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【摘要】針對現行標準對氨制冷裝置的安全閥泄放管的要求，結合氨制冷裝置的特點，通過計算，發現泄放管的當量長度較大時，選用常規的彈簧式安全閥存在背壓較大的風險，影響安全閥的正常工作。提出應根據制冷裝置的實際情況校核安全閥的選型，提出了不同情況下安全閥泄放管設計的參考方案。

【關鍵詞】氨；制冷裝置；安全閥；泄放管

安全閥是保障壓力容器、壓力管道等承壓設備不發生超壓破壞的重要保護裝置，安全閥泄放管則是在安全閥開啟后，將承壓設備內泄放的介質輸送到指定位置的輸送管道。GB50072-2010《冷庫設計規范》[1]和AQ7015-2018《氨制冷企業安全規范》[2]均規定氨制冷系統安全閥的泄放總管出口采取對空排放，排放口應高于周圍50m范圍內除冷庫以外的最高建筑物的屋脊5m。安全閥通常設置在制冷系統機房內的壓力容器和壓力管道上，機房的高度一般不超過8m，周圍50m范圍內存在比機房更高的建筑物是常見的，在這種情況下要將泄放總管的排放口設置成高于最高建筑物屋脊5m，無疑是很難實現的，因此，幾乎沒有單位按此要求施工，標準的本條規定形同虛設。GB/T150.2-2011《壓力容器第1部分：通用要求》[3]規定易爆或者毒性程度為極度、高度、中度危害介質不能排到大氣中，應將泄放介質引至安全地點進行妥善處理；GB/T9237-2017《制冷系統及熱泵安全與環境要求》[4]規定制冷劑可以妥善排放到大氣中，但是排放口必須遠離建筑物的新風口，或者采用適量的吸收物質進行吸收處理；GB50072-201X《冷庫設計法規范》第35卷第5期2021年10月制冷與空調RefrigerationandAirConditioningVol.35No.5Oct.2021.738～741（報批稿）[5]規定氨制冷系統的安全閥泄壓管出口應高于周圍50m范圍內的除冷庫以外的最高建筑物屋脊5m，如不能滿足此要求的，則應將泄壓管的出口接入氨吸納水池內進行處理。文獻[3]提出了與文獻[1,2]完全不同的要求，文獻[4,5]則提出了另一種可操作的解決方案，并規定了詳細的技術措施。

1氨制冷系統的特點

氨制冷裝置用壓力容器是用于制冷循環的輔助設備，用于貯存、分離氨制冷劑，達到優化制冷循環的目的。制冷循環由壓縮、冷凝、膨脹、蒸發4個基本過程單元組成，氨制冷劑在封閉的制冷系統中反復實現制冷劑的壓縮、冷凝、膨脹、蒸發。根據氨制冷劑在制冷系統中的工作壓力不同，將制冷系統分為高壓側和低壓側。圖1是典型的雙級壓縮制冷循環示意圖，膨脹閥是制冷系統高壓側和低壓側的分界點，制冷壓縮機高壓級排氣口至膨脹閥入口之間的裝置為高壓側，膨脹閥出口至制冷壓縮機高壓級吸氣口之間的裝置為低壓側。制冷系統正常工作時高壓側的工作壓力一般等于制冷劑冷凝溫度下的飽和蒸氣壓力，通常氨的冷凝溫度不高于36℃，即工作壓力為1.3MPa；低壓側的工作壓力一般等于制冷劑蒸發溫度下的飽和蒸氣壓力，而蒸發溫度則由制冷工藝確定，通常在-15℃～-45℃之間，即低壓側的工作壓力通常低于0.2MPa。制冷系統高壓側和低壓側的工作壓力不相同，設計壓力、安全閥的整定壓力也不相同，且相差較大，通常低壓側安全閥的整定壓力在1.4MPa左右，高壓側安全閥的整定壓力在2.1MPa左右。

2背壓對安全閥性能的影響

背壓是安全閥排放口處的壓力，由排放背壓和附加背壓組成，泄放介質流經安全閥及其排放系統在安全閥的出口處形成的壓力為排放背壓，安全閥出口處存在的由其他壓力源在排放系統中引起的的靜壓力為附加背壓[6]。文獻[7]分析了背壓對安全閥開啟壓力、排放壓力、回座壓力和排放量的影響。對于直接載荷式安全閥，背壓的存在會導致開啟壓力、排放壓力和回座壓力升高，壓力升高值等于背壓；對于平衡式安全閥和先導式安全閥，背壓對開啟壓力沒有影響，但排放壓力和回座壓力均會降低。在臨界條件下對排放量沒有影響，但在亞臨界條件下，背壓增加則排放量減少。文獻[8]分析了背壓對彈簧式安全閥開啟壓力和排放量的影響。對于非封閉式彈簧安全閥，背壓使安全閥的開啟壓力減小；對于封閉式彈簧安全閥，背壓使安全閥的開啟壓力增加。該文獻還提出：安全閥開啟后，因泄放介質流動產生積聚背壓，安全閥后的總背壓會升高，當總背壓小于臨界流動壓力時為臨界流動，通過安全閥閥嘴的理論排放量由閥前的絕對壓力決定，與閥后壓力無關；當背壓超過臨界流動壓力時，排放量會減小。文獻[9]通過對彈簧式安全閥帶背壓排放和大氣排放的對比試驗，發現背壓會導致安全閥的整定壓力、回座壓力、排放壓力升高，排放量減少，但整定壓力、回座壓力、排放壓力的升高值均小于背壓，且差值較大。

3制冷壓力容器安全閥排放系統的背壓計算

文獻[5]對安全閥泄放總管出口的處理方法作出了具體規定，要求接入氨吸納水池內的泄壓管出口應在水面下靠近池底處，距離水面最深不超過9m，此時泄壓管出口處的液體靜壓力為88000Pa。目前，通常是同一氨制冷系統的多個安全閥泄放支管串聯在一根泄放總管上，泄放總管的流通面積較小，不能滿足標準、規范的要求。另外，安全閥泄放管的彎頭太多，一個彎頭緊接著一個彎頭，泄放介質在泄放管內的流動阻力較大。下面舉例計算泄放介質在泄放管內的流動阻力。舉例：安全閥型號A42F-25C，公稱直徑DN32mm，安全閥整定壓力2.05MPa，泄放管內徑39mm，泄放介質為氨，泄放管當量長度取L=30m。對于φ45mm的鋼管，一個90°標準彎頭、一個標準三通產生的局部流體阻力均相當于長度為40倍管道內徑的直管所產生的局部流體阻力[10]。泄放管的流體阻力按公式（1）[10]計算。泄放總管出口處的液體靜壓力與泄放介質在泄放管內的流動壓力降之和為195525Pa，約0.2MPa。彈簧式安全閥的允許背壓不大于其整定壓力的10%，因此，選用彈簧式安全閥符合安全閥的選用規定。同時，應該注意到如果該安全閥泄放管的當量長度超過30m時，所選安全閥的允許背壓會超出允許范圍，將影響安全閥的正常使用，使安全閥所在設備發生超壓破壞的風險增加。

4制冷壓力容器安全閥泄放管的設計建議

制冷系統的安全閥泄放支管普遍采用串聯的方式與泄放總管連接，泄放總管的流通面積應不小于各泄放支管流通面積之和。當吸納水池的位置低于安全閥時，泄放支管可以參考圖2（a）從泄放總管的側面順流向接入，也可以參考圖2（b）從泄放總管的頂部順流向接入，但嚴禁從泄放總管的底部接入，防止總管內的液體聚集到泄放支管內，影響安全閥的正常開啟，同時泄放總管的水平段應向出口端傾斜。在吸納水池最高液面以上的泄放總管上鉆直徑10mm的防虹吸孔，可以用破真空閥代替防虹吸孔，破真空閥應安裝在吸納水池以外的泄放總管上。氨制冷系統的安全閥應選用封閉式的全啟式結構。安全閥進口管道的通徑不得小于壓力容器上安全閥接管的通徑，管道且應短而直。安全閥泄放支管應水平或向上引出，不應向下。泄放總管應盡量減少彎頭，當管道布置受現場條件限制導致彎頭較多時，應加大彎頭的彎曲半徑，增加泄放總管的流通面積。泄放支管與泄放總管之間應采用焊接連接，保證連接處的致密性，泄放支管、泄放總管及其連接結構應按安全閥的泄放壓力進行強度校核。高壓側、低壓側的泄放總管應分別設置，防止高壓側和低壓側的安全閥同時開啟時，導致低壓側的安全閥背壓太大，影響低壓側安全閥的正常使用。氨吸納水池內的水量應按1kg氨不少于10L水計算，且吸納水池的水應不少于1200L。當吸納水池的位置高于安全閥時，泄放總管的設計如圖3所示，壓力容器上的每只安全閥泄放支管順流向匯入泄放總管，泄放總管的水平段應向出口端傾斜，并在泄放總管水平段的最低點鉆直徑16mm的漏液孔，在吸納水池最高液面以上的泄放總管上鉆直徑10mm的防虹吸孔。也可以用破真空閥代替防虹吸孔，破真空閥應安裝在吸納水池以外的泄放總管上。

5結束語

制冷裝置用壓力容器多數為標準化的通用產品，而且設備專業的技術人員在制冷裝置用壓力容器設計過程中，在進行安全閥的設計選型時不可能知道泄放管的長度，因此選用封閉式的彈簧全啟式安全閥，雖然能夠滿足既定條件下的設計要求，但由于產品用于不同的制冷系統，仍然存在安全閥不能滿足使用要求的情況。因此，管道專業或系統專業的技術人員還需要根據安全閥所在制冷系統的特點，根據安全閥的安全泄放量計算背壓，根據允許背壓調整泄放管道的規格，或者選用平衡式或先導式安全閥，在選型時可以參考GB/T37816-2019《承壓設備安全泄放裝置選用與安裝》[11]，該標準規定當安全閥的背壓小于整定壓力的10%時，可以選用彈簧式安全閥；當安全閥的背壓超過整定壓力的10%且不大于整定壓力的30%時，應選用平衡式安全閥；當安全閥的背壓大于整定壓力的30%且小于整定壓力的80%時，應選用先導式安全閥。

作者：熊從貴 胡家揚 何靜 宋玲麗 單位：臺州龍江化工機械科技有限公司 臺州市特種設備檢驗檢測研究院