การกำหนดขนาดวาล์วนิรภัย
การศึกษาเชิงลึกเกี่ยวกับกระบวนการกำหนดขนาดสำหรับงานหลากหลาย รวมถึงสมการกำหนดขนาดสำหรับ AD Merkblatt, DIN, TRD, ASME, API, BS6759 และอื่นๆ ครอบคลุมประเด็นที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น two-phase flow และ superheat
การแนะนำการกำหนดขนาดวาล์วนิรภัย
การแนะนำการกำหนดขนาดวาล์วนิรภัย
วาล์วนิรภัยต้องมีขนาดและสามารถระบายแหล่งไอน้ำใดๆ เพื่อไม่ให้แรงดันภายในเครื่องที่ป้องกันเกินแรงดันสะสมสูงสุดที่อนุญาต (MAAP) ไม่เพียงแต่หมายความว่าวาล์วต้องวางตำแหน่งถูกต้อง แต่ยังตั้งค่าถูกต้องด้วย วาล์วนิรภัยต้องมีขนาดถูกต้องด้วย ช่วยให้สามารถส่งปริมาณไอน้ำที่ต้องการที่แรงดันที่ต้องการภายใต้สภาวะผิดพลาดที่เป็นไปได้ทั้งหมด เมื่อกำหนดประเภทวาล์วนิรภัยแล้ว พร้อมกับแรงดันตั้งค่าและตำแหน่งในระบบ จำเป็นต้องคำนวณกำลังการระบายที่ต้องการของวาล์ว เมื่อทราบแล้ว พื้นที่ orifice ที่ต้องการและขนาด nominale สามารถกำหนดได้โดยใช้ข้อมูลจำเพาะของผู้ผลิต เพื่อกำหนดกำลังสูงสุดที่ต้องการ ต้องพิจารณาการไหลที่มีศักยภาพผ่านสาขาที่เกี่ยวข้องทั้งหมด upstream ของวาล์ว ในงานที่มีเส้นทางการไหลมากกว่าหนึ่งเส้นทาง การกำหนดขนาดวาล์วนิรภัยจะซับซ้อนยิ่งขึ้น เนื่องจากอาจมีวิธีทางเลือกหลายวิธีในการกำหนดขนาด ที่มีเส้นทางการไหลที่มีศักยภาพมากกว่าหนึ่งเส้นทาง ควรพิจารณาทางเลือกต่อไปนี้:
- วาล์วนิรภัยสามารถกำหนดขนาดตามการไหลสูงสุดที่พบในเส้นทางการไหลที่มีปริมาณการไหลมากที่สุด
- วาล์วนิรภัยสามารถกำหนดขนาดเพื่อระบายการไหลจากเส้นทางการไหลรวม
ทางเลือกนี้ถูกกำหนดโดยความเสี่ยงที่อุปกรณ์สองตัวหรือมากกว่าจะล้มเหลวพร้อมกัน หากมีโอกาสแม้เพียงเล็กน้อยที่อาจเกิดขึ้น วาล์วต้องมีขนาดเพื่ออนุญาตให้การไหลรวมของอุปกรณ์ที่ล้มเหลวถูกระบาย อย่างไรก็ตาม ที่ที่ความเสี่ยง negligible ข้อดีด้านต้นทุนอาจกำหนดว่าวาล์วควรมีขนาดเฉพาะตามการไหลผิดพลาดสูงสุด ทางเลือกของวิธีท้ายที่สุดอยู่กับบริษัทที่รับผิดชอบประกันโรงงาน
ตัวอย่างเช่น พิจารณาระบบภาชนะรับแรงดันและ automatic pump-trap (APT) ตามที่แสดงในรูป 9.4.1 สถานการณ์ที่ไม่น่าจะเกิดคือทั้ง APT และวาล์วลดแรงดัน (PRV ‘A’) อาจล้มเหลวพร้อมกัน กำลังการระบายของวาล์วนิรภัย ‘A’ จะเป็น either โหลดผิดพลาดของ PRV ที่ใหญ่ที่สุด หรือ alternatively โหลดผิดพลาดรวมของทั้ง APT และ PRV ‘A’
เอกสารนี้แนะนำว่าที่ที่มีเส้นทางการไหลหลายเส้นทาง วาล์วนิรภัยที่เกี่ยวข้องใดๆ ควรมีขนาดตามความเป็นไปได้ว่าวาล์วควบคุมแรงดัน upstream ที่เกี่ยวข้องอาจล้มเหลวพร้อมกัน
การหาการไหลผิดพลาด
เพื่อกำหนดการไหลผิดพลาดผ่าน PRV หรือวาล์วหรือ orifice ใดๆ ต้องพิจารณาสิ่งต่อไปนี้: - แรงดันผิดพลาดที่มีศักยภาพ - ควรใช้เป็นแรงดันตั้งค่าของวาล์วนิรภัย upstream ที่เหมาะสม
- แรงดันระบายของวาล์วนิรภัยที่กำลังกำหนดขนาด
- กำลังเปิดเต็ม (KVS) ของวาล์วควบคุม upstream ดูสมการ 3.21.2
ตัวอย่าง 9.4.1
พิจารณาการจัดเรียง PRV ในรูป 9.4.2
แรงดันจ่ายของระบบนี้ (รูป 9.4.2) จำกัดโดยวาล์วนิรภัย upstream ที่มีแรงดันตั้งค่า 11.6 bar g การไหลผิดพลาดผ่าน PRV สามารถกำหนดได้โดยใช้สมการอัตราการไหลมวลไอน้ำ (สมการ 3.21.2):
ในตัวอย่างนี้:
ดังนั้น วาล์วนิรภัยจะมีขนาดส่งอย่างน้อย 953 kg/h เมื่อตั้งค่าที่ 4 bar g
เมื่อกำหนดโหลดผิดพลาดแล้ว มักเพียงพอที่จะกำหนดขนาดวาล์วนิรภัยโดยใช้แผนภูมิกำลังของผู้ผลิต ตัวอย่างทั่วไปของแผนภูมิกำลังแสดงในรูป 9.4.3 โดยรู้แรงดันตั้งค่าที่ต้องการและกำลังการระบาย สามารถเลือกขนาด nominale ที่เหมาะสมได้ ในตัวอย่างนี้ แรงดันตั้งค่าคือ 4 bar g และการไหลผิดพลาดคือ 953 kg/h ต้องใช้วาล์วนิรภัย DN32/50 ที่มีกำลัง 1 284 kg/h
ที่ที่ไม่มีแผนภูมิกำหนดขนาดหรือไม่รองรับของไหลหรือสภาวะเฉพาะ เช่น แรงดันย้อน ความหนืดสูง หรือ two-phase flow อาจจำเป็นต้องคำนวณพื้นที่ orifice ขั้นต่ำที่ต้องการ วิธีการทำเช่นนี้ระบุไว้ในมาตรฐานที่กำกับดูแลที่เหมาะสม เช่น: - ASME/API RP 520
- EN ISO 4126
วิธีที่ระบุในมาตรฐานเหล่านี้อิงจากสัมประสิทธิ์การระบาย ซึ่งเป็นอัตราส่วนของกำลังที่วัดได้ต่อกำลังทางทฤษฎีของ nozzle ที่มีพื้นที่การไหลเทียบเท่า
สัมประสิทธิ์การระบาย
สัมประสิทธิ์การระบายเฉพาะสำหรับช่วงวาล์วนิรภัยใดๆ และจะได้รับอนุมัติจากผู้ผลิต หากวาล์วได้รับอนุมัติอิสระ จะได้รับ ‘สัมประสิทธิ์การระบายที่ได้รับรอง’
ตัวเลขนี้มัก derated โดยคูณด้วยปัจจัยความปลอดภัย 0.9 เพิ่มเติม เพื่อให้ได้สัมประสิทธิ์การระบาย derated สัมประสิทธิ์การระบาย derated เรียกว่า Kdr= Kd x 0.9
เมื่อใช้วิธีมาตรฐานในการคำนวณพื้นที่ orifice ที่ต้องการ อาจต้องพิจารณาจุดต่อไปนี้: - Critical และ sub-critical flow - การไหลของก๊าซหรือไอผ่าน orifice เช่น พื้นที่การไหลของวาล์วนิรภัย เพิ่มขึ้นเมื่อแรงดัน downstream ลดลง จริงจนกว่าจะถึงแรงดัน critical และบรรลุ critical flow ณ จุดนี้ การลดแรงดัน downstream เพิ่มเติมจะไม่ส่งผลให้การไหลเพิ่มขึ้นอีก มีความสัมพันธ์ (เรียกว่าอัตราส่วนแรงดัน critical) ระหว่างแรงดัน critical และแรงดันระบายจริง และสำหรับก๊าซที่ไหลผ่านวาล์วนิรภัย แสดงโดยสมการ 9.4.2
สำหรับก๊าซที่มีคุณสมบัติคล้ายก๊าซ ideal ‘k’ คืออัตราส่วนของ specific heat ที่แรงดันคงที่ (cp) ต่อปริมาตรคงที่ (cv) คือ cp : cv ‘k’ เสมอมากกว่าหนึ่ง และมักระหว่าง 1 ถึง 1.4 (ดูตาราง 9.4.8)
สำหรับไอน้ำ แม้ ‘k’ เป็นสัมประสิทธิ์ isentropic ไม่ได้เป็นอัตราส่วนของ cp : c จริง เป็น approximation สำหรับไอน้ำอิ่มตัว ‘k’ สามารถใช้ 1.135 และไอน้ำ superheated 1.3 เป็นแนวทาง สำหรับไอน้ำอิ่มตัว แรงดัน critical ใช้ 58% ของแรงดัน inlet สะสมในหน่วยสัมบูรณ์ - แรงดันเกิน - ก่อนกำหนดขนาด แรงดันเกินการออกแบบของวาล์วต้องกำหนด ไม่อนุญาตให้คำนวณกำลังของวาล์วที่แรงดันเกินต่ำกว่าที่สัมประสิทธิ์การระบายถูกกำหนด อย่างไรก็ตาม อนุญาตให้ใช้แรงดันเกินที่สูงกว่า (ดูตาราง 9.2.1 Module 9.2 สำหรับค่าแรงดันเกินทั่วไป) สำหรับวาล์วยกเต็ม (Vollhub) DIN การยกการออกแบบต้องบรรลุที่แรงดันเกิน 5% แต่สำหรับการกำหนดขนาด อาจใช้ค่าแรงดันเกิน 10%
สมการกำหนดขนาดสำหรับวาล์วนิรภัยที่ออกแบบตามมาตรฐานต่อไปนี้
สมการกำหนดขนาดสำหรับวาล์วนิรภัยที่ออกแบบตามมาตรฐานต่อไปนี้
วิธีต่อไปนี้ใช้คำนวณพื้นที่ orifice ขั้นต่ำที่ต้องการสำหรับวาล์วนิรภัย ตามที่กล่าวในมาตรฐานชาติที่ใช้บ่อยที่สุด มาตรฐาน - ASME /API RP 520 สูตรต่อไปนี้ใช้คำนวณพื้นที่ orifice ขั้นต่ำที่ต้องการสำหรับวาล์วนิรภัยตามมาตรฐาน ASME และแนวปฏิบัติ API RP 520 ใช้สมการ 9.4.3 คำนวณพื้นที่ orifice ขั้นต่ำที่ต้องการสำหรับวาล์วนิรภัยที่ใช้ในงานไอน้ำ:
ตัวอย่าง 9.4.2 คำนวณพื้นที่การระบายที่มีผลขั้นต่ำที่ต้องการสำหรับวาล์วนิรภัยที่ออกแบบตาม ASME/API RP520
ตัวอย่าง 9.4.3 คำนวณพื้นที่การระบายที่มีผลขั้นต่ำที่ต้องการสำหรับวาล์วนิรภัยที่ออกแบบตาม ASME/API RP520
ปัจจัยแก้ไข superheat สำหรับ ASME/API RP 520
ปัจจัยแก้ไข superheat สำหรับ ASME/API RP 520
ตาราง 9.4.1 ปัจจัยแก้ไข superheat (KSH) ที่ใช้ใน ASME/API RP 520 (หน่วย Imperial)
| แรงดันตั้งค่า (psi g) | อุณหภูมิ (°F) | |||||||||
| 300 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 900 | 1 000 | 1 100 | 1 200 | |
| 15 | 1 | 0.98 | 0.93 | 0.88 | 0.84 | 0.8 | 0.77 | 0.74 | 0.72 | 0.7 |
| 20 | 1 | 0.98 | 0.93 | 0.88 | 0.84 | 0.8 | 0.77 | 0.74 | 0.72 | 0.7 |
| 40 | 1 | 0.99 | 0.93 | 0.88 | 0.84 | 0.81 | 0.77 | 0.74 | 0.72 | 0.7 |
| 60 | 1 | 0.99 | 0.93 | 0.88 | 0.84 | 0.81 | 0.77 | 0.75 | 0.72 | 0.7 |
| 80 | 1 | 0.99 | 0.93 | 0.88 | 0.84 | 0.81 | 0.77 | 0.75 | 0.72 | 0.7 |
| 100 | 1 | 0.99 | 0.94 | 0.89 | 0.84 | 0.81 | 0.77 | 0.75 | 0.72 | 0.7 |
| 120 | 1 | 0.99 | 0.94 | 0.89 | 0.84 | 0.81 | 0.78 | 0.75 | 0.72 | 0.7 |
| 140 | 1 | 0.99 | 0.94 | 0.89 | 0.85 | 0.81 | 0.78 | 0.75 | 0.72 | 0.7 |
| 160 | 1 | 0.99 | 0.94 | 0.89 | 0.85 | 0.81 | 0.78 | 0.75 | 0.72 | 0.7 |
| 180 | 1 | 0.99 | 0.94 | 0.89 | 0.85 | 0.81 | 0.78 | 0.75 | 0.72 | 0.7 |
| 200 | 1 | 0.99 | 0.95 | 0.89 | 0.85 | 0.81 | 0.78 | 0.75 | 0.72 | 0.7 |
| 220 | 1 | 0.99 | 0.95 | 0.89 | 0.85 | 0.81 | 0.78 | 0.75 | 0.72 | 0.7 |
| 240 | 1 | 0.95 | 0.9 | 0.85 | 0.81 | 0.78 | 0.75 | 0.72 | 0.7 | |
| 260 | 1 | 0.95 | 0.9 | 0.85 | 0.81 | 0.78 | 0.75 | 0.72 | 0.7 | |
| 280 | 1 | 0.96 | 0.9 | 0.85 | 0.81 | 0.78 | 0.75 | 0.72 | 0.7 | |
| 300 | 1 | 0.96 | 0.9 | 0.85 | 0.81 | 0.78 | 0.75 | 0.72 | 0.7 | |
| 350 | 1 | 0.96 | 0.9 | 0.86 | 0.82 | 0.78 | 0.75 | 0.72 | 0.7 | |
| 400 | 1 | 0.96 | 0.91 | 0.86 | 0.82 | 0.78 | 0.75 | 0.72 | 0.7 | |
| 500 | 1 | 0.96 | 0.92 | 0.86 | 0.82 | 0.78 | 0.75 | 0.73 | 0.7 | |
| 600 | 1 | 0.97 | 0.92 | 0.87 | 0.82 | 0.79 | 0.75 | 0.73 | 0.7 | |
| 800 | 1 | 0.95 | 0.88 | 0.83 | 0.79 | 0.76 | 0.73 | 0.7 | ||
| 1 000 | 1 | 0.96 | 0.89 | 0.84 | 0.78 | 0.76 | 0.73 | 0.71 | ||
| 1 250 | 1 | 0.97 | 0.91 | 0.85 | 0.8 | 0.77 | 0.74 | 0.71 | ||
| 1 500 | 1 | 1 | 0.93 | 0.86 | 0.81 | 0.77 | 0.74 | 0.71 | ||
มาตรฐาน - EN ISO 4126: 2004 ใช้สมการ 9.4.4 คำนวณพื้นที่ orifice ขั้นต่ำที่ต้องการสำหรับวาล์วนิรภัยที่ใช้ในไอน้ำอิ่มตัวแห้ง (ค่าความแห้ง > 0.98) และไอน้ำ superheated ที่ critical flow:
ใช้สมการ 9.4.5 คำนวณพื้นที่ orifice ขั้นต่ำที่ต้องการสำหรับวาล์วนิรภัยที่ใช้ในงานไอน้ำเปียกที่ critical flow หมายเหตุ: ไอน้ำเปียกต้องมีค่าความแห้งมากกว่า 0.9:
ตัวอย่าง 9.4.4 กำหนดขนาดพื้นที่การไหลขั้นต่ำที่ต้องการสำหรับวาล์วนิรภัยที่ออกแบบตาม EN ISO 4126 เพื่อระบายระบบไอน้ำ superheated จากแรงดันเกิน
ตาราง 9.4.2 ค่า C เป็นฟังก์ชันของ ‘k’ สำหรับงานไอน้ำ อากาศและก๊าซตามมาตรฐาน EN ISO 4126 ค่า isentropic ‘k’ รวมในมาตรฐาน ISO 4126: (ส่วน 7) หรือ ค่า ‘k’ สำหรับไอน้ำสามารถหาได้จากเว็บไซต์ Spirax Sarco steam tables
| k | Cg |
| 0.4 | 1.647 |
| 0.41 | 1.665 |
| 0.42 | 1.682 |
| 0.43 | 1.7 |
| 0.44 | 1.717 |
| 0.45 | 1.733 |
| 0.46 | 1.75 |
| 0.47 | 1.766 |
| 0.48 | 1.782 |
| 0.49 | 1.798 |
| 0.5 | 1.813 |
| 0.51 | 1.829 |
| 0.52 | 1.844 |
| 0.53 | 1.858 |
| 0.54 | 1.873 |
| 0.55 | 1.888 |
| 0.56 | 1.902 |
| 0.57 | 1.916 |
| 0.58 | 1.93 |
| 0.59 | 1.944 |
| 0.6 | 1.957 |
| 0.61 | 1.971 |
| 0.62 | 1.984 |
| 0.63 | 1.997 |
| 0.64 | 2.01 |
| 0.65 | 2.023 |
| 0.66 | 2.035 |
| 0.67 | 2.048 |
| 0.68 | 2.06 |
| 0.69 | 2.072 |
| 0.7 | 2.084 |
| 0.71 | 2.096 |
| 0.72 | 2.108 |
| 0.73 | 2.12 |
| 0.74 | 2.131 |
| 0.75 | 2.143 |
| 0.76 | 2.154 |
| 0.77 | 2.165 |
| 0.78 | 2.17 |
| 0.79 | 2.187 |
| 0.8 | 2.198 |
| 0.81 | 2.209 |
| 0.82 | 2.219 |
| 0.83 | 2.23 |
| 0.84 | 2.24 |
| 0.85 | 2.251 |
| 0.86 | 2.261 |
| 0.87 | 2.271 |
| 0.88 | 2.281 |
| 0.89 | 2.291 |
| 0.9 | 2.301 |
| 0.91 | 2.311 |
| 0.92 | 2.32 |
| 0.93 | 2.33 |
| 0.94 | 2.339 |
| 0.95 | 2.349 |
| 0.96 | 2.358 |
| 0.97 | 2.367 |
| 0.98 | 2.376 |
| 0.99 | 2.386 |
| 1 | 2.401 |
| 1.01 | 2.404 |
| 1.02 | 2.412 |
| 1.03 | 2.421 |
| 1.04 | 2.43 |
| 1.05 | 2.439 |
| 1.06 | 2.447 |
| 1.07 | 2.456 |
| 1.08 | 2.464 |
| 1.09 | 2.472 |
| 1.1 | 2.481 |
| 1.11 | 2.489 |
| 1.12 | 2.497 |
| 1.13 | 2.505 |
| 1.14 | 2.513 |
| 1.15 | 2.521 |
| 1.16 | 2.529 |
| 1.17 | 2.537 |
| 1.18 | 2.545 |
| 1.19 | 2.553 |
| 1.2 | 2.56 |
| 1.21 | 2.568 |
| 1.22 | 2.57 |
| 1.23 | 2.583 |
| 1.24 | 2.591 |
| 1.25 | 2.598 |
| 1.26 | 2.605 |
| 1.27 | 2.613 |
| 1.28 | 2.62 |
| 1.29 | 2.627 |
| 1.3 | 2.634 |
| 1.31 | 2.641 |
| 1.32 | 2.649 |
| 1.33 | 2.656 |
| 1.34 | 2.663 |
| 1.35 | 2.669 |
| 1.36 | 2.676 |
| 1.37 | 2.683 |
| 1.38 | 2.69 |
| 1.39 | 2.697 |
| 1.4 | 2.703 |
| 1.41 | 2.71 |
| 1.42 | 2.717 |
| 1.43 | 2.723 |
| 1.44 | 2.73 |
| 1.45 | 2.736 |
| 1.46 | 2.743 |
| 1.47 | 2.749 |
| 1.48 | 2.755 |
| 1.49 | 2.762 |
| 1.5 | 2.768 |
| 1.51 | 2.774 |
| 1.52 | 2.78 |
| 1.53 | 2.786 |
| 1.54 | 2.793 |
| 1.55 | 2.799 |
| 1.56 | 2.805 |
| 1.57 | 2.811 |
| 1.58 | 2.817 |
| 1.59 | 2.823 |
| 1.6 | 2.829 |
| 1.61 | 2.843 |
| 1.62 | 2.84 |
| 1.63 | 2.846 |
| 1.64 | 2.852 |
| 1.65 | 2.858 |
| 1.66 | 2.863 |
| 1.67 | 2.869 |
| 1.68 | 2.874 |
| 1.69 | 2.88 |
| 1.7 | 2.886 |
| 1.71 | 2.891 |
| 1.72 | 2.897 |
| 1.73 | 2.902 |
| 1.74 | 2.908 |
| 1.75 | 2.913 |
| 1.76 | 2.918 |
| 1.77 | 2.924 |
| 1.78 | 2.929 |
| 1.79 | 2.934 |
| 1.8 | 2.94 |
| 1.81 | 2.945 |
| 1.82 | 2.95 |
| 1.83 | 2.955 |
| 1.84 | 2.96 |
| 1.85 | 2.965 |
| 1.86 | 2.971 |
| 1.87 | 2.976 |
| 1.88 | 2.981 |
| 1.89 | 2.986 |
| 1.9 | 2.991 |
| 1.91 | 2.996 |
| 1.92 | 3.001 |
| 1.93 | 3.006 |
| 1.94 | 3.01 |
| 1.95 | 3.015 |
| 1.96 | 3.02 |
| 1.97 | 3.025 |
| 1.98 | 3.03 |
| 1.99 | 3.034 |
| 2 | 3.039 |
| 2.01 | 3.044 |
| 2.02 | 3.049 |
| 2.03 | 3.053 |
| 2.04 | 3.058 |
| 2.05 | 3.063 |
| 2.06 | 3.067 |
| 2.07 | 3.072 |
| 2.08 | 3.076 |
| 2.09 | 3.081 |
| 2.1 | 3.085 |
| 2.11 | 3.09 |
| 2.12 | 3.094 |
| 2.13 | 3.099 |
| 2.14 | 3.103 |
| 2.15 | 3.107 |
| 2.16 | 3.112 |
| 2.17 | 3.116 |
| 2.18 | 3.121 |
| 2.19 | 3.125 |
| 2.2 | 3.129 |