蒸汽安全阀排汽管排汽反力计算

蒸汽安全阀排汽管排汽反力计算

马俊杨勇

（中国核电工程有限公司河北分公司石家庄市050011）

摘要针对排汽管道设计计算方法中的几个重要问题进行了分析、讨论和研究，提出了相关的意见，明确了安全阀排汽管排汽反力的计算方法，以及不同计算方法所适应的范围和条件。

关键词：排汽反力；范围和条件

1引言

安全阀的作用是当系统压力超过最高允许工作压力时，安全阀通过排放一定量的介质以降低系统压力，从而保证系统的安全。在电厂及锅炉房等热能动力的工程设计中，经常需要进行安全阀排汽管道的水力计算及排汽反力计算。根据不同排汽管道的结构形式和安全阀前蒸汽的温度、压力、焓值以及安全阀的实际排放量等参数，计算出排汽管道不同位置蒸汽的温度、压力、流速和排汽反力，从而确定排汽管道的压力等级、管道材质和支吊架荷载等。但大多工具书中很少有系统、全面的介绍，且在有的工具书和规范中，计算公式有误，对工程计算可能会有误导作用。

目前，国内规范中,在电力工业部DL/T5054—1996《火力发电厂汽水管道设计技术规定》中给出相关的计算公式。该计算方法是将蒸汽视为理想气体推导而得到的，对于饱和蒸汽,由于其热力学特性已经偏离理想气体，应用该方法的可靠性值得怀疑。在国外规范中，排汽管道的计算方法目前仅在ASMEB31.1¬—2007中以非强制性规定的方式给出了计算公式。该计算方法与文献[1]所推荐的计算方法不同之处是在公式中引入了与水蒸汽的实际热力学特性相关的系数a、b，两种计算方法中哪一种的计算精度较高,需要进行分析和比较。

本文针对排汽管道设计计算方法中的几个重要问题进行了分析、讨论和研究,提出了相关的意见，希望对于正确进行参数计算有所帮助。以下就安全阀的水力计算及排汽反力计算的一般步骤进行介绍。

2安全阀排汽管道的计算

2.1计算方法

排汽管道参数计算示意见图1。由于阀管长度较短,管道阻力有限,管径较小,压力降不大，并且一般开式结构排汽管道的初参数较高，因此蒸汽在2点达到了临界状态。目前有2种计算方法计算2点的临界压力和临界流速，一种是按滞止压力和滞止比体积计算，即文献[1]中采用的方法；另一种是按滞止焓值计算，即文献[2]中采用的方法。

图1安全阀排放系统示意图

方法1：按滞止压力和滞止比体积计算。

因为(1)

(2)

(3)

所以(4)

(5)

方法2：按滞止焓值计算。

因为(6)

(7)

所以(8)

将式(8)带入式(1)得：

(9)

令

于是式(9)等于：

(10)

由式(10)、(2)及(3)可推导出：

(11)

式中：

A¬——管道通流面积，A=，；

G——流量，Kg/s；

T——温度，K；

h——焓值，J/Kg；

u——内能，J/Kg；

k——绝热指数；（B31.1中规定过热蒸汽k=1.3）

p2——阀管出口压力，Pa；

pa——当地大气压，Pa；

a——蒸汽特性参数，J/Kg；

b——蒸汽特性参数；

F2——阀管出口反力，N；

v——比体积，m3/Kg；

T——温度，Kg；

B31.1即采用式(10)、(11)计算临界参数。对于水蒸汽，上述式中的a值是一项十分稳定的热力参数；对于过热蒸汽，k=1.3；对于饱和蒸汽，k=1.1。

B31.1中规定的a、b取值见表1。

从上述2种计算方法的推导过程可以看出，方法1完全适用于理想气体。对于过热蒸汽，将其视为理想气体是合理的,但是要将饱和蒸汽也视为理想气体将可能产生一定的计算误差。方法2引入了饱和蒸汽和过热蒸汽的热力学参数，将饱和蒸汽和过热蒸汽用不同的系数区分开来是合理的，因此，采用方法2应该得到较准确的结果。

2.2安全阀排汽反力的计算

在稳态流动的条件下，安全阀开启时，排汽反力包括介质流动的动量效应和内压所产生的应力效应两部分。

电力工业部DL/T5054—1996《火力发电厂汽水管道设计技术规定》中排汽反力的计算公式为：

通过量纲分析，可以知道上式的第一项是错误的：

所以《管规》中的公式应该为：

3参数的确定

3.1滞止参数的确定

滞止压力应取用安全阀的排放压力。因为排放压力才是安全阀达到稳定流动时进口的实际压力。另外，由于安全阀排放前蒸汽流在安全阀进口方向速度几乎为0，因此蒸汽的实际压力即为蒸汽的滞止压力，不能取用安全阀的整定压力。排放压力和整定压力的关系可参照GB/T12241—2005《安全阀一般要求》的有关规定取用，对于蒸汽取用。

温度To应为蒸汽在排放压力下可能达到的最高温度。对于主蒸汽和高温再热蒸汽，分别取锅炉过热器和再热器出口蒸汽额定工作温度加上锅炉正常运行时允许的温度偏差(可取5℃)；对于低温再热蒸汽,取汽轮机最大出力工况下高压缸排汽参数，等熵求取在排放压力下的相应温度,或取制造厂提供的最高温度；对于汽包内的蒸汽,应取用排放压力对应下的饱和温度。

确定滞止压力和滞止温度后即可通过水蒸汽表得到相应的滞止比容vo和滞止焓值ho。

3.2安全阀实际排量的确定

根据GB/T12241—2005《安全阀一般要求》的有关规定，安全阀的实际排量G应等于1.11倍的安全阀额定排量，或者等于理论排量乘以排量系数，或者等于1.11倍的安全阀理论排量乘以额定排量系数。

4结论

计算蒸汽的滞止压力取用安全阀的排放压力，按1.03倍的安全阀整定压力计算；计算流量取用安全阀的实际流量，可按1.11倍的安全阀额定流量。

按滞止焓值计算的方法中引入了与水蒸汽的实际热力学特性相关的系数a、b，对计算结果尤其是过热蒸汽具有更高的设计精度。

修改《管规》中的排汽反力计算公式，错误的公式会导致数万倍的计算偏差。

参考文献

[1]中华人民共和国电力工业部.DL/T5054-1996,火力发电厂汽水管道设计技术规定[S].

[2]ASMEB31.1－2007《POWERPIPING》，2007.