EN
Tlakový uvoľňovací ventil je poslednou obrannou líniou proti nadtlaku v tlakových nádobách a potrubných systémoch. Norma API 520 (časť I a časť II) upravuje rozmietovanie, výber a inštaláciu zariadení na uvoľňovanie tlaku v petrochemickom rafinovaní a príbuzných odvetviach. Norma API 521 poskytuje inžiniersku metodológiu na identifikáciu scenárov nadtlaku a navrhovanie uvoľňovacích systémov. Norma API 526 štandardizuje plochy otvorov, rozmery a tlakové triedy prírubových oceľových tlakových uvoľňovacích ventilov. Tento článok, určený pre inžinierov a odborníkov v oblasti nákupu, zhrňuje zásady výberu nastavovacieho tlaku, logiku výberu ventilov a metódu výpočtu uvoľňovacej kapacity.
Obr. 1 Priečny rez bežným pružinovým ventilom bezpečnostný ventиль — sedlo, disk a pružinové zariadenie
1. Zariadenia, ktoré vyžadujú ochranu pred prebytkovým tlakom
API 521 vyžaduje ochranu pred prebytkovým tlakom pre tlakové nádoby, výmenníky tepla, ohrievače s vonkajším spaľovaním a akékoľvek úseky potrubia, ktoré môžu byť uzavreté v dôsledku tepelnej expanzie alebo kolísania tlaku v prúde nad prúdom.
Zásada skupinovej ochrany: pojistný ventil chráni skupinu zariadení – teda tie, ktoré sa nachádzajú medzi dvoma uzatváracími ventilmi a sú vystavené rovnakému zdroju prebytkového tlaku – namiesto toho, aby chránil každú nádobu samostatne. Musia byť vyhodnotené nasledujúce scenáre prebytkového tlaku:
- Uzavretý výstup – uzavretie uzatváracieho ventilu v prúde pod prúdom, čo spôsobí uväznenie systému pod prebytkovým tlakom;
- Vonkajší prívod tepla za požiarnych podmienok;
- Nekontrolovateľná chemická reakcia alebo tepelná expanzia obsahovanej látky;
- Výpadok pomocných prostriedkov (chladenia vodou, elektrickej energie alebo inštalačného vzduchu);
- Prekročenie tlaku spôsobené poruchou regulácie tlaku v prúde nad prúdom.
V závode na výrobu sírové kyseliny sú kľúčovými položkami, ktoré je potrebné chrániť, konvertor, vyrovnávacia nádoba na výstupnej strane SO₂ ventilátora, parný kolektor a parný bubon medzitlakového odpadového tepla.
2. Kľúčové kritériá výberu
Typ uzávery: uzáver so skrutkovou pružinou bezpečnostný ventиль je najpoužívanejším typom. API 526 definuje štrnásť štandardných označení otvorov písmenami od D do T (D, E, F, G, H, J, K, L, M, N, P, Q, R, T), ktoré pokrývajú celý rozsah bežných požiadaviek na vypúšťaciu kapacitu. Ak prekročí spätný tlak 10 % nastaveného tlaku, je potrebné zvoliť uzáver so vyváženou gumenou blanou. Pilotne ovládané uzávery dokážu vydržať vyšší a premenný spätný tlak a sú vhodné pre čisté prostredia s vysokým ΔP.
Nastavený tlak: podľa ASME Section VIII a API 520 je pre prípady bez požiaru maximálny vypúšťací tlak 110 % návrhového tlaku (10 % akumulácia). Pre prípady s požiarom je povolený tlak 121 % (21 % nadtlak).
Kontrola protitlaku: Pri bežnom pružinovom uzávere sa pri protitlaku vyššom ako 10 % nastavenej tlakovej hodnoty znižuje zdvih a výtoková kapacita. U vyváženého uzávera s kovovým mäkkým balónom (bellows) je účinná plocha balóna rovnaká ako plocha sedla, čím sa eliminuje vplyv protitlaku na nastavený tlak.
Obr. 2 Rez pružinovým uzáverom bezpečnostný ventиль — s montážou balóna (bellows)
3. Uvoľňovacia kapacita a dimenzovanie otvoru
Plocha hrdla trysky sa musí dimenzovať tak, aby zabezpečila maximálny uvoľňovací prietok za abnormálnych podmienok. Norma API 520, časť I, uvádza metódy dimenzovania pre plyny/paru, kvapaliny a dvojfázové prúdenie.
Prevádzka s plynom/parou (kritické prúdenie):
A = (W / (C·Kd·P1·Kb)) × √(T·Z / M)
kde:
- A — požadovaná účinná výtoková plocha;
- W — hmotnostný uvoľňovací prietok (kg/h);
- C — plynový koeficient, funkcia pomeru tepelných kapacít k;
- Kd — účinný súčiniteľ výtokovej priepustnosti (0,975 pre plyn/paru podľa API 520);
- P1 — tlak pri uvoľňovaní, absolútny;
- Kb — súčiniteľ opravy spätného tlaku;
- T — teplota pri uvoľňovaní (K);
- Z — súčiniteľ stlačiteľnosti;
- M — molekulová hmotnosť média.
Poznámky k výpočtu: každý nezvyčajný zdroj musí byť identifikovaný samostatne. Napríklad pri odpadovom teplom kotli sa rýchlosť uvoľňovania musí rovná maximálnej tvorbe pary plus dodatočnému odpareniu spôsobenému tepelným príkonom požiaru; inak bude prietokový otvor nedimenzionovaný a ochrana zlyhá.
Cieľ uvoľňovania: API 521 vyžaduje, aby horľavé a toxické média boli smerované do plameňového systému (flare) alebo uzavretého zbieracieho systému. Scenáre uvoľňovania, ktoré predstavujú riziko výbuchu parnej oblakov, sa musia riešiť prostredníctvom plameňového systému (flare), nízkotlakového systému, HIPS alebo prekonštruovaním.
4. Požiadavky na inštaláciu a potrubie
Vstupné potrubie: API 520, časť II vyžaduje, aby sa uzáver na odvádzanie tlaku umiestnil čo najbližšie k chránenému zariadeniu a straty tlaku vo vstupnom potrubí nesmeli prekročiť 3 % nastaveného tlaku (tzv. „pravidlo 3 %“). Nadmerné straty spôsobujú chvenie alebo oneskorené otvorenie.
Výstupné potrubie: výstupné potrubie nesmie byť podopreté telesom uzávera; vyžaduje nezávislé podopretie a musí umožňovať tepelnú rozťažnosť. Výtoková linka sa musí usporiadať tak, aby sa odvádzanie uskutočňovalo gravitačne, čím sa zabráni hromadeniu kondenzátu, ktorý by mohol ovplyvniť protitlak.
Viaceré uzávery na spoločnom hlavnom potrubí: ak niekoľko uzávrov na odvádzanie tlaku vypúšťa do spoločného hlavného potrubia, je potrebné vyhodnotiť kumulovaný protitlak v hlavnom potrubí vplyvujúci na zdvíhací výkon každého uzávera.
5. Prípad zo súčasnej praxe
Recyklačná nádrž na 98,5 % H₂SO₄ v závode na výrobu sírové kyseliny bola navrhnutá ako „atmosférická nádrž“ a nebola vybavená pojistným ventilom. Počas štartu sa netesnila párová izolácia, teplota kyseliny v nádrži stúpla a v nádrži sa hromadila para. Tlak sa krátko zvýšil na 0,04 MPa, čo spôsobilo vysunutie tesniacej manžety otvoru na streche nádrže a únik sírovej kyseliny.
Neskôr, v súlade s požiadavkami API 2000 na vetranie atmosférických a nízkotlakových skladovacích nádrží, bol inštalovaný kombinovaný zariadenie dýchania a pojistného ventilu s nastaveným tlakom 0,03 MPa a vypúšťacou kapacitou dimenzovanou pre maximálny tok pary.
Kľúčový bod: atmosférický návrh neznamená, že prebytok tlaku sa nikdy nemôže vyskytnúť. Pri analýze scenárov prebytku tlaku je potrebné zohľadniť ohrievanie, chemické reakcie aj nesprávne zaobchádzanie.
Záver
Inžinierska logika pre pojistné ventily sa dá zhrnúť takto: ventily sa konfigurujú podľa zdroja prebytočného tlaku (ochrana skupiny), veľkosť otvoru sa dimenzuje pre abnormálny prietok, typ ventilu sa vyberá podľa spätného tlaku a média a straty tlaku na vstupe sa kontrolujú tak, aby nepresiahli pravidlo 3 %. Rámec API 520/521/526 poskytuje komplexný reťazec od identifikácie scenárov a dimenzovania až po overenie inštalácie. V nasledujúcom článku sa budú diskutovať trhlinové dosky a ich kombinované použitie s pojistnými ventilmi.
Zdroje
API 520 Časť I / Časť II – Dimenzovanie, výber a inštalácia tlakovo uvoľňovacích zariadení, American Petroleum Institute (API).
API 521 – Tlakovo uvoľňovacie a deprešurizačné systémy, American Petroleum Institute (API).
API 526 – Pripojovacie oceľové tlakovo uvoľňovacie ventily, American Petroleum Institute (API).
API 2000 – Ventilácia atmosférických a nízkotlakových skladovacích nádrží, American Petroleum Institute (API).
ASME kód pre kotly a tlakové nádoby, časť VIII, oddiel 1 – maximálny prírastok tlaku 10 % pre prípady bez požiaru a 21 % pre prípady s požiarom.
Shanghai Xiazhao Valve – ventily na uvoľnenie tlaku a špeciálne ventily. Pre výber podľa noriem API alebo technické otázky sa obráťte na náš inžiniersky tím.
