Lựa chọn van an toàn

Hướng dẫn lựa chọn và vận hành van an toàn phù hợp, bao gồm các cân nhắc lựa chọn, cài đặt, kín, định vị và tác động của áp suất ngược.

Vì có phạm vi rộng các van an toàn, không khó để chọn van an toàn đáp ứng yêu cầu cụ thể của một ứng dụng nhất định. Khi loại phù hợp đã được chọn, cần thiết phải xác định áp suất giảm và dung lượng xả chính xác, và chỉ định van có kích thước phù hợp và áp suất cài đặt.

Lựa chọn loại van an toàn cụ thể được điều chỉnh bởi nhiều yếu tố:

• Chi phí - Đây là cân nhắc rõ ràng nhất khi chọn van an toàn cho ứng dụng không quan trọng. Khi so sánh chi phí, cần thiết phải xem xét dung lượng van cũng như kích thước danh nghĩa. Như đề cập trong mô-đun trước, có thể có sự khác biệt lớn giữa các mẫu có cùng kết nối đầu vào nhưng đặc tính nâng khác nhau.
• Loại hệ thống xả - Van có nắp mở có thể được sử dụng trên hơi nước, không khí hoặc khí không độc, nếu xả ra khí quyển ngoài qua hệ thống xả là chấp nhận được. Đòn bẩy nâng thường được chỉ định trong các ứng dụng này. Đối với ứng dụng khí hoặc chất lỏng, nơi thoát ra khí quyển không được phép, nắp kín phải được chỉ định. Trong các ứng dụng như vậy, cũng cần sử dụng nắp kín/khí hoặc đòn bẩy đóng gói. Đối với ứng dụng có áp suất ngược chồng lên đáng kể (phổ biến trong bộ gom, thường thấy trong ngành quy trình) cần kết cấu ống bellow cân bằng hoặc piston.
• Kết cấu van - Kết cấu loại nửa đầu phun nên được sử dụng cho môi chất không độc, không ăn mòn ở áp suất trung bình, trong khi van có kết cấu loại đầu phun đầy thường được sử dụng trong ngành quy trình cho môi chất ăn mòn hoặc áp suất cực cao. Đối với chất lỏng ăn mòn hoặc nhiệt độ cao, vật liệu chế tạo đặc biệt cũng có thể được yêu cầu.
• Đặc tính vận hành - Yêu cầu hiệu suất thay đổi theo ứng dụng và van phải được chọn phù hợp. Đối với lò hơi hơi nước, quá áp nhỏ được yêu cầu, thường 3% hoặc 5%. Đối với hầu hết ứng dụng khác, 10% quá áp được yêu cầu, nhưng theo API 520, cho ứng dụng đặc biệt như bảo vệ cháy, van lớn hơn với quá áp 20% được phép. Đối với chất lỏng, quá áp 10% hoặc 25% phổ biến, và giá trị blowdown có xu hướng lên đến 20%.
• Phê duyệt - Đối với nhiều ứng dụng van, người dùng cuối sẽ nêu mã hoặc tiêu chuẩn yêu cầu cho kết cấu và hiệu suất van. Điều này thường đi kèm yêu cầu phê duyệt bởi cơ quan độc lập, để đảm bảo tuân thủ tiêu chuẩn yêu cầu.

Cài đặt và kín

Để xác định áp suất cài đặt chính xác, các thuật ngữ sau cần được xem xét cẩn thận:

• Áp suất làm việc bình thường (NWP) - Áp suất vận hành của hệ thống ở điều kiện tải đầy.
• Áp suất làm việc tối đa cho phép (MAWP) - Đôi khi gọi là áp suất làm việc an toàn (SWP) hoặc áp suất thiết kế của hệ thống. Đây là áp suất tối đa tồn tại ở điều kiện vận hành bình thường (so với nhiệt độ vận hành tối đa) của hệ thống.
• Áp suất tích lũy tối đa cho phép (MAAP) - Áp suất tối đa hệ thống được phép đạt theo thông số kỹ thuật của tiêu chuẩn thiết kế hệ thống. MAAP thường được biểu thị bằng phần trăm MAWP. Đối với thiết bị sử dụng hơi nước, MAAP thường cao hơn MAWP 10%, nhưng không phải lúc nào cũng vậy. Nếu MAWP không có sẵn, cơ quan chịu trách nhiệm bảo hiểm thiết bị nên được liên hệ. Nếu MAAP không thể được xác định, không được coi nó cao hơn MAWP.
• Áp suất cài đặt (PS) - Áp suất mà van an toàn bắt đầu nâng.
• Áp suất giảm (PR) - Đây là áp suất mà dung lượng đầy đủ của van an toàn đạt được. Nó là tổng của áp suất cài đặt (PS) và quá áp (PO).
• Quá áp (PO) - Quá áp là phần trăm áp suất cài đặt mà van an toàn được thiết kế để vận hành. Có hai ràng buộc cơ bản, phải được tính đến khi xác định áp suất cài đặt van an toàn:

1. Áp suất cài đặt phải đủ thấp để đảm bảo rằng áp suất giảm không bao giờ vượt quá áp suất tích lũy tối đa cho phép (MAAP) của hệ thống.
2. Áp suất cài đặt phải đủ cao để đảm bảo có đủ biên trên áp suất làm việc bình thường (NWP) để cho phép van an toàn đóng. Tuy nhiên, áp suất cài đặt không bao giờ được lớn hơn áp suất làm việc tối đa cho phép (MAWP). Để đáp ứng ràng buộc thứ nhất, cần xem xét độ lớn tương đối của phần trăm quá áp và phần trăm MAAP (biểu thị bằng phần trăm MAWP). Có hai trường hợp khả thi:

• Phần trăm quá áp van an toàn nhỏ hơn hoặc bằng phần trăm MAAP hệ thống - Điều này có nghĩa là áp suất cài đặt có thể đặt bằng MAWP, vì áp suất giảm sẽ luôn nhỏ hơn MAAP thực tế. Ví dụ, nếu quá áp van an toàn là 5%, và MAAP là 10% MAWP, áp suất cài đặt sẽ được chọn bằng MAWP. Trong trường hợp này, áp suất giảm (bằng áp suất cài đặt + 5% quá áp) sẽ nhỏ hơn MAAP, điều này chấp nhận được. Lưu ý: nếu phần trăm MAAP cao hơn phần trăm quá áp, áp suất cài đặt vẫn sẽ được đặt bằng MAWP, vì tăng nó trên MAWP sẽ vi phạm ràng buộc thứ hai.
• Phần trăm quááp van an toàn lớn hơn phần trăm MAAP hệ thống - Trong trường hợp này, đặt áp suất cài đặt bằng MAWP sẽ có nghĩa là áp suất giảm sẽ lớn hơn MAAP, nên áp suất cài đặt phải thấp hơn MAWP. Ví dụ, nếu quá áp van an toàn là 25% và phần trăm MAAP chỉ là 10%, đặt áp suất cài đặt bằng MAWP có nghĩa là áp suất giảm sẽ lớn hơn MAAP 15%. Trong trường hợp này, áp suất cài đặt chính xác nên thấp hơn MAWP 15%. Bảng sau tóm tắt xác định điểm cài đặt dựa trên ràng buộc thứ nhất. Bảng 9.3.1 Xác định áp suất cài đặt sử dụng quá áp van an toàn và MAAP thiết bị

Trừ khi cân nhắc vận hành quy định khác, để đáp ứng ràng buộc thứ hai, áp suất cài đặt van an toàn luôn nên cao hơn một chút so với áp suất làm việc bình thường với biên cho phép cho blowdown. Van an toàn cài đặt ngay trên áp suất làm việc bình thường có thể dẫn đến đóng kín kém sau bất kỳ xả nào.

Khi áp suất vận hành hệ thống và áp suất cài đặt van an toàn phải gần nhau nhất có thể, biên tối thiểu 0.1 bar giữa áp suất đóng lại và áp suất vận hành bình thường được khuyến nghị để đảm bảo đóng kín chặt. Đây được gọi là ‘biên đóng kín’. Trong trường hợp này, quan trọng là tính đến bất kỳ biến đổi nào trong áp suất vận hành hệ thống trước khi thêm biên 0.1 bar. Các biến đổi như vậy có thể xảy ra khi van an toàn được lắp sau van giảm áp (PRV) và các van điều khiển khác, với dải tỷ lệ tương đối lớn. Trong hầu hết tất cả hệ thống điều khiển, có một lượng bù tỷ lệ nhất định liên quan đến dải tỷ lệ (xem Khối 5, Lý thuyết điều khiển, để biết thêm thông tin về bù tỷ lệ). Nếu PRV tự hành được cài đặt ở điều kiện tải đầy, áp suất kiểm soát ở điều kiện không tải có thể lớn hơn đáng kể so với áp suất cài đặt. Ngược lại, nếu van được cài đặt ở điều kiện không tải, áp suất tải đầy sẽ nhỏ hơn áp suất cài đặt. Ví dụ, xem xét PRV vận hành thí điểm với dải tỷ lệ tối đa chỉ 0.2 bar. Với áp suất kiểm soát 5.0 bar cài đặt ở điều kiện tải đầy, nó sẽ cho 5.2 bar ở điều kiện không tải. Hoặc, nếu áp suất kiểm soát 5.0 bar được cài đặt ở điều kiện không tải, cùng van sẽ cho áp suất kiểm soát 4.8 bar ở điều kiện tải đầy. Khi xác định áp suất cài đặt van an toàn, nếu áp suất kiểm soát PRV được cài đặt ở điều kiện không tải, thì bù tỷ lệ không phải được tính đến. Tuy nhiên, nếu áp suất kiểm soát PRV được cài đặt ở điều kiện tải đầy, cần xem xét tăng áp suất phía sau do bù tỷ lệ của PRV (xem Ví dụ 9.3.1). Lượng bù kiểm soát áp suất phụ thuộc vào loại van điều khiển và bộ điều khiển áp suất đang được sử dụng. Do đó quan trọng là xác định dải tỷ lệ của van điều khiển phía trước cũng như cách van này được vận hành. Ví dụ 9.3.1 Van an toàn, được lắp sau PRV, cần được cài đặt càng gần áp suất làm việc PRV càng tốt. Cho các tham số dưới đây, xác định áp suất cài đặt van an toàn phù hợp nhất: Áp suất cài đặt PRV: 6.0 bar (cài đặt ở điều kiện tải đầy) Dải tỷ lệ PRV: 0.3 bar vận hành trên áp suất làm việc PRV Blowdown van an toàn: 10% Trả lời: Vì cần đảm bảo áp suất cài đặt van an toàn gần áp suất làm việc PRV nhất có thể, van an toàn được chọn sao cho áp suất blowdown lớn hơn áp suất làm việc PRV (tính đến bù tỷ lệ), và biên đóng kín 0.1 bar. Thứ nhất, tác động của bù tỷ lệ PRV cần được xem xét vì PRV đang được cài đặt ở điều kiện tải; áp suất làm việc tối đa bình thường sẽ gặp là: 6.0 bar + 0.3 bar = 6.3 bar (NWP) Bằng cách thêm biên đóng kín 0.1 bar, áp suất cài đặt van an toàn phải lớn hơn 6.4 bar 10%. Đối với ví dụ này, điều này có nghĩa là áp suất cài đặt van an toàn phải là:

Áp suất cài đặt sẽ do đó được chọn là 7.11 bar, với điều kiện không vượt quá MAWP của hệ thống được bảo vệ. Lưu ý rằng nếu PRV được cài đặt 6.0 bar ở điều kiện không tải, và với blowdown van an toàn 10%, áp suất cài đặt van an toàn sẽ là:

Tác động của áp suất ngược lên áp suất cài đặt

Đối với van an toàn thông thường chịu áp suất ngược chồng lên không đổi, áp suất cài đặt thực tế bị giảm đi một lượng bằng áp suất ngược. Để bù cho điều này, áp suất cài đặt yêu cầu phải được tăng lên một lượng bằng áp suất ngược. Áp suất cài đặt vi sai lạnh (áp suất cài đặt trên bệ thử nghiệm) sẽ do đó là:

Đối với áp suất ngược chồng lên biến đổi, áp suất cài đặt hiệu dụng có thể thay đổi khi áp suất ngược thay đổi, và van thông thường không thể được sử dụng nếu biến đổi nhiều hơn 10% đến 15% áp suất cài đặt. Thay vào đó, van cân bằng phải được sử dụng.

Các mối quan hệ mức áp suất cho van giảm áp như hiển thị trong API Recommended Practice 520 được minh họa trong Hình 9.3.1.

Cài đặt van an toàn

Đối với hầu hết các loại van an toàn, cài đặt trên không khí hoặc khí được phép. Bệ thử nghiệm được chế tạo đặc biệt thường được sử dụng, cho phép gắn van an toàn dễ dàng và nhanh chóng, để điều chỉnh, và sau đó khóa và kín van ở áp suất cài đặt yêu cầu. Yêu cầu quan trọng nhất, ngoài các cân nhắc an toàn thông thường là sử dụng đồng hồ chất lượng thiết bị đo và hệ thống hiệu chuẩn thường xuyên. Tất cả tiêu chuẩn van an toàn sẽ chỉ định dung sai cụ thể cho áp suất cài đặt (thường khoảng 3%) và phải tuân thủ. Cũng quan trọng là môi trường sạch sẽ, không bụi và tương đối yên tĩnh. Nguồn chất lỏng cài đặt có thể thay đổi từ bình khí nén đến bộ tăng áp và bình tích lũy chạy từ đường ống khí nén công nghiệp. Trong trường hợp sau, không khí phải sạch, không dầu và nước. Đáng lưu ý là không có yêu cầu cho bất kỳ thử nghiệm dung lượng nào. Bệ thử nghiệm đơn giản cho phép xác định áp suất cài đặt yêu cầu. Thường điểm này được xác định bằng cách nghe tiếng ‘xì’ khi đạt điểm cài đặt. Khi điều chỉnh, cần thiết cho cả van ghế kim loại và ghế mềm là không cho phép đĩa quay trên ghế hoặc đầu phun, vì điều này có thể dễ dàng gây hư hỏng và ngăn đóng kín tốt. Thân van do đó phải được giữ trong khi bộ điều chỉnh được quay. Có sự khác biệt cơ bản trong quy trình cài đặt cho phép cho van lò hơi ASME I. Để duy trì phê duyệt National Board và đóng dấu ‘V’ vào thân van, các van này phải được cài đặt bằng hơi nước trên bệ có khả năng không chỉ đạt áp suất cài đặt mong muốn mà còn đủ dung lượng để chứng minh điểm nhả và điểm đóng lại. Điều này phải được thực hiện theo quy trình chất lượng được phê duyệt và kiểm soát. Đối với van ASME VIII (đóng dấu ‘UV’ trên thân), nếu người cài đặt có cơ sở cài đặt hơi nước, thì các van này cũng phải được cài đặt bằng hơi nước. Nếu không, thì cài đặt bằng khí hoặc không khí được phép. Đối với ứng dụng chất lỏng với van ASME VIII, chất lỏng phù hợp, thường là nước, phải được sử dụng cho mục đích cài đặt. Trong trường hợp van được trang bị vòng blowdown, vị trí cài đặt sẽ cần được xác định và chốt khóa được kín theo khuyến nghị nhà sản xuất liên quan.

Kín

Đối với van không tuyên bố bất kỳ tiêu chuẩn cụ thể nào và không có tham chiếu đến tiêu chuẩn trên bảng tên hoặc tài liệu hỗ trợ, không có giới hạn ai có thể cài đặt van. Các van như vậy thường được sử dụng để chỉ ra rằng áp suất nhất định đã đạt được, và không hoạt động như thiết bị an toàn. Đối với van được phê duyệt độc lập bởi cơ quan được thông báo, theo tiêu chuẩn cụ thể, cài đặt và kín van là một phần của phê duyệt. Trong trường hợp này, van phải được cài đặt bởi nhà sản xuất hoặc đại lý được phê duyệt của nhà sản xuất làm việc theo quy trình chất lượng đã thỏa thuận và sử dụng thiết bị được nhà sản xuất hoặc cơ quan được thông báo phê duyệt. Để ngăn thay đổi trái phép hoặc giả mạo, hầu hết tiêu chuẩn yêu cầu cung cấp để kín van sau khi cài đặt. Phương pháp phổ biến nhất là sử dụng dây kín để cố định nắp vào vỏ lò xo và vỏ vào thân. Nó cũng có thể được sử dụng để khóa bất kỳ chốt điều chỉnh vòng blowdown vào vị trí. Dây sau đó được kín bằng chì kín, có thể mang dấu ấn nhãn hiệu người cài đặt.

Định vị van an toàn

Để đảm bảo áp suất tích lũy tối đa cho phép của bất kỳ hệ thống hoặc thiết bị nào được bảo vệ bởi van an toàn không bao giờ bị vượt quá, cần xem xét cẩn thận vị trí van an toàn trong hệ thống. Vì có phạm vi rộng các ứng dụng, không có quy tắc tuyệt đối về nơi van nên được định vị và do đó, mỗi ứng dụng cần được xử lý riêng. Ứng dụng hơi nước phổ biến cho van an toàn là bảo vệ thiết bị quy trình được cung cấp từ trạm giảm áp. Hai sắp xếp khả thi được hiển thị trong Hình 9.3.3. Van an toàn có thể được lắp trong chính trạm giảm áp, tức là trước van chặn phía sau, như trong Hình 9.3.3 (a), hoặc xa hơn phía sau, gần thiết bị hơn như trong Hình 9.3.3 (b). Lắp van an toàn trước van chặn phía sau có các ưu điểm sau:

• Van an toàn có thể được thử nghiệm trực tiếp bằng cách đóng van chặn phía sau mà không có nguy cơ thiết bị phía sau bị quá áp, nếu van an toàn bị lỗi trong thử nghiệm.
• Khi thử nghiệm được thực hiện trực tiếp, van an toàn không phải được tháo ra và thử nghiệm trên bàn, tốn kém và mất thời gian hơn.
• Khi cài đặt PRV ở điều kiện không tải, vận hành van an toàn có thể được quan sát, vì điều kiện này dễ gây ‘sôi sùng’ nhất. Nếu điều này xảy ra, áp suất PRV có thể được điều chỉnh xuống dưới áp suất đóng lại van an toàn.
• Bất kỳ nhánh lấy ra bổ sung nào phía sau được bảo vệ vốn có. Chỉ thiết bị có MAWP thấp hơn cần bảo vệ bổ sung. Điều này có thể có lợi ích chi phí đáng kể. Tuy nhiên, đôi khi thực tế để lắp van an toàn gần hơn đầu vào hơi nước của bất kỳ thiết bị nào. Thực tế, van an toàn riêng biệt có thể phải được lắp trên đầu vào của mỗi thiết bị phía sau, khi PRV cung cấp nhiều thiết bị như vậy. Các điểm sau có thể được sử dụng làm hướng dẫn:
• Nếu cung cấp một thiết bị, có MAWP thấp hơn áp suất cung cấp PRV, thiết bị phải được trang bị van an toàn, tốt nhất là gắn chặt với kết nối đầu vào hơi nước.
• Nếu PRV cung cấp hơn một thiết bị và MAWP của bất kỳ thiết bị nào thấp hơn áp suất cung cấp PRV, either trạm PRV phải được trang bị van an toàn cài đặt ở MAWP thấp nhất có thể của thiết bị kết nối, hoặc mỗi thiết bị bị ảnh hưởng phải được trang bị van an toàn.
• Van an toàn phải được đặt sao cho áp suất không thể tích lũy trong thiết bị qua đường khác, ví dụ từ đường hơi riêng hoặc đường bypass. Có thể lập luận rằng mọi lắp đặt đều xứng đáng được xem xét đặc biệt khi nói đến an toàn, nhưng các ứng dụng và tình huống sau hơi bất thường và đáng xem xét:
• Cháy - Bất kỳ bình áp suất nào nên được bảo vệ khỏi quá áp trong trường hợp cháy. Mặc dù van an toàn gắn cho bảo vệ vận hành cũng có thể cung cấp bảo vệ trong điều kiện cháy, các trường hợp như vậy yêu cầu xem xét đặc biệt, nằm ngoài phạm vi văn bản này.
• Ứng dụng tỏa nhiệt - Các ứng dụng này phải được trang bị van an toàn gắn chặt với đầu vào hơi nước thiết bị hoặc trực tiếp thân. Không có giải pháp thay thế nào được áp dụng.
• Van an toàn được sử dụng như thiết bị cảnh báo - Đôi khi, van an toàn được lắp vào hệ thống như thiết bị cảnh báo. Chúng không cần giảm tải lỗi mà chỉ cảnh báo áp suất tăng trên áp suất làm việc bình thường vì lý do vận hành. Trong những trường hợp này, van an toàn được cài đặt ở áp suất cảnh báo và chỉ cần kích thước tối thiểu. Nếu có nguy cơ hệ thống được trang bị van an toàn như vậy vượt quá áp suất làm việc tối đa cho phép, chúng phải được bảo vệ bởi van an toàn bổ sung theo cách thông thường. Ví dụ 9.3.2 Để minh họa tầm quan trọng của định vị van an toàn, xem xét bơm-bẫy tự động (xem Khối 14) được sử dụng để loại bỏ ngưng tụ từ bình gia nhiệt. Bơm-bẫy tự động (APT), tích hợp bơm loại cơ học, sử dụng lực động hơi nước để bơm ngưng tụ qua hệ thống trả. Vị trí van an toàn sẽ phụ thuộc vào MAWP của APT và áp suất đầu vào động yêu cầu. Nếu MAWP của APT lớn hơn hoặc bằng bình, sắp xếp hiển thị trong Hình 9.3.4 có thể được sử dụng. Sắp xếp này phù hợp nếu áp suất động bơm-bẫy nhỏ hơn 1.6 bar g (áp suất cài đặt van an toàn 2 bar g trừ 0.3 bar blowdown và biên đóng kín 0.1 bar). Vì MAWP của cả APT và bình đều lớn hơn áp suất cài đặt van an toàn, một van an toàn duy nhất sẽ cung cấp bảo vệ phù hợp cho hệ thống. Tuy nhiên, nếu áp suất động bơm-bẫy phải lớn hơn 1.6 bar g, cung cấp APT sẽ phải lấy từ phía áp suất cao của PRV, và giảm xuống áp suất phù hợp hơn, nhưng vẫn nhỏ hơn MAWP 4.5 bar g của APT. Sắp xếp hiển thị trong Hình 9.3.5 sẽ phù hợp trong tình huống này. Ở đây, hai trạm PRV riêng biệt được sử dụng mỗi trạm có van an toàn riêng. Nếu bộ phận bên trong APT bị lỗi và hơi nước ở 4 bar g đi qua APT và vào bình, van an toàn ‘A’ sẽ giảm áp suất này và bảo vệ bình. Van an toàn ‘B’ sẽ không nâng vì áp suất trong APT vẫn chấp nhận được và dưới áp suất cài đặt. Cần lưu ý van an toàn ‘A’ được đặt ở phía sau van điều khiển nhiệt độ; điều này được thực hiện vì cả lý do an toàn và vận hành:
• An toàn - Nếu bộ phận bên trong APT bị lỗi, van an toàn vẫn sẽ giảm áp suất trong bình ngay cả khi van điều khiển đóng.
• Vận hành - Ít cơ hội van an toàn ‘A’ sôi sùng trong quá trình vận hành ở vị trí này, vì áp suất thường thấp hơn sau van điều khiển so với trước. Cũng lưu ý rằng nếu MAWP của bơm-bẫy lớn hơn áp suất phía trước PRV ‘A’, sẽ được phép bỏ van an toàn ‘B’ khỏi hệ thống, nhưng van an toàn ‘A’ phải được tính kích thước để tính đến tổng lưu lượng lỗi qua PRV ‘B’ cũng như PRV ‘A’. Ví dụ 9.3.3 Nhà máy dược phẩm có mười hai chảo jacket trên cùng sàn sản xuất, tất cả có cùng MAWP. Van an toàn sẽ được đặt ở đâu? Một giải pháp sẽ là lắp van an toàn trên đầu vào mỗi chảo (Hình 9.3.6). Trong trường hợp này, mỗi van an toàn phải được tính kích thước để dẫn toàn bộ tải, trong trường hợp PRV bị lỗi mở trong khi mười một chảo khác đóng. Vì tất cả chảo có cùng MAWP, có thể lắp một van an toàn duy nhất sau PRV. Nếu thiết bị bổ sung có MAWP thấp hơn chảo (ví dụ, bộ trao đổi nhiệt vỏ và ống) được đưa vào hệ thống, sẽ cần lắp van an toàn bổ sung. Van an toàn này sẽ được cài đặt ở áp suất cài đặt thấp hơn phù hợp và tính kích thước để dẫn lưu lượng lỗi qua van điều khiển nhiệt độ (xem Hình 9.3.8).