EN
Van xả áp lực là hàng rào cuối cùng nhằm ngăn ngừa tình trạng quá áp trong các thiết bị chịu áp lực và hệ thống đường ống. API 520 (Phần I và Phần II) quy định việc xác định kích thước, lựa chọn và lắp đặt các thiết bị xả áp lực trong ngành chế biến dầu mỏ và các ngành liên quan. API 521 cung cấp phương pháp luận kỹ thuật để nhận diện các tình huống quá áp và thiết kế các hệ thống xả áp lực. API 526 chuẩn hóa các diện tích lỗ chảy, kích thước và áp suất làm việc danh định của các van xả áp lực bằng thép có mặt bích. Bài viết này, được viết dành riêng cho kỹ sư và chuyên viên mua sắm, tóm lược các nguyên tắc lựa chọn áp suất đặt, logic lựa chọn van và phương pháp tính toán khả năng xả áp lực.
Hình 1. Mặt cắt ngang của van kiểu lò xo thông thường van an toàn — cụm ghế, đĩa và lò xo
1. Thiết bị yêu cầu bảo vệ chống quá áp
API 521 yêu cầu bảo vệ chống quá áp cho bình chịu áp lực, thiết bị trao đổi nhiệt, lò gia nhiệt bằng nhiên liệu và bất kỳ đoạn đường ống nào có thể bị chặn do giãn nở nhiệt hoặc dao động áp suất đầu vào.
Nguyên lý bảo vệ theo nhóm: một van xả bảo vệ một nhóm thiết bị — tức là những thiết bị nằm giữa hai van cách ly và chịu chung nguồn gây quá áp — thay vì bảo vệ từng bình riêng lẻ. Các tình huống quá áp sau đây phải được đánh giá:
- Đầu ra bị chặn — đóng van cách ly phía hạ lưu làm hệ thống bị nhốt dưới áp suất quá cao;
- Nhiệt lượng đầu vào từ bên ngoài trong điều kiện cháy;
- Phản ứng hóa học mất kiểm soát hoặc giãn nở nhiệt của môi chất chứa bên trong;
- Mất dịch vụ (nước làm mát, điện năng hoặc khí nén điều khiển);
- Vượt áp do hỏng van điều khiển áp suất đầu vào.
Trong một nhà máy axit sunfuric, bộ chuyển đổi, bình đệm xả quạt thổi SO₂, ống dẫn hơi và trống hơi của nồi hơi thu hồi nhiệt áp suất trung gian là những thiết bị chủ chốt cần được bảo vệ.
2. Tiêu chí lựa chọn chính
Loại van: loại lò xo van an toàn là loại được sử dụng rộng rãi nhất. API 526 quy định mười bốn ký hiệu lỗ tiêu chuẩn từ D đến T (D, E, F, G, H, J, K, L, M, N, P, Q, R, T), bao quát toàn bộ dải yêu cầu về công suất xả thông dụng. Khi áp suất ngược vượt quá 10% áp suất cài đặt, cần chọn van cân bằng bằng ống lò xo. Van điều khiển bằng van phụ có khả năng chịu đựng áp suất ngược cao hơn và biến thiên hơn, đồng thời thích hợp cho các ứng dụng sạch với chênh lệch áp suất cao.
Áp suất cài đặt: theo ASME Phần VIII và API 520, trong các trường hợp không do cháy, áp suất xả tối đa là 110% áp suất thiết kế (tăng tích lũy 10%). Trong các trường hợp cháy, cho phép tăng lên 121% (vượt áp 21%).
Kiểm tra áp suất ngược: Đối với van lò xo thông thường, áp suất ngược vượt quá 10% áp suất đặt sẽ làm giảm độ nâng và khả năng xả. Van cân bằng bằng ống đàn hồi (bellows) sử dụng một ống đàn hồi có diện tích hiệu dụng bằng diện tích mặt ghế van, từ đó loại bỏ ảnh hưởng của áp suất ngược lên áp suất đặt.
Hình 2. Mặt cắt ngang của van lò xo van an toàn — kèm cụm ống đàn hồi (bellows)
3. Khả năng xả và xác định kích thước lỗ xả
Diện tích cổ họng vòi phun phải được xác định sao cho đáp ứng tốc độ xả tối đa trong điều kiện bất thường. API 520 Phần I cung cấp các phương pháp tính toán kích thước cho dòng khí/hơi, dòng lỏng và dòng hai pha.
Ứng dụng với khí/hơi (dòng tới hạn):
A = (W / (C·Kd·P1·Kb)) × √(T·Z / M)
ở đâu:
- A — diện tích xả hiệu dụng yêu cầu;
- W — tốc độ xả khối lượng (kg/h);
- C — hệ số khí, là hàm của tỷ số nhiệt dung riêng k;
- Kd — hệ số xả hiệu dụng (0,975 đối với khí/hơi theo API 520);
- P1 — áp suất xả, tuyệt đối;
- Kb — hệ số hiệu chỉnh áp suất ngược;
- T — nhiệt độ xả (K);
- Z — hệ số nén được;
- M — khối lượng phân tử của môi chất.
Ghi chú tính toán: mỗi nguồn bất thường phải được xác định riêng biệt. Ví dụ, đối với nồi hơi thu hồi nhiệt, lưu lượng xả phải bao gồm cả lưu lượng hơi tối đa sinh ra cộng thêm phần bốc hơi bổ sung do nhiệt từ lửa cung cấp; nếu không, lỗ xả sẽ có kích thước quá nhỏ và hệ thống bảo vệ sẽ thất bại.
Điểm xả: API 521 yêu cầu các môi chất dễ cháy và độc hại phải được dẫn tới hệ thống đốt cháy (flare) hoặc hệ thống thu gom kín. Các tình huống xả có nguy cơ gây nổ đám mây hơi phải được xử lý bằng hệ thống đốt cháy (flare), hệ thống áp suất thấp, hệ thống HIPS hoặc thiết kế lại.
4. Yêu cầu lắp đặt và đường ống
Đường ống đầu vào: API 520 Phần II yêu cầu van xả phải được lắp đặt gần thiết bị được bảo vệ nhất có thể, và tổn thất áp suất trên đường ống đầu vào không được vượt quá 3% áp suất cài đặt (quy tắc "3%"). Tổn thất quá mức gây ra hiện tượng rung giật (chattering) hoặc mở chậm.
Đường ống đầu ra: đường ống đầu ra không được đỡ bởi thân van; nó phải được đỡ độc lập và phải cho phép giãn nở nhiệt. Đường ống xả cần được bố trí để thoát nước theo trọng lực nhằm ngăn ngừa tích tụ ngưng tụ ảnh hưởng đến áp suất ngược.
Nhiều van trên một đường ống góp chung: khi nhiều van xả xả vào một đường ống góp chung, áp suất ngược tích lũy trên đường ống góp phải được đánh giá đối với hiệu năng nâng của từng van.
5. Nghiên cứu tình huống thực tế
Một bể chứa axit sulfuric tái chế nồng độ 98,5% H₂SO₄ trong nhà máy axit sulfuric được thiết kế dưới dạng "bể khí quyển" và không được trang bị van xả áp. Trong quá trình khởi động, van làm nóng bằng hơi bị rò rỉ, nhiệt độ axit trong bể tăng lên và hơi tích tụ. Áp suất tạm thời tăng lên 0,04 MPa, làm bật gioăng nắp hố người chui trên nóc bể và khiến axit sulfuric tràn ra ngoài.
Sau đó, căn cứ theo yêu cầu thông gió của API 2000 dành cho bể chứa khí quyển và bể chứa áp suất thấp, một cụm van kết hợp gồm van thở và van xả áp đã được lắp đặt, với áp suất cài đặt là 0,03 MPa và khả năng xả được xác định sao cho phù hợp với tốc độ sinh hơi tối đa.
Điểm then chốt: thiết kế khí quyển không có nghĩa là áp suất vượt mức sẽ không bao giờ xảy ra. Việc gia nhiệt, phản ứng hóa học và vận hành sai đều phải được đưa vào phân tích các tình huống áp suất vượt mức.
Kết luận
Lô-gíc kỹ thuật đối với van xả áp có thể được tóm tắt như sau: cấu hình van theo nguồn gây quá áp (bảo vệ theo nhóm), xác định kích thước lỗ xả dựa trên lưu lượng bất thường, lựa chọn loại van dựa trên áp suất ngược và môi chất, đồng thời kiểm soát tổn thất áp suất tại đầu vào sao cho không vượt quá quy tắc 3%. Khung tiêu chuẩn API 520/521/526 cung cấp chuỗi quy trình đầy đủ, từ nhận diện tình huống, tính toán kích thước đến kiểm tra lắp đặt. Một bài viết tiếp theo sẽ thảo luận về đĩa vỡ và việc sử dụng kết hợp đĩa vỡ với van xả áp.
Các tài liệu tham khảo
API 520 Phần I / Phần II — Tính toán kích thước, lựa chọn và lắp đặt thiết bị xả áp, Viện Dầu khí Hoa Kỳ (API).
API 521 — Hệ thống xả áp và giảm áp, Viện Dầu khí Hoa Kỳ (API).
API 526 — Van xả áp bằng thép có mặt bích, Viện Dầu khí Hoa Kỳ (API).
API 2000 — Thông gió cho các bồn chứa khí quyển và áp suất thấp, Viện Dầu khí Hoa Kỳ (API).
Mã ASME về nồi hơi và thiết bị chịu áp lực, Phần VIII, Phân vùng 1 — độ tích tụ tối đa 10% cho các trường hợp không cháy và 21% cho các trường hợp cháy.
Shanghai Xiazhao Valve — van xả áp suất và giải pháp van đặc biệt. Để được hỗ trợ lựa chọn theo tiêu chuẩn API hoặc đặt câu hỏi kỹ thuật, vui lòng liên hệ đội ngũ kỹ thuật của chúng tôi.
