Výpočet parametrů potřebných pro výběr ventilu

Pro výpočet a výběr pojistného ventilu je třeba zadat následující hodnoty:

• Požadovaná kapacita ventilu W (stanovená projektantem na základě výpočtu a analýzy havarijních situací v souladu s různými regulačními a metodickými dokumenty);
• Otevírací tlak P no nebo nastavovací tlak ventilu P n (nadměrný) za provozních podmínek určuje projektant. Po nastavení jedné z těchto hodnot se druhá automaticky přepočítá podle zvoleného regulačního dokumentu:
  • GOST 33257-2015:

  Ve výchozím nastavení se výpočet provádí podle GOST 33257-2015.

  Důležité: převod z otevíracího tlaku na nastavovací tlak a naopak podle výše uvedených vzorců se provádí pro parametry na stojanu výrobce!

  • Tlak ve výtlačném systému P sbr, přebytek;
  • Teplotu výrobku v chráněném systému (před ventilem) v okamžiku, kdy ventil pracuje T 1 (při tlaku před ventilem při výtlaku), vypočítá projektant současně s W . Místo teploty lze u produktů s „nedefinovaným“ stavem agregace (u kterých je možná změna stavu agregace a/nebo dvoufázového proudění) specifikovat hmotnostní obsah plynu před ventilem x 1;
  • Materiál tělesa ventilu (uhlíková ocel, korozivzdorná ocel, litina – určuje konstruktér v závislosti na vlastnostech výrobku);
  • Typ ventilu – normální nebo vlnovcový (vyvážený);
  • Přítomnost nebo nepřítomnost zařízení pro nucené proplachování ventilu;
  • Přítomnost bezpečnostní membrány před a/nebo za ventilem;
  • Označení speciálního případu pro výpočet ventilů (výpočet pro podmínky požáru a/nebo případ instalace několika ventilů).
  • Návrhový tlak chráněného systému P calc, překročení (nebo povoleno pro systémy v provozu).

  Program vypočítá následující parametry:

  • Maximální přípustný tlak při výtlaku, překročení – vypočítává se v závislosti na hodnotě uvedené v obecných informacích k projektu regulačního dokumentu (nebo můžete ručně zadat hodnotu překročení maximálního přípustného tlaku při výtlaku nad hodnotu návrhového tlaku):
    • GOST 34233.1-2017:
    • ASME BPV Code Section VIII:
    • Plný otevírací tlak ventilu P při , (nadměrný) – za provozních podmínek a na zkušební stolici výrobce. Vypočteno podle regulačního dokumentu vybraného v záložce „Vybraný ventil“ (nebo ručně zadané hodnoty jeho překročení nad otevírací počáteční tlak):
      • GOST 31294-2005:
      • ASME BPV Code Section VIII:

      Ve výchozím nastavení se výpočet provádí podle GOST 31294-2005.

      Důležité: přepočet plného otevíracího tlaku na základě nastavovacího tlaku (nebo otevíracího počátečního tlaku) pomocí výše uvedených vzorců se provádí pro parametry na stojanu výrobce!

      • Tlak před ventilem při vypouštění P ​​1 (také známý jako „výtlačný tlak“ nebo „tlak průtoku“), přebytek – používá se k výpočtu velikosti ventilu a jeho kapacity. Ve výchozím nastavení se při výpočtu bere rovna tlaku při plném otevření ventilu, avšak v případě potřeby (při ručním nastavování ventilu) lze brát rovna .

      Během výpočtu program kontroluje stav a v případě jeho porušení vydá odpovídající hlášení.

      • Hmotnostní obsah plynu před ventilem x 1 (pokud není specifikováno uživatelem). Vypočteno programem na základě P 1 , T 1 a složení produktu;
      • Maximální přetlak za ventilem P 2 před výpočtem výtlačného potrubí se předběžně rovná P 2 = P сбр a poté se stanoví po výpočtu výtlačného potrubí;
      • Teplota produktu T 2 a hmotnostní obsah plynu x 2 na vstupu do výtlačného systému v okamžiku aktivace ventilu. Jsou vypočítány na základě tepelné bilance se zohledněním Joule-Thompsonova jevu pro T1 (nebo x1), P1 a Pcbr pro plynné produkty s daným složením a pro produkty s „nedefinovaným“ stavem agregace. V jiných případech jsou Ti a x 1 považovány za stejné;
      • Spouštěcí tlak ventilové pružiny a nastavovací tlak ventilové pružiny na stole výrobce (tj. s nulovým zpětným tlakem) pro výběr ventilové pružiny.

      Poznámka: u vlnovcových „vyvážených“ ventilů se tlak v odlehčovacím systému neodečítá, jejich činnost je prakticky nezávislá na tlaku v odlehčovacím systému;

      • Minimální jmenovitý tlak tělesa ventilu P y je určen programem v souladu s [36] podle P n , T 1 a zadaného materiálu tělesa ventilu;
      • Koeficienty použité pro výpočet kapacity ventilu podle [1] se vypočítají pomocí vzorců:

      

      kde je poměr tlaků za a před ventilem;

      — kritická hodnota tlakového poměru oddělující režim kritického proudění ventilem z režimu podkritického proudění ;

      k je adiabatický (isentropický) koeficient plynného produktu při tlaku P 1 a teplotě T 1 vypočítaný programem na základě složení produktu nebo specifikovaný v počátečních datech;

      ρ 1 — hustota produktu, kg/m3, při tlaku P 1 a teplotě T 1 , vypočtená programem na základě složení nebo specifikovaná v počátečních datech;

      • Požadovaná vypočtená redukovaná plocha průřezu ventilu (αF) calc , kde F je plocha průřezu ventilu (nejmenší plocha průřezu dráhy průtoku), mm2, α je koeficient průtoku ventilu. Tento parametr lze v závislosti na způsobu definování produktu (kapalina, plyn nebo „nedefinovaný stav“) definovat různými způsoby:

      1) Při výpočtu podle GOST 12.2.085-2017 [1] (výrobek je specifikován jako kapalina nebo plyn) je zmenšená plocha průřezu ventilu určena vzorcem:

      W – požadované množství výboje;

      F – plocha průřezu jednoho ventilu (nejmenší plocha průřezu průtokové části),

      N – celkový počet současně pracujících ventilů,

      G je hmotnostní průtok ventilem pro režim kritického průtoku rovný

      – průtokový koeficient ventilu,

      – korekční faktory, které umožňují zohlednit vliv různých faktorů na hodnotu průtočné kapacity ventilu. Aktuální verze programu umožňuje zohlednit následující efekty:

      — korekce protitlaku u vlnovcových (vyvážených) ventilů s přihlédnutím k jejich neúplnému otevření při vysokém protitlaku. Hodnota tohoto koeficientu při výpočtu kapacity ventilu podle API 520 je určena z grafů na obrázcích 30 a 31 (pro kritické a podkritické podmínky proudění) v [21] v závislosti na poměru hodnot P2 k P a také hodnoty „přetlaku“ ventilu; při výpočtu podle GOST 12.2.085-2017 – podle tabulky D.1 v [1]. Ve všech ostatních případech se hodnota tohoto koeficientu považuje za rovnou 1;

      — korekce pro bezpečnostní membránu. Tento korekční faktor se bere v úvahu pouze při výpočtu kapacity ventilu podle GOST 12.2.085-2017, API 520 nebo ISO 4126. Jeho hodnota se bere rovna 0,9 při instalaci membrány před a/nebo za ventil ve všech ostatních případech se hodnota tohoto faktoru bere rovna 1;

      — korekce viskozity pro případy vypouštění vysoce viskózních směsí. Hodnota tohoto koeficientu při výpočtu kapacity ventilu podle GOST 12.2.085-2017 se vypočítá podle článku D.7 [1], při výpočtu podle API 520 – podle [21].

      V případě kritického úniku plynného produktu Vypočítávají se i parametry produktu v sedle ventilu – kritický tlak , MPa, přebytek a kritická teplota , °C.

      2) Výpočet redukovaného průřezu ventilu metodou HDI (je určen produkt s „nejistým stavem“):

      Pro výpočet potřebného redukovaného průřezu ventilu pro produkty s „nejistým“ stavem agregátu (u kterých je možná změna stavu agregátu a/nebo dvoufázového proudění) se používá metoda přímé integrace modelu rovnovážného homogenního proudění (Homogeneous Direct Integration — HDI), která si získala velkou oblibu v zahraniční praxi a je doporučována v různých standardech API 520 a je doporučována jako velmi univerzální a podložená případy dvoufázového proudění, varu a kondenzace ve ventilu, jakož i při vypouštění plynných produktů s nadkritickou nebo téměř kritickou teplotou a tlakem.

      Metoda je založena na následujících předpokladech.

      1. Proud produktu ve ventilu je termodynamicky rovnovážný.

      2. Tok produktu ve ventilu se provádí podle homogenního modelu, bez „prokluzu“ fází (to znamená, že fázové rychlosti lze považovat za stejné).

      3. Tok produktu ve ventilu je adiabatický, to znamená, že produkt prochází ventilem tak rychle, že výměnu tepla s okolím lze zanedbat.

      4. Hydraulické ztráty třením lze zpočátku zanedbat a lze je zohlednit v hodnotě součinitele proudění.

      Ne všechny tyto předpoklady jsou vždy správné, ale obecně poskytují konzervativní odhad kapacity ventilu.

      Kombinace těchto podmínek nám umožňuje použít pro výpočet ventilu model ideální trysky (armatury) s plochou výstupního průřezu rovnou ploše sedla ventilu F. Průtok ventilem lze tedy vypočítat pomocí vzorce , zatímco rychlost v sedle všechny fáze jsou stejné a jsou určeny z poměru (prostřednictvím poklesu specifické entalpie ve srovnání s produktem v klidu). S přihlédnutím k termodynamickému vztahu a že uvažujeme proudění bez tření a výměny tepla, a tedy isentropické, máme dS=0 a (za předpokladu, že rychlost produktu v chráněném systému lze zanedbat) , kde hustota dvoufázové směsi se vypočítá z hustot fází z poměru , zatímco teplota a obsah plynu se počítají při konstantní entropii. Integrál v tomto výrazu je vypočítán numericky v programu pomocí odpovídajících kvadraturních vzorců a termodynamických knihoven (odtud přímá integrace v názvu metody).

      

      Pro určení hodnoty tlaku v sedle ventilu se v programu vypočítá hodnota hustoty proudění pro ideální trysku pro různé možné hodnoty P c počínaje P 1 (při které se rovná nule) a analyzuje se její změna. Pokud se s klesající Pc tato hodnota monotónně zvyšuje v intervalu od P 1 do P cbr, pak se bere P c = P cbr a odtok je považován za podkritický. V opačném případě bude nalezeno maximum G c nejbližší hodnotě P 1 a odpovídající hodnota tlaku bude odpovídat kritickému výstupnímu tlaku v sedle ventilu P c = P cr . Současně jsou nalezeny hodnoty teploty a obsahu plynu odpovídající P с = Pкр.

      

      Požadovaná zmenšená plocha průřezu ventilu je určena vzorcem .

      Při výpočtu metodou HDI program současně analyzuje a rozpozná změnu agregovaného stavu vypouštěného produktu (začátek a/nebo konec varu a/nebo kondenzace) a zobrazí odpovídající hlášení.

      Zejména spolu s výpočtem vypouštění původně dvoufázové směsi z chráněného systému program počítá také případy, jako jsou:

      • Vypouštění kapaliny jejím varem v přívodním potrubí nebo ve vsuvce ventilu nebo přímo v sedle ventilu;
      • Výtlak plynu (včetně nadkritických parametrů) s retrográdní kondenzací ve ventilu;
      • Vypouštění produktu o tlaku a teplotě nad kritickou hodnotou s plynulým přechodem do kapaliny a jejím následným varem.

      Výběr ventilu a pružiny

      Na základě zadaných a vypočtených parametrů program vybere ventily z databáze. V tomto případě jsou vybrány ventily a hotové ventilové bloky se spínacími zařízeními, které splňují každé z následujících kritérií:

      na panelu obecných nastavení programu.

      • Materiál těla. Ventil musí být vyroben z materiálu specifikovaného uživatelem.
      • Podmíněný tlak. Jmenovitý tlak tělesa ventilu (vtokové trubky) nesmí být menší než

      minimální podmíněný tlak P y .

      • Možnost nuceného foukání. Přítomnost nebo nepřítomnost zařízení pro nucené vyfukování vzduchu podle specifikace uživatele.
      • Teplota produktu. Ventil musí být použitelný při dané teplotě produktu, to znamená, že teplota produktu v chráněném systému (před ventilem) v okamžiku provozu ventilu T 1 musí ležet v rozsahu přípustných aplikačních teplot ventilu.
      • Možnost pružinového nastavení. Vypočítaný tlak nastavení pružiny ventilu na pracovním stole výrobce musí ležet v povoleném rozsahu nastavení pružiny ventilu.
      • Klimatická výkonnost. Klimatické vlastnosti ventilu musí odpovídat stanovenému klimatickému výkonu pro projekt jako celek.
      • Teplota okolního vzduchu. Minimální teplota okolního vzduchu specifikovaná pro projekt jako celek musí být větší nebo rovna minimální dovolené teplotě okolního vzduchu ventilu.

      Všechny vybrané ventily jsou programem seřazeny ve vzestupném pořadí podle minimálního počtu požadovaných ventilů N a se stejnou hodnotou N, ve vzestupném pořadí podle bezpečnostního faktoru K zap, definovaného jako

      

      Uživatel má možnost vybrat libovolný z vybraných ventilů (standardně je vybrán ventil s nejmenším N a (pokud se N rovná) nejmenším K zap). V tomto případě mu program zobrazí hlavní parametry každého z vybraných ventilů včetně označení, tabulky obrázků, jmenovitého tlaku a jmenovitého průměru vstupního potrubí a také hodnoty N, K zap, F a F calc = (αF) calc /α.

      Současně s výběrem ventilu pomocí nastavovacího tlaku pružiny program zvolí (pokud je to požadováno) číslo pružiny nebo provedení ventilu. Pokud tento tlak leží na hranici 2 rozsahů nastavení, zvolí se vyšší rozsah tlaku.

      Když je specifikován jasně definovaný agregovaný stav produktu, použijí se jako hodnoty průtokového koeficientu odpovídající hodnoty průtokového koeficientu pro plyn a kapalinu, stanovené výrobcem a specifikované v databázi programu nebo zadané uživatelem (při výpočtu ověření ventilu).

      Pro výpočet průtokového součinitele pro dvoufázový výboj se hodnota průtokového součinitele obvykle neurčuje výrobcem, byly navrženy různé přístupy k odhadu jeho hodnoty, ale nejjednodušší a zároveň nejodůvodněnější je postup navržený profesorem Darbym, který je v programu použit. Podle tohoto přístupu není významný rozdíl v koeficientech průtoku pro plyn a kapalinu způsoben rozdílem ve vlastnostech vypouštěného produktu, ale skutečností, že koeficient pro plyn je měřen výrobcem při kritickém průtoku a pro kapalinu – při podkritickém průtoku. V souladu s tím koeficient pro plyn bere v úvahu pouze hydraulické ztráty před kompresním skokem v sedle ventilu (to znamená pouze ve vstupním potrubí ventilu) a pro kapalinu – po celé cestě produktu ventilem. Při výpočtu metodou HDI se proto vždy doporučuje použít koeficient průtoku pro plyn pro kritický průtok ventilem a pro kapalinu pro podkritický průtok. Experimentální data ukazují, že tento přístup umožňuje získat poměrně dobrý a zároveň konzervativní odhad propustnosti.

      Speciálním případem je výpočet výtlaku stlačitelných médií s podkritickým výtokem. Pro tento případ poskytuje GOST 12.2.085.2017 odpovídající doporučení (viz [1] str. D.4.3, část 2), které je implementováno do výpočtu v programu.

      Výpočet ověření ventilu

      Pro ověřovací výpočty je třeba kromě výše uvedených údajů uvést také počet ventilů, minimální plochu průřezu a koeficient průtoku. Na základě zadaných údajů program vypočítá průchodnost zadaných ventilů a porovná ji s požadovaným.