安全閥出口流道面積對其工作特性的影響

概述

       安全閥是各類(lèi)承壓設備(如鍋爐、壓力容器和壓力管道)上普遍使用的安全附件,被廣泛應用于石油、化工和電力等多個(gè)行業(yè)。由于其對于保障設備正常安全地運行具有相當重要的作用,因此對其動(dòng)作性能和可靠性的要求越來(lái)越高。本文所要研究的是安全閥出口流道面積對安全閥性能的影響。出口流道設計是否合理的一個(gè)主要指標就是介質(zhì)流動(dòng)是否順暢,是否會(huì )發(fā)生流動(dòng)的阻塞。API RP 520中規定,在進(jìn)行泄壓閥排放管線(xiàn)的設計時(shí),應當考慮到附加背壓和排放背壓對于泄壓閥動(dòng)作特性的共同影響,排放管線(xiàn)的設計應使得系統中任何泄壓閥的背壓都不超過(guò)允許值。文獻中規定,安全閥出口管道的設計應考慮背壓不超過(guò)安全閥定壓的一定值。文獻中要求,安全閥出口接管直徑應大于安全閥出口直徑1～3 級,大小頭應設在靠近安全閥的出口處。

計算模型

       為了研究不同出口流道面積對安全閥工作特性的影響,建立了6個(gè)計算模型,包括2個(gè)不同的幾何實(shí)體,3個(gè)入口壓力。其中,2個(gè)實(shí)體除出口流道面積不同以外,其他固壁的尺寸和型面完全相同(圖1)。計算模型的喉部流道直徑為27mm,進(jìn)口公稱(chēng)通徑為50mm,出口公稱(chēng)通徑分別為65mm、80mm,介質(zhì)為理想氣體,入口壓力分別為013MPa(a)、110MPa(a)和510MPa(a),入口溫度和出口溫度為300K,湍流模型采用Realizableκ-ε模型。

圖1 　出口公稱(chēng)通徑不同的計算實(shí)體

分析

       表1為6個(gè)算例的排量、升力和背壓力的計算結果。表中升力為介質(zhì)對安全閥運動(dòng)零件(閥瓣和反沖盤(pán))的作用力。運動(dòng)件背面靜壓力是運動(dòng)件背面各作用面上靜壓力的平均值。從表中數據可以看出,入口壓力相同,出口公稱(chēng)通徑不同,其排量變化不大,出口面積小的排量數值略小于出口面積大的。但是,其升力數值相差很大。出口面積小的升力數值小,而且,入口壓力越高,兩者相差越大。造成升力變化的原因在于運動(dòng)件背面壓力的變化。背壓力的變化規律與升力的完全相同, 即相同入口壓力下, 出口面積小的背壓數值要大于出口面積大的, 而且, 入口壓力越高, 兩者相差越大。因此,升力減小的原因就在于背壓力的增大。雖然表中數據表明排放能力并沒(méi)有因出口流道面積縮小而削弱, 但這是在安全閥開(kāi)啟高度不變的情況下。許多研究表明, 安全閥的開(kāi)啟高度是影響其排放能力的最主要的因素。因此, 安全閥出口流道面積減小后, 排放能力是否會(huì )受到影響, 要看背壓的增加是否引起了安全閥開(kāi)啟高度的減小。