化学工程与装备 2017 年 第 3 期

138 Chemical Engineering & Equipment 2017 年 3 月

基于 Aspen Plus 安全阀的计算与应用

赵恒亮 1，罗艳玲 2

（1．中海油惠州石化有限公司，广东 惠州 516081；

2．上海利栢特工程技术有限公司珠海分公司，广东 珠海 519015）

摘 要：安全阀作为化工设备保护的最后一道屏障，其计算与选型会直接影响到设备的安全。传统的计算

方法都是查找规范及手册中相关物性参数后带入公式计算泄放量或泄放面积，但是安全阀的计算参数繁

多，该法会耗费大量的时间。本文采用 Aspen Plus 流程模拟软件对安全阀计算所需的物性参数进行模拟

计算，会大大提高工作效率和准确度。

关键词：物性集；流程模拟；安全阀

前 言

安全问题一直是化工生产中的首要问题，而安全阀、爆

破片等压力泄放设施是防止设备超压爆炸、保护设备安全的

一道重要屏障。国内外一系列的标准中都给出了安全阀的计

算方法，但是安全阀的事故工况多种多样，比如火灾工况、

动力故障、操作故障等，使得安全阀的计算极为复杂。国内

许多学者也对安全阀的计算及选用进行了研究。龚珑、周文

君[1]综述了安全阀和爆破片的设置原则、方法及选用步骤；

张德友概括了压力容器泄放介质为气态的安全阀的泄放量

及泄放能力的计算方法;丁传祺总结了管壳式换热器安全阀

各种事故工况下的泄放量的计算；周海阳则侧重研究了换热

管断裂时泄放量的计算，分别给出了泄放介质状态为液态、

气态和气液两相时的泄放量方法；张锋根据液化石油气的性

质阐述了液化石油气储罐相比于其它工况在火灾工况下的

泄放量最大，并给出了火灾工况下安全阀泄放量和喷嘴面积

的计算方法;冯杰等分析了管壳式换热器换热管破裂的工

况，根据管壳程两侧压差较大或较大型的换热器低压侧设置

安全阀的状况，在限流孔板的基础上提出了分别计算液相、

气相和气液混相的泄放量和泄放面积的模型，并结合了汽液

混相工况的实例计算验证了该工况下模型的有效性；田爽等

系统讲述了安全阀设计选型中整定压力、积聚压力、背压、

泄放压力和排放量等工艺参数的确定原则和方法；严逢春基

于绝热闪蒸的计算总结出了两相流安全阀泄放面积的计算

方法。

上述安全阀的计算与选型主要集中在给出计算的方法，

国外规范 API520《炼油厂泄压装置的设置、选择和安装》、

API521《泄压及减压系统指南》及国内 HG/T20570.2《安全

阀的设置和选用》中也详述了安全阀各种工况下的计算方

法，但是安全阀计算的难点在于其物性参数的确定，传统的

方法都是查找相关的经验公式或采用经验值，但是对于混合

物这样计算的结果会有一定的偏差，借助流程模拟软件进行

物性估算方法已经比较成熟，故可以将其应用在安全阀的计

算上。目前，对于采用 Aspen Plus 进行安全阀的计算研究

还很少，孙义峰[12]

以 Aspen Plus 流程模拟软件介绍了塔顶

回流故障工况和火灾工况下的计算方法。本文以 Aspen Plus

流程模拟软件中的定义物性集方法为基础结合具体的实例

来详述安全阀的计算。

1 Aspen Plus 物性集的定义

图 1 物性集的定义

Aspen Plus 流程模拟软件由于其强大的系统数据库，

被广泛的用于流程模拟、物性估算和物性分析。但当用户需

要输出定义的物流的性质时， Aspen Plus 中物性集定义的

功能就被使用。物性集是指多个物性的集合，用户指定物性

集的名称后，只需引用物性集的名称就可以使用该物性。定

义一个新的物性集，选择 Aspen Plus 中的 Properties|

DOI:10.19566/j.cnki.cn35-1285/tq.2017.03.057

赵恒亮：基于 Aspen Plus 安全阀的计算与应用 139

Prop-sets 选着 New 设置名为 PS-1 物性集，在 Properties

页面添加需要的物性参数,如图 1 所示。设置完成后只需在

Setup|Report Options|Stream|Property Sets 中添加所定

义好的物性集 PS-1，运行收敛后就成从 Results Summary|

Streams 中查看到所有需要的物性数据。

2 安全阀的计算

2.1 安全阀的理论计算方法

压力容器安全阀的计算选型可参照 GB150-2011《压力

容器》第 1 部分《通用要求》附录 B 超压泄放装置或参考

HG/T20570-95《工艺系统工程设计技术规定》第 2 部分《安

全阀的设置和选用》进行计算。

安全阀的选型即是通过选择适宜的工况计算安全阀的

泄放量，然后根据各种工况的泄放量计算出泄放面积，并以

最大泄放量下的泄放面积作为选型依据，选择合适的流道面

积，根据所选流道面积确定安全阀的进出口尺寸。

2.2 基于 Aspen Plus 流程模拟软件的计算

对于安全阀的计算本文选取两种常出现的工况进行计

算，即动力故障工况和火灾工况。

2.2.1 动力故障工况

动力故障即是厂内的动力设施如电、蒸汽等发生故障而

发生的超压现象，此时设备可以看成绝热状态。一般在利用

Aspen Plus 进行安全阀的计算时可选用 Heat Exchangers

模块中的 Heater 模型，并改名为 PSV805D，并给定进出口

物流，如图 2。物流 INLET 根据需要保护的设备的操作条件

进行设置，物流量为动力故障工况下物料的泄放量，Heater

模型的热负荷为 0，压力为安全阀的出口压力，如图 3。运

行结果收敛后，从 Results|Streams|OUT 中查看气体绝热指

数(CPCVMX)、气体压缩因子(ZCMX)等物性参数，如图 4。根

据所模拟的物性参数结果，可按下列公式计算最小泄放面

积。对于气体或蒸汽应首先进行临界状态的判断，若背压满

足下式则为临界流动，否则为亚临界流动。

对于气体、蒸汽在临界状态条件下的泄放面积为：

对于气体、蒸汽在亚临界状态条件下的泄放面积为：

对于液体，泄放面积为：

式中 a-最小泄放面积，mm2；

C0-流量系数；

Cp,Cv-定压比热及定容热容，KJ/(kg²℃)；

Gl-液相密度，kg/m3；

Kb-背压修正系数；

Kf-亚临界流动系数；

Kp-液体超压修正系数；

Kw-液体背压修正系数；

Kv-液体粘度修正系数；

M-分子量

P-泄放压力，MPa；

Pb-背压，MPa；

Pcf-临界流动压力，MPa；

T-泄放温度，K；

V-体积泄放流量，m3/h；

W-质量泄放流量，kg/h；

X-气体特性因数， ；

k-绝热指数（Cp/Cv）;

Z-气体压缩系数；

图 2 物性参数计算流程示意图

图 3 Heater 模型设置示意图

140 赵恒亮：基于 Aspen Plus 安全阀的计算与应用

图 4 物性参数结果示意图

2.2.2 火灾工况

石油化工行业由于介质大部分液体介质具有易燃易爆

性，所以发生火灾后易燃烧而造成容器超压，所以通常需要

计算火灾工况下安全阀的泄放量。对于无保温层的安全泄放

量为：

对于有保温层的安全泄放量为：

式中 W-质量泄放量，Kg/h;

Hl-泄放条件汽化热，KJ/kg;

A-润湿面积（可根据相关的标准、手册的计算方

法进行计算），m2;

F-容器外壁校正系数(其值可参考相应的标准及

手册进行选取)；

λ-保温材料导热系数，KJ/(m²h²℃);

d0-保温材料的厚度，m;

图 5 物性参数计算流程示意图

对于式中 Hl的值，传统的方式都是通过查询相关的物

性手册来获得，对于单质可直接查得数值；对于混合物则需

要根据推荐的计算公式进行计算。本文中则采用流程模拟的

方法来计算得到。首先建立如图 5 所示的流程示意图，流股

F-IN 可根据要保护的设备的操作条件设置，流量可设置为

1kg/h，Heat exchanger 模型 PSV805F 气化分率设置为 1，

压力设置为最高泄放压力，如图 6 所示。运行收敛后，在

PSV805F 模块中的 results 页中查看 Heat duty 项中的结

果，此值即为汽化潜热，如图 7 所示，带入上式计算公式即

可计算出火灾工况的安全泄放量。

图 6 模型设置示意图

图 7 汽化潜热计算结果

3 结 论

安全阀作为保护化工设备的最后一道屏障，其泄放量及

泄放面积的计算至关重要。传统的计算方法比较繁琐，而且

物性数据查找的工作量大，借助于 Aspen Plus 流程模拟软

件进行物性计算不仅能很大程度上减少工作量，提高工作效

率，而且准确率较高。

参考文献

[1] 龚珑, 周文军. 安全阀泄放装置的设置､选型与计算

[J]. 浙江化工, 2009, 40(9): 28-32.

[2] 张德友. 安全阀的选用与计算[J]. 中国石油和化工标

准与质量, 2012(06): 228.

[3] 丁传祺, 寿涛. 管壳式换热器安全阀设计与选型[J].

科技传播, 2014(8): 82-83.

[4] 周海阳. 管壳式换热器安全泄放装置的计算与选型[J].

杭氧科技, 2012(03): 10-14.

[5] 张锋. 液化石油气储罐安全阀的工艺计算[J]. 炼油技

术与工程, 2004, 34(7): 55-57.

[6] 冯杰, 冯会. 换热器低压侧安全阀的计算与选型[J].

炼油技术与工程, 2014, 44(3): 29-32.