Подбор размера предохранительного клапана

Подробное рассмотрение процесса подбора размера для различных применений, включая расчётные уравнения для AD Merkblatt, DIN, TRD, ASME, API, BS6759 и других стандартов. Также рассматриваются более сложные вопросы, такие как двухфазный поток и перегрев.

#Введение в подбор размера предохранительного клапана

Предохранительный клапан всегда должен быть подобран так, чтобы он мог отвести любой возможный источник пара и давление в защищаемом аппарате не превышало максимально допустимое суммарное давление накопления (maximum allowable accumulated pressure, MAAP). Это означает не только правильное расположение клапана, но и его правильную настройку. Кроме того, предохранительный клапан должен быть правильно подобран по размеру, чтобы пропускать требуемое количество пара при требуемом давлении при любых возможных аварийных условиях. После того как определены тип предохранительного клапана, его давление настройки и положение в системе, необходимо рассчитать требуемую пропускную способность клапана. Когда она известна, нужную площадь проходного отверстия и номинальный размер можно определить по данным производителя. Чтобы установить максимально требуемую пропускную способность, необходимо учитывать возможный поток через все соответствующие ветви upstream от клапана. В применениях, где существует более одного возможного пути потока, подбор размера предохранительного клапана усложняется, так как может быть несколько альтернативных способов определения его размера. Если существует более одного потенциального пути потока, следует рассмотреть следующие варианты:

• Предохранительный клапан можно подобрать по максимальному расходу в том пути потока, где протекает наибольшее количество среды.
• Предохранительный клапан можно подобрать так, чтобы он сбрасывал суммарный поток от объединённых путей. Выбор определяется риском одновременного отказа двух или более устройств. Если существует хотя бы малейшая вероятность такого события, клапан должен быть рассчитан на отвод суммарных потоков отказавших устройств. Однако если риск ничтожен, экономические соображения могут диктовать подбор только по наибольшему аварийному расходу. Окончательный выбор метода остаётся за организацией, страхующей установку. Например, рассмотрим систему сосуда под давлением и автоматического pump-trap (APT), показанную на Figure 9.4.1. Маловероятная ситуация состоит в том, что APT и редукционный клапан (pressure reducing valve, PRV A) могут отказать одновременно. Пропускная способность предохранительного клапана A в этом случае определялась бы либо аварийной нагрузкой крупнейшего PRV, либо, альтернативно, суммарной аварийной нагрузкой APT и PRV A. В данном документе рекомендуется, чтобы при наличии нескольких путей потока любой соответствующий предохранительный клапан всегда подбирался с учётом возможности одновременного отказа соответствующих upstream клапанов регулирования давления. Определение аварийного расхода Чтобы определить аварийный расход через PRV или вообще любой клапан либо отверстие, необходимо учитывать следующее:
• Потенциальное аварийное давление - его следует принимать равным давлению настройки соответствующего upstream предохранительного клапана.
• Давление сброса подбираемого предохранительного клапана.
• Полную пропускную способность upstream регулирующего клапана при полном открытии (KVS), см. Equation 3.21.2. Пример 9.4.1 Рассмотрим схему PRV на Figure 9.4.2. Давление питания этой системы (Figure 9.4.2) ограничено upstream предохранительным клапаном с давлением настройки 11.6 bar g. Аварийный расход через PRV можно определить по уравнению массового расхода пара (Equation 3.21.2): В этом примере: Следовательно, предохранительный клапан должен быть подобран так, чтобы пропускать не менее 953 kg/h при давлении настройки 4 bar g. После определения аварийной нагрузки обычно достаточно подобрать предохранительный клапан по диаграммам пропускной способности производителя. Типичный пример такой диаграммы приведён на Figure 9.4.3. Зная требуемое давление настройки и пропускную способность, можно выбрать подходящий номинальный размер. В данном примере давление настройки равно 4 bar g, а аварийный расход составляет 953 kg/h. Требуется предохранительный клапан DN32/50 с пропускной способностью 1 284 kg/h. Если диаграммы подбора отсутствуют или не учитывают конкретные среды либо условия, такие как противодавление, высокая вязкость или двухфазный поток, может потребоваться расчёт минимально необходимой площади проходного отверстия. Методы таких расчётов приведены в соответствующих нормативных стандартах, например:
• ASME/API RP 520
• EN ISO 4126 Методы, изложенные в этих стандартах, основаны на коэффициенте расхода, который представляет собой отношение измеренной пропускной способности к теоретической пропускной способности сопла с эквивалентной площадью потока. Коэффициент расхода Коэффициенты расхода специфичны для каждой конкретной серии предохранительных клапанов и утверждаются производителем. Если клапан имеет независимое одобрение, ему присваивается сертифицированный коэффициент расхода. Это значение часто дополнительно уменьшают, умножая на коэффициент запаса 0.9, чтобы получить пониженный коэффициент расхода. Пониженный коэффициент расхода обозначается как Kdr = Kd x 0.9 При использовании стандартных методов расчёта требуемой площади проходного отверстия могут потребоваться следующие дополнительные соображения:
• Критический и докритический поток - расход газа или пара через отверстие, например через проходное сечение предохранительного клапана, увеличивается по мере снижения downstream давления. Это продолжается до достижения критического давления и установления критического потока. После этого дальнейшее снижение downstream давления уже не вызывает дополнительного роста расхода. Связь (называемая критическим отношением давлений) между критическим давлением и фактическим давлением сброса для газов, протекающих через предохранительные клапаны, показана Equation 9.4.2. Для газов со свойствами, близкими к идеальному газу, k — это отношение удельной теплоёмкости при постоянном давлении (cp) к удельной теплоёмкости при постоянном объёме (cv), то есть cp : cv. Значение k всегда больше единицы и обычно находится в диапазоне от 1 до 1.4 (см. Table 9.4.8). Для пара, хотя k является изоэнтропическим коэффициентом, он фактически не равен отношению cp : c. В качестве приближения для насыщенного пара можно принимать k = 1.135, а для перегретого пара — 1.3. В качестве ориентира для насыщенного пара критическое давление принимают равным 58% аккумулированного входного давления в абсолютных единицах.
• Overpressure - До начала подбора необходимо определить расчётное overpressure клапана. Нельзя рассчитывать пропускную способность клапана при меньшем overpressure, чем то, при котором был установлен коэффициент расхода. Однако допускается использовать большее overpressure (см. Table 9.2.1, Module 9.2, для типичных значений overpressure). Для полноподъёмных клапанов типа DIN (Vollhub) расчётный подъём должен достигаться при 5% overpressure, но для целей подбора можно использовать значение overpressure 10%.

#Расчётные уравнения для предохранительных клапанов, спроектированных по следующим стандартам

Следующие методы используются для расчёта минимально необходимой площади проходного отверстия предохранительного клапана в соответствии с наиболее распространёнными национальными стандартами. Стандарт - ASME /API RP 520 Следующие формулы используются для расчёта минимально необходимой эффективной площади проходного отверстия предохранительного клапана по стандартам ASME и рекомендациям API RP 520. Используйте Equation 9.4.3 для расчёта минимально необходимой площади проходного отверстия предохранительного клапана, применяемого на паре:

#Поправочные коэффициенты на перегрев для ASME/API RP 520

Table 9.4.1 Поправочные коэффициенты на перегрев (KSH), используемые в ASME/API RP 520 (английские единицы)