Сравнительная характеристика гидравлических ПК

Тин	Условный диаметр, мм	Предельное давление, мм вод. ст.	Предельный вакуум, мм вод. ст.	Производитель­ность, м3/ч	Общая масса, кг
КПСА-250
КПГ-250			25-40
КПГА-250		25-30	25-30

Правила выбора, установки и эксплуатации ПК (кроме гидравличе­ских ПК) регламентируются «Правилами устройства и безопасной экс­плуатации сосудов, работающих под давлением» (ПБ 10-115-96), утвер­жденными Госгортехнадзором России. Число ПК для защиты аппаратов, работающих под давлением, их размеры и пропускная способность долж­ны быть выбраны таким образом, чтобы в аппарате не могло образоваться давление, превышающее рабочее (технологическое) давление на опреде­ленную величину, принимаемую из следующих соображений. Так как при нормальном протекании технологического процесса в допустимых преде­лах происходит незначительное колебание рабочего давления, то начало срабатывания клапана должно происходить при давлении более высоком, чем максимально возможное рабочее давление, чтобы обеспечивалась гер­метичность системы. Такое давление называется давлением настройки ПК - р_н (давление настройки - наибольшее избыточное давление на входе в клапан, при котором обеспечивается заданная герметичность системы). На рис. 4.50 показаны диаграммы работы предохранительных клапанов раз­личных типов.

Давление настройки р_н предохранительного клапана открытого типа определяется следующим образом:

а) для аппаратов с рабочим давлением ниже или равным 0,4 МПа -
принимается равным 0,6 МПа (здесь и ниже указано избыточное давле­ние);

б) для аппаратов, работающих под вакуумом, - принимается равным 0,1 МПа;

в) для аппаратов с рабочим давлением выше 0,4 МПа, предназначен­ных для пожаровзрывоопасных веществ 1 и 2 классов опасности, величина давления настройки должна приниматься на 10 %, но не менее чем на 0,1МПа выше рабочего давления;

г) для аппаратов, предназначенных для переработки углеводородного
сырья, давление настройки во всех случаях должно приниматься:

- не менее 2 МПа - для этана;

- не менее 1,6 МПа на всасывающей линии и не менее 2,0 МПа на
нагнетательной линии - для пропана;

- не менее 0,6 МПа - для бутана;

- не менее 0,3 МПа - для пентана;

д) для аппаратов, не содержащих пожаровзрывоопасных веществ, с рабочим давлением выше 0,4 МПа величина давления настройки должна приниматься на

10 %, но не менее чем на 0,1 МПа выше рабочего давле­ния.

Давление настройки предохранительного клапана закрытого типа (при направлении сбросов в систему с противодавлением) принимается меньше указанных ранее значений на величину противодавления в закрытой сис­теме. В табл. 4.5 приведены значения давления полного открытия клапана.

Таблица 4.5

Давление настройки, МПа (изб.)	Давление полного открытия клапана, МПа (изб)
Менее 0,3	рн + 0,05 МПа
От 0,3 до 6,0	1,15 рн
Свыше 6,0	1,1 рн

С учетом давления срабатывания клапанов производят расчет обору­дования на прочность. Так, если давление полного открытия клапана пре­вышает давление настройки не более чем на 10 %, а также для случаев в) и г), расчетное давление принимается равным давлению настройки, т.е. р = р_н. В иных случаях расчетное давление принимается равным 90 % дав­ления полного открытия клапана, т.е. р = 0,9 р₁.

Если на элементы аппарата действует гидростатическое давление столба находящейся в нем жидкости, то оно учитывается при выборе рас­четного давления этого элемента в случае, если его величина составляет 5 % и более от рабочего давления.

Предохранительные клапаны следует размещать: на вертикальных ап­паратах - на верхнем днище (крышке), на горизонтальных аппаратах и трубопроводах - на верхней образующей цилиндра, т.е. в зоне газовой (па­ровой) фазы. На аппаратах колонного типа с большим числом тарелок (бо­лее 40) в случае возможности образования значительного перепада давле­ния между кубовой и верхней частями колонны предохранительные клапаны следует устанавливать в кубовой части колонны (в зоне паровой части куба).

Предохранительные клапаны следует устанавливать на патрубках или трубопроводах, непосредственно подсоединенных к аппарату, которые должны быть защищены от замерзания в них рабочей среды. Диаметр пат­рубка, предназначенного для установки предохранительного клапана, дол­жен быть не менее диаметра входного патрубка клапана. При установке на штуцере нескольких предохранительных клапанов (например, рабочего и резервного) поперечное сечение патрубка должно быть не менее 1,25 сум­марной площади сечений входных патрубков клапанов, установленных на нем. Установка арматуры между сосудом и ПК, а также за ПК не допуска­ется.

Сбросы паров и газов от предохранительных клапанов, установлен­ных на аппаратах с пожаровзрывоопасными средами, следует направлять на факел, а если существует опасность уноса жидкости из аппарата вместе с паром или газом, то сбросы направляют в сепаратор, дренажную емкость и далее на факел.

Сбросы от предохранительных клапанов, установленных на аппаратах с веществами 1 и 2 классов опасности, следует направлять в специальную закрытую систему, из которой пары или газы можно возвращать в произ­водство. При невозможности устройства такой системы сбрасываемые продукты допускается направлять в атмосферу после обязательного обез­вреживания их в специальном поглощающем устройстве.

При организации сбросов пожаровзрывоопасных продуктов из аппа­ратов руководствуются следующими принципами:

- сбросы от ПК направляют в аппараты этой же системы, но работаю­щие под меньшим рабочим давлением и снабженные предохранительными клапанами;

- сбросы жидкостей от ПК, установленных на полностью заполненных жидкостями аппаратах и трубопроводах, направляют в аппараты этой же системы, частично заполненные жидкостью, работающие под меньшими давлением и снабженные ПК, установленными в зоне паровой фазы этих аппаратов.

Диаметр отводящего трубопровода после ПК должен быть не меньше диаметра выхлопного патрубка клапана.

При проведении проверочного расчета предохранительного клапана сравнивают пропускную способность существующего ПК с максимальным притоком среды, способным вызвать повышение давления, в защищаемый аппарат, т.е. проверяют выполнение условия безопасной эксплуатации ап­парата:

G _max ≤ G _кл, (4.2)

где G_max - максимальный приток среды в аппарат; G_кл - пропускная спо­собность ПК, кг/с.

Пропускную способность предохранительных клапанов в зависимости от агрегатного состояния сбрасываемой среды вычисляют по формулам:

- для газа (пара)

; (4.3)

- для жидкости

, (4.4)

где F - площадь проходного сечения сопла ПК, м²; α₁ и α₂ – коэффициен­ты расхода соответственно газа (пара) и жидкости через клапан; В - коэф­фициент, учитывающий физико-химические свойства газа (пара) при рабо­чих параметрах, принимаемый по таблицам или вычисляемый по форму­лам:

- при β≤β_кр

; (4.5)

- при β>β_кр

; (4.6)

Здесь

β = (р₂+0,1)/(р₁+0,1); (4.7)

, (4.8)

где р₁ - максимальное избыточное давление среды в аппарате, равное давле­нию полного открытия ПК, МПа; р₂ - максимальное избыточное давление за ПК, МПа; р₁ - плотность реального газа (пара) в аппарате при давлении р₁ и температуре Т₁ среды перед клапаном во время его срабатывания, кг/м³; р₁ = (р₁ +0,1) 10⁶/(А R Т₁ ) (здесь: А - коэффициент, зависящий от па­раметров р₁ и Т₁, определяемый в соответствии с Приложением 7 ГОСТ 12.2.085-82 «Сосуды работающие под давлением. Клапаны предохрани­тельные. Требования безопасности»; при низких давлениях (до 1-2 МПа) и средних температурах (до 200 °С) значение коэффициента А близко к 1;

R - удельная газовая постоянная в Дж/(кг К)); р₂ - плотность жидкости перед клапаном при его срабатывании, кг/м³.

Наибольшую трудность представляет определение максимального притока среды в аппарат, величину которого определяют исходя из сле­дующих условий:

а) для ПК, установленных на технологических емкостях, сепараторах, абсорберах, адсорберах, разделителях и т.п. оборудовании - из условий подачи в аппарат среды при закрытых выходах из него по данным, кото­рые приводятся в расчетно-пояснительной записке (п/з) к технологической части проекта или в технологическом регламенте, или по показаниям, ко­торые зафиксировали записывающие приборы или управляющие компью­теры;

б) для ПК, установленных на ректификационных колоннах, - из усло­вия сброса всего количества паров, поступивших и образовавшихся в ап­парате:

- если ПК установлен в верхней части колонны, то расход среды опре­деляется суммарным количеством паров сырья и паров орошения;

- если ПК установлен в кубовой части колонны, то расход среды опре­деляется суммарным количеством паров сырья и паров, образующихся в нижней части колонны;

в) для ПК, установленных на жидкостных трубопроводах и аппаратах,
полностью заполненных жидкостью с расчетным давлением, принятым по давлению питающего источника, - из условия сброса дополнительного ко­личества жидкости G_ж, образующегося в результате теплового расширения от действия солнечной радиации:

G = V_c р_ж β_ж (T₂ – T₁), кг/с (4,9)

где V_c - первоначальный объем жидкости в аппарате (трубопроводе) при температуре Т₁ м³; р_ж - плотность жидкости при Т₁, кг/м³; β_ж - коэффици­ент объемного расширения жидкости в интервале температур Т₁ – Т₂, К^-1; Т₁ - рабочая температура жидкости в аппарате, К; Т₂ - максимальная тем­пература жидкости в аппарате (трубопроводе), К; принимают Т₂ = 323 К;

г) для ПК, установленных на трубопроводах на стороне меньшего давления после регулятора давления, - из условия полного открытия регу­лирующего клапана и отсутствия расхода после него по максимальной производительности регулятора;

д) для ПК, установленных на нагнетательных трубопроводах после насосов или компрессоров, - из условия полной производительности насо­сов или компрессоров при отсутствии расхода после них;

е) для ПК, установленных на обогреваемом трубопроводе с пожаро­опасными жидкостями или сжиженными газами между отключающей ар­матурой, - из условия сброса всего количества паров (газов) G_n, кг/с, обра­зующихся при кипении жидкости:

G_n = F_об К (Т_сп - Т_кип)/r, (4/10)

где F_об - поверхность обогреваемого участка трубопровода между отсе­кающими задвижками, м²; К - коэффициент теплопередачи при обогреве паровым или водяным спутником; принимают К = 12 кВт/(м²·К); Т_сп -температура спутника, К; Т_кип - температура кипения жидкости при дав­лении сброса р₁, К; г- скрытая теплота испарения жидкости при давлении сброса р₁ кДж/кг;

ж) для ПК, установленных на складских емкостях для сжиженных га­зов и пожаровзрывоопасных жидкостей и для холодильного оборудования, - из условия пожара вблизи аппарата, в результате чего происходит испа­рение жидкости или тепловое расширение газа (ПК на подземных емко­стях и теплообменных аппаратах на эти условия не рассчитываются).

Расчет ПК в этом случае производится при условии полного отключе­ния аппарата и прекращения подачи в него предусмотренного технологи­ческим регламентом продукта:

- для сосудов, полностью заполненных жидкостью или содержащих
жидкую и паровую фазы:

С_{ж, п}= F _CM К _ж(Т _Г – Т _кип)/ r, (4.11)

где С_{ж, п} - избыточное количество жидкости, образующейся при ее тепло­вом расширении в условиях пожара, кг/с; F_CM - смоченная поверхность аппарата, м²; К_ж - коэффициент теплопередачи от окружающего воздуха к жидкости в аппарате; для теплоизолированного аппарата К_ж = 2,9 кВт/(м²·К); для не теплоизолированного аппарата К_ж = 23,2 кВт/(м²·К); Т_Г - температура газовоздушной смеси (продуктов горения), омывающей при пожаре наружную поверхность аппарата; принимается Т_г = 873 К.

Смоченная поверхность аппарата определяется при максимальном уровне жидкости. Для ректификационных колонн смоченная поверхность определяется при максимальном уровне жидкости в кубе и на тарелках.

- для сосудов, содержащих пары или газы:

G _Г = F _H К _г(Т _г -Т _П)/ С _р Т _П, (4.12)

где G_r - избыточное количество газа, образующегося при его тепловом расширении в условиях пожара, кг/с; F_H - полная наружная поверхность аппарата, м²; К_г - коэффициент теплопередачи от окружающего воздуха к газу; для теплоизолированных аппаратов К_г = 3 кВт/(м²·К) и для не тепло­изолированных аппаратов К_г = 12 кВт/(м²·К); Т_п- температура газов (па­ров) в аппарате при нормальном режиме работы, К; С_р- теплоемкость газа (пара) при давлении р₁, кДж/(кг·К).

Если максимальный приток среды в аппарат превышает пропускную способность предохранительного клапана, то следует установить на аппа­рате клапан с большим диаметром сопла, а если это невозможно, то не­сколько предохранительных клапанов.

В связи с тем, что детали ПК подвержены воздействию среды, нахо­дящейся в защищаемом аппарате, в целях предотвращения их коррозии, прикипания золотника к седлу или примерзания, образования отложений полимеров, продуктов кристаллизации, а также для предотвращения уте­чек через закрытый клапан взрыво- и пожароопасных, токсичных, эколо­гически вредных и т.п. сред перед предохранительным клапаном устанав­ливается мембранное предохранительное устройство (рис. 4.51, а). МПУ устанавливают и на выходной стороне предохранительного клапана для предотвращения вредного воздействия среды со стороны сбросной систе­мы и для исключения влияния колебаний противодавления со стороны этой системы на точность срабатывания ПК (рис. 4.51, б). Мембранное предохранительное устройство может также устанавливаться параллельно с предохранительным клапаном для увеличения пропускной способности системы сброса давления и в случае взрывного характера нарастания дав­ления среды в защищаемом аппарате (рис. 4.51, в).