安全閥噴嘴面積計算

                      上海申弘閥門有限公司

  安全閥 safety valve 用以防止鍋爐、壓力容器等設備或管道因超壓而發生損壞的閥門。當被保護體內的流體壓力達到略高于正常工作壓力的某一規定值（即閥門開啟壓力）時，安全閥自動開啟，排放部分流體，使壓力下降。當壓力下降到略低于正常工作壓力的某一值（即閥門回座壓力）時，安全閥自動關閉，停止排放流體并保持密封。 

安全閥類的作用是防止管路或裝置中的介質壓力超過規定數值，從而達到安全保護的目的。 安全閥是一種安全保護用閥，它的啟閉件受外力作用下處于常閉狀態，當設備或管道內的介質壓力升高，超過規定值時自動開啟，通過向系統外排放介質來防止管道或設備內介質壓力超過規定數值。安全閥屬于自動閥類，主要用于鍋爐、壓力容器和管道上，控制壓力不超過規定值，對人身安全和設備運行起重要保護作用。上海申弘閥門有限公司主營閥門有：減壓閥(氣體減壓閥,可調式減壓閥,波紋管減壓閥,活塞式減壓閥,蒸汽減壓閥,先導式減壓閥,空氣減壓閥,氮氣減壓閥,水用減壓閥,自力式減壓閥,比例減壓閥)、安全閥、保溫閥、低溫閥、球閥、截止閥、閘閥、止回閥、蝶閥、過濾器、放料閥、隔膜閥、旋塞閥、柱塞閥、平衡閥、調節閥、疏水閥、管夾閥、排污閥、排氣閥、排泥閥、氣動閥門、電動閥門、高壓閥門、中壓閥門、低壓閥門、水力控制閥、真空閥門、襯膠閥門、襯氟閥門。 按安全閥閥瓣開啟高度可分為微啟式安全閥和全啟式安全閥，微啟式安全閥的開啟行程高度為：≤0.05d0(小排放喉部口徑)；全啟式安全閥開啟高度為≤0.25d0（小排放喉部口徑）。 

安全閥按結構形式來分，要分為垂錘式、杠桿式、彈簧式和先導式（脈沖式）；按閥體構造來分，可分為封閉式和不封閉式兩種。封閉式安全閥即排除的介質不外泄，全部沿著出口排泄到地點，一般用在有毒和腐蝕性介質中。對于空氣和蒸汽用安全閥，多采用不封閉式安全閥。對于安全閥產品的選用，應按實際密封壓力來確定。對于彈簧式安全閥，在一種公稱壓力（PN）范圍內，具有幾種工作壓力級的彈簧，訂貨時除注明安全閥型號、名稱、介質和溫度外，尚應注明閥體密封壓力，否則按大密封壓力供貨。 

4.1   介質為氣體

    氣體通過安全閥噴嘴時，其速度和比容隨下游壓力的減少而增大，一直增大到極限速度為止，此極限速度即為該氣體的聲速，相當于極限速度的相應流率，稱為臨界流率。

    聲速下的噴嘴喉管壓力Pcf與入口壓力（即高泄放壓力）Pm之絕壓比稱為臨界壓力比，Pcf稱為臨界流動壓力。

    氣體的臨界壓力比可用理想氣體關系的公式計算      （4-1-1）

 式中：K—氣體的絕熱指數（Cp/Cv);

          Pcf—臨界流動壓力，MPa（絕）；

          Pm—進口處壓力（即高泄放壓力），MPa（絕），

               即安全閥定壓+容許過壓+大氣壓。

    一般烴類氣體Pcf/Pm值大都在0.5～0.6之間，其與K值的關系見下表4-1-1。

表4-1-1  K值與Pcf/Pm值關系表

    如果喉管下游壓力P2（即安全閥出口壓力）高于臨界流動壓力，此時的流動狀態為亞臨界流動。

4.1.1  臨界流動狀態下噴嘴面積計算，可按式4-1-2計算    （4-1-2）

    對全啟式                 （4-1-3）

    對微啟式   （4-1-3B）

    式中：

           Ao—噴嘴面積，cm2;

           h—安全閥開啟高度，cm;

           φ—錐形密封面的半錐角度，°;

           do—噴嘴內徑，cm;

           Gv—氣體大泄放量，kg/h；

           Pm—高泄放壓力，MPa（絕）；

           T 1—進口處氣體溫度，K；

           M—氣體分子量；

           Z—在Pm壓力下氣體的壓縮系數；

           KF—流量系數，應由制造廠提供，參見附錄二。

           C—氣體特性系數，僅與氣體的絕熱指數K有關，可用下式計算

 也可用表4-1-2查得；

           Kb—背壓校正系數，對普通型安全閥，隨著P2值增大，安全閥的理論泄放量 

                將隨之減少。但當P2<Pcf時，對泄放量的影響較小，而普通型安全閥 

                的P2值要求小于0.1Ps，在此條件下，Kb值可取為1。當P2值大于

                0.1Ps時，一般應選用波紋管（平衡型）安全閥，當P2值大于0.3Ps可

                選用先導式安全閥。波紋管安全閥的Kb值見表4-1-3。

表4-1-2  不同K值與C值關系

    *   內插值因在K接近于1時，C變為不定的無窮數。

表4-1-3    波紋管安全閥Kb值

    表4-1-3是國外制造商提供的平均值（見API RP520-90），背壓低于0.34MPa（表）時，不應選用上表數值，而應由制造廠按背壓條件提供Kb值。

4.1.2  亞臨界流動狀態下噴嘴面積計算為了簡化計算，仍然采用式4-1-2計算，對普通型安全閥，Kb校正系數需改用表4-1-4值；對波紋管安全閥，Kb值應由制造廠提供。其它符號意義和取值與臨界流動狀態相同。

    表4-1-4  亞臨界流動狀態下普通型安全閥Kb值

    *背壓%為P2/Pm%(以絕壓計)

    例題1≌ 已知下列泄放要求:

    GV=24318kg/h,烴蒸氣平均分子量M=65,K=1.1,

    T1=348K(75℃),PS=0.51MPa(表),即設備的設計壓力,

    P2(背壓)=0(表)。

    計算出下列數據，容許積聚壓為10%（由于定壓即為設備壓力，積聚壓等于過壓），高泄放壓力Pm=0.51×1.1+0.1=0.661MPa(絕),Z=0.84,臨界壓力比=0.59(查表4-1-1),臨界流動壓力Pcf=0.661×0.59≈0.39MPa(絕)=0.29MPa(表)。

    因背壓P2=0，小于Pcf，處于臨界流狀態，因此可用式4-1-2計算噴嘴面積

    KF采用0.975,Kb=1，C=326（查表4-1-2）。

    例題2  把例1中的迭加背壓改為0.37MPa(表），其它數據與例1相同，選用普通型安全閥。

    因迭加背壓等于0.37MPa(表），大于臨界流動壓力0.29MPa(表），氣體處于亞臨界狀態。

    容許積聚背壓0.1×0.51=0.051MPa

    總背壓P2=0.37+0.051=0.421MPa(表）=0.521MPa( 絕）

    P2/Pm=0.521/0.661=79%,從表4-1-4查得Kb=0.88

4.2  介質為水蒸汽（壓力小于10MPa）按4-2-1計算

    式中GV--水蒸汽大泄放量，kg/h；

        AO--噴嘴面積，cm2；

        Pm--高泄放壓力，MPa（絕）；

        Kφ--蒸汽過熱度校正系數，見表4-2-1；

        KF--由制造廠提供。

      表4-2-1    蒸汽過熱度校正系數

4.3  介質為液體  按液體介質設計的安全閥應取得能力檢驗證，并給定流量系數，其噴嘴面積可按式4-3-1計算

    式中AO--噴嘴面積，cm2；

        GL--液體泄放量，m3/h；

        rg--泄放溫度下液體相對密度（相對于20℃水）；

        Pm，P2--高泄放壓力，出口壓力，MPa（表）；

        KF--流量系數，應由制造廠提供，需要進行估算時，取KF=0.65；

        Kb--背壓校正系數，對于普通型安全閥，Kb=1，對于波紋管式安全閥，一般由制造廠給出Kb值，必要時，可從表4-3-1查得。

         表4-3-1    波紋管式安全閥Kb值

    Km--粘度校正系數   可從表4-3-2查得

            表4-3-2     粘度校正系數Km

    根據雷諾數Re選取Km值時,需要先按非粘性介質(Km=1)用式4-3-1確定噴嘴面積,再從有關制造廠的樣本中選取接近或稍大的噴嘴面積的安全閥,按式4-3-2計算雷諾數

    式中m--流動溫度下介質的粘度,MPa·S(其值與厘泊相等);

        A’o--初選的安全閥噴嘴面積,cm;

       其它符號見前。

    根據計算的雷諾數從表4-3-2查得Km值，再按式4-3-1計算校正后的噴嘴面積。如果校正后的噴嘴面積大于初選的噴嘴A’O，則需選用較大A’o的面積重新進行計算，直到基本一致為止。    

4.4  液體膨脹時噴嘴面積計算  可按式4-4-1計算：

    式中GL--液體膨脹的泄放量，m3/h；

        其它符號相同。

4.5  介質為氣液兩相流體   可按前述方法分別計算氣體和液體排放所需的噴嘴面積，再將兩者相加即為安全閥噴嘴的總面積。與本文相關的論文有：安全閥定期檢驗辦事指南