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液化石油气管道安全阀参数及选用

文档作者：严铭卿文档来源：中同市政工程华北设计研究院		点击数：	更新时间： 2022年08月25日
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·14 ·
一f0
1 概述
浓 磊 莲．害垒阔． 闸
煤气与 热力 1 994年5月
液化石油气管道安全阀参数及选用
芒整 丁 甲7
(中同市政工程华北设计研究院，天津。00。 币
严 禹卿
(乌鲁木齐石油 1 乌鲁术齐80001 9)
液态液化石油气有很大的体积膨胀系数
(目值)，在3O一4O℃ 的温度范围内，液态液
化石油气的pL e是水的目w的7—10倍， 在1 0—
20℃ 的温度范围内，这一比值可达17—18。
所阻充满在封闭容器中的液态液化石油气当
温度上升时会由于体积膨胀而产生很大的液
体膨胀压力， 其数值远远大于液化石油气在
该温度下的饱和蒸汽压力。这种液体膨胀压
力的大小与液体的温度增量、液体的体积膨
胀系数，液体的压缩模量、容器的刚度等因
素有关。液态液化石油气所产生的液体膨胀
压力往往会导致容器破裂， 发生液化石油气
外泄， 甚至造成液化石油气火灾事故。在温
度较高的条件下， 还可能引发容器内液化石
油气的压力骤减， 过热液体迅速汽化导致的
蒸汽爆炸。
运行中的液态液化石油气管道， 在某些
情况下可能被封闭。例如管段两端阀门都被
关闭， 则此管段就构成充满液体封闭状态，
因而面临液体膨胀压力问题。对此， 工程上
的解决办法是采取在这种管段上设置液化石
油气管道安全阀，在液态液化石油气因温度
升高而发生体积膨胀时，通过管道安垒阀排
出液态液化石油气．维持管道内压在规定的
水平阻下。
管道安全阀构造简单， 现在国内已有定
型产品可供使用。长期以来， 对管道安全阀
的选用系根据经验设置，缺乏对管道安全阀
工作过程的技术分析， 因而也不可能提出对
管道安全阀选用的定量计算， 同时也不可能
对管道安全阀的特性有很好的认识并用以解
决管道安全阀的设计问题。
2 管道安全阀工作过程分析
取一封闭的液态液化石油气管段， 在管
段内的液态液化石油气(工质) 温度升高
时，其体积膨胀量有如下关系：
dv=8vdt (1)
式中 V— — 封闭管段容积；
t— — 工质温度j
B—— 工质的体积膨胀系数。
管道安全阀的作用是在某种规定压力下
及时将膨胀过量的工质排出管外。设管道安
全阀的阀口直径为ds，工作时额定开启高度
为h=d s／20(微启式， 则在df时间内通过
阀口的排量为
1
dv (2)
式中w— — 工质流过阀口的流速
rf (1)式与(2)式，有
_)
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第1 d卷第3蛔 煤气与热力 ·15·
d。 ： (3) 式中
w dT
由液相管段在dr时问内的热平衡分析，可以
得到液温上升速率 的表达式。
在d 时间内， 管段内工质热量的增收为
管段所受的太阳辐射热、空气传入热和地面
反射热， 即：
ClpP．Vdt=1．5(￡DCS+nDLkAt)dz
(4)
式中 Clp P J—— 分别为液态液化石油气
的比热和密度}
D，L—— 分别为管道直径和管段长度，
0—— 管道表面对太阳辐射的吸收率，
k—— 通过管道的传热系数，
S—— 太阳辐射强度|
△t—— 空气与液态液化石油气的温
差J
1．5— — 考虑地面反射的系数、
山(4)式得
￡d= CP T L P 1 V(吼一s⋯+1⋯DI|“kl^⋯t)
将(5)式代入(3)式得 (5)
． ， BV 20 1．5
w n Cp P．V
(￡DLS+ DLkAt)
即 √ ．( t (6)
用(6)式即可对所考虑的可能处于封闭状
态的直径为D，长度为L的管段计算应设置
的安全阀的阀口直径。
在(6) 式中，13Cp P 是物性参数，
应该按所考虑的液态液化石油气取值。是管
表面的对太阳幅射的吸收率，k是通过管墨
的传热性能。s及则属于采用的计算气象条
件。需要进一步考虑的是通过阀口流通面积
的流速w，它可以表为：
W (7)
△P—— 管内与管道安全阀阀口外的
阀腔之间的压差，
P —— 阀腔压力j
∈ — — 通过管道安全阀阀口的阻力系
数。
=
式中tt—— 阀i：1流量系数
(7) 式为：
w= √T 1 r=三 (8)
E
由上式可以看到为计算，需确知P 。
管道中的液态液化石油气在经管道安全
阗阀口喷出到阀腔时经过节流，压力骤减，
发生绝热闪蒸。部分液化石油气气化，部分
保持液态，形成气液共存的混合物，在阀腔
中产生介于管道内压力与大气压力之间的一
个中问压力P 。我们将液化石油气气态看
成理想混合物，并看成理想气体， 液相也看
成理想混合物。阀腔中的集态可以由下述等
焙条件物料平衡和相平衡条件决定：
HF= rΣy ·H + (1一Y)ΣX ·H (9)
X
y
Z
Y(Kj一1)+ 1
K ·Z
Y(K 一1)-I-1
(1O)
(11)
式中H ，H ，H —— 分别为管道中液态
液化石油气、闪蒸
后的气相、液相的
络，
Y—— 闪蒸后气相分率}
z ·Y ·x —— 分别为管道中液态液化石油气、
闪蒸后的气相、液相的j组份
的分率{
Ki——i组份的相平衡常数。
在Z 及阀腔中压力P (及温度t ) 已知
时，可由(9)， (1O)、(1】)式计算出
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煤气与热力
r及x，、Y．。}}算需用试算法，计算结果应
分别满足Y,x = 1及兰y。=1的条件。
对于单一组份的纯液化石油气，则只需
(10)式计算即可。可以直接算出气相分率
Y 由(9)式
HF=YH + (1一-r)H (1 2)
即
ctt=Y(r=c；tm)+(1一Y)c t
(]3)
．
= 蓦÷‰ Ⅲ
式中C ，c —— 液化石油气液相、气相
定压比热，考虑到c；。≈
C J
r—— 液化石油气气化热。
同时可以得出阀腔中液化石油气两相混合物
的密度为
Y (1一Y) (15)
p 。 p
为确定r及p ，都需要知道阀腔中的压
力P (或相应于P 的饱和温度t )。
但是， 在计算条件上，实际上P (或
tm)也是未知的，要结合对液化石油气由阀
腔向大气排出的过程所进行的分析才能加以
确定。
我们对P 进行分析。液态液化石油气
由管道内喷射进入阀腔(压力为P ) J在
阀腔中形成气液混合态经阀腔孔喷射入大气
(压力为大气压)。所以可以分别列出经阀
目的液体质量流M 及经阀腔孔的混合态液
化石油气质量流M：的表达式：
M． f,G~／2(P-P．)p．
√z
即：
M．：f， ( ’
1994年5月
M 1√2 _ p
(17)
其中(17)式采用了临界流速的计算式， 将
气液混合态按饱和气对待。
由质量流的连续性，M：=M，，由(6)．
(7)两式右以解得
P
( 。
(} 而K P
(18)
上式中fs，fc，Ms，]Vie都是已定参数。
整个计算过程需首先假定阀腔中的温度
tm (或P ) 由(9)一(11)式或(14)式
计算出r， 用(15)式计算出p ， 由(1 8)式
计算出P 。由计算得到的P 可以得知相应
的饱和温度t m。用它与假定的t 比较， 若
不符合精度要求则用新的t 值重进行计算，
直到得到Pra值。
一般可以经两次计算用图解法即直可得
到t ，如图1所示：
在tm。t m座标中连接第一次计算座标
点(tin，t m)与第2次计算座标点(tin，
t m)的连线与45。线相交点的tm即为所求。
至此我们得到的(6) ， (7) ，(9)，
(10) ， (11) ， (14) ， (15) 及(1 8)
式， 即给出了管道安全阀的选用计算过程。
3 管道安全阔结构参数的设计
控制与配置通用公式
5．1 结构参数的设计控箭问墨
管道安全阀形体不大，功能要求单一，
构造简单。其设计问题从未被人们所意识，
实际上对其结构参数需要慎重考虑。因此作
者特提出管道安全阀结构参数的设计控制问
题。对这一问题，可以用(9)式来理解。
可以看到，阀腔压力P 对W 的影响很大。从
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第14卷第3期 煤气与热力 ·17·
(18)式中义可看到，÷}是Pm的一个控
制因素。从运行安全的观点，我们希望控制
液态液化石油气从阀口的喷出速度， 因为w
太大会引起静电起电，聚集的静电在阀腔孔
喷出口处的放电可能点燃刚形成的液化石油
气—— 空气可燃混合气，所以在设计管道安
f
全阀时需选择一个合适的较大的 ，的比值，
1 c
使管道安全阀在放散工况下维持相对较高的
P ， 控制过大的W出现。现有产品(d。=
f 1
6111n1)的 ÷o
I‘ ，
3．2 配置通用公式
我们对丙烷管道用的管道安全阎作配置
计算。设管道安全阀定压为I．7MPa(绝
对)，管道内丙烷温度为35℃ ，液态密度pf
=47'7．5kg／m。，设管道安全阀÷等=÷，
丙烷绝热指数k=1．161， 用这些参数作一个
典型计算。
由(14)式， 设tm=25℃
一 二 一
r十(c；一C )t 一
2．93 (35—25)
再1 =
=158．57kg／m。
0．088 0．912
19．74 493．4
UZ)o,
· P
(÷)。堋 ．s
(÷) ㈣朋
1．7= 0．3 84× 1．7
= O．65M Pa
． t = 1O℃
t ≠ tm = 25℃
重设t =1S℃进行计算
r=O．16， p = 83．84 ， P = O．54 ×
1．7= 0．92
t m ： 24℃
t m ≠ tilll= 15℃
由(25、10)与(I5、24)在t m——c座标
图上与过原点的45。斜线交点可得tm =
19℃ 。
由tnl=1 9℃ ，相应的Pm =0．81MPa
由(8)式
w √ -o．
由(6)式
√
／ 30×0．O0丽 广—一
一V 1 百 百 了
±0．0009-~／ 豇■m
若在(6)式中ds及D采用1TJm为单位，L
仍用m为单位，则上式计算结果为
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· 18· 煤气与热力 1994年5月
dsm = O．0288~／D Lmm
考虑1．5倍的安全系数， 则
d =0．0288 ~／1．5D L
即dsm= 0．035~／D Lmm (91)
对D =80mm，L=100m的液态丙烷管
段按(19)式计算得到：
d； = 0．035~／8OX 100 = 3．1 3ram
对液态丁烷管段采用相同的温度和气象
条件计算，得到的阀口直径值约为液态丙烷
的阀口直径计算值的一半。
液化石油气是丙烷与丁烷的混合物，所
以按丙烷考虑管道安全阀的选用计算仍是安
叠的。
所以，为设计方便起见，建议以(19)
式作为液化石油气液态管道安全阀的通用配
置计算公式。
4 结论
(1)本文通过对管道安全阀放散过程
的分析得到式(6)， (8)， (9)，
(1O) ， (11， (14)， (15， 及(1 8) ，
给出了管道安全阀阎口直径的理论计算方
法。
(2)建议采用fs／fc~1／3的结构参
数， 以维持较高的P 。
(3)建议采用如下管道安全阀通用配
置计算公式
d =0．035~／ D L mm
式中。dsm—— 管道安全阀阀口直径1ii1．12 J
D —— 液态液化石油气管道直径
m m ，
L— — 液态液化石抽气管道封闭管
段长度131。
当管道较长，或管径较大，计算得到的
d 很大，无适当的管道安全阀可选用时，
可取L／n作为管段长度进行计算，得到d⋯
该管段上即应设11个阎口直径为d。 的管道
安全阎。
(4)对管道安全阀冬夏工作条件的分
析表明，管道安全阎的高负荷出现在夏季，
所以设计条件应按夏季选取。
我国城市煤制气技术发展途径的研究》
通过部级成果鉴定
1994年2月18日， 由建设部沈阳煤气热力研究设计院、大连煤气公司、冶金部鞍山焦化
耐火材料设计研究院、阜新煤气设备制造安装公司共同完成的《我国城市煤制气技术发展途
径的研究》一课题， 通过部级成果鉴定。
该成果比较全面地阐述了国内外城市燃气的发展轨迹，对煤炭干馏、气化、热解技术的
现状和未来进行了评价和预测，对新建、改建煤气厂提出了相应的建议， 从而对有关决策部
门具有一定参考价值，对煤制气企业具有一定的现实指导意义。
[张力报道]

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