softwarových nástrojů automatizuje proces:

• Aspen FLARENET / Aspen Flare System Analyzer — průmyslový standard pro modelování sítě flare; současně dimenzuje pojistné ventily a analyzuje zpětný tlak sběrače
• EPCON API — vyhrazený nástroj pro dimenzování API 520/521/526; široce používané pro individuální dimenzování ventilů
• Online nástroj pro dimenzování Crosby Engineering Handbook — poskytuje Emerson/Crosby pro rychlé dimenzování jejich produktů ventilů
• Leser VALVESTAR — nástroj evropského výrobce; používá metody API i EN ISO 4126
• COMPRESS / PV Elite — primárně software pro návrh nádob, ale zahrnuje integrované moduly pro dimenzování pojistných ventilů

Tyto nástroje snižují chyby ve výpočtech a generují dokumentaci pro regulační podání. Vyžadují však správné vstupy. Odpadky dovnitř, odpadky ven – pochopení základních rovnic a předpokladů je zásadní pro zachycení chyb ve výstupu softwaru.

Souhrn regulačních požadavků a požadavků kodexu

Různé regiony a průmyslová odvětví používají různé kódy pro dimenzování a instalaci pojistných ventilů. Níže uvedená tabulka shrnuje základní standardy:

Praktický kontrolní seznam pro dimenzování pojistného ventilu

Tento kontrolní seznam použijte před dokončením výpočtu velikosti pojistného ventilu a specifikace nákupu.

1. Identifikujte všechny věrohodné scénáře přetlaku a určete řídící případ (maximální požadovaný odlehčovací tok)
2. Potvrďte MAWP a nastavte tlak, přičemž zajistěte alespoň 10% provozní rezervu nad maximálním normálním provozním tlakem
3. Určete fázi odlehčovací kapaliny (plyn, kapalina, pára, dvoufázová) při nastaveném tlaku plus přetlak
4. Vlastnosti sběrné kapaliny: molekulová hmotnost, poměr k, stlačitelnost Z, viskozita, latentní teplo, měrná hmotnost
5. Odhadněte zpětný tlak (překrytý a nahromaděný) a podle toho vyberte typ ventilu
6. Použijte správný vzorec API 520 pro tekutou fázi a vypočítejte požadovanou plochu otvoru A
7. Použijte všechny korekční faktory (Kb, Kc, Kw, Kv), které jsou použitelné pro vaši instalaci
8. Vyberte další větší standardní otvor z API 526; ověřte, že vybraná oblast není o více než přibližně 10 % větší, než je požadováno (aby se zabránilo riziku chvění)
9. Zkontrolujte, zda pokles tlaku v přívodním potrubí při plném odlehčovacím průtoku nepřesahuje 3 % nastaveného tlaku
10. Ujistěte se, že protitlak výtlačného potrubí při plném odlehčovacím průtoku je v povoleném limitu daného typu ventilu
11. Specifikujte konstrukční materiály kompatibilní s procesní kapalinou a teplotou
12. Potvrďte, že ventil nese správné razítko kódu (UV pro ASME sekce VIII, V pro sekci I servis kotle)