Công suất xả van an toàn là lưu lượng lớn nhất mà một van an toàn cụ thể xả được, tính cho một lưu chất, một áp suất đặt và một mức quá áp xác định. Đơn vị thường gặp là kg/h với hơi, Nm³/h với khí và L/min hoặc m³/h với chất lỏng. Con số này in trong catalogue và trên nhãn van, và nó phải lớn hơn hoặc bằng lưu lượng cần xả của thiết bị được bảo vệ.
Bài này xử lý chiều thuận: đã có van, cần biết công suất xả van an toàn của van đó. Chiều ngược, tức là từ lưu lượng cần xả suy ra diện tích lỗ yêu cầu, nằm ở bài xác định kích thước.
Công suất xả van an toàn được xác định như thế nào
Nhà sản xuất thử van trên lưu chất thật, đo lưu lượng xả thực tế rồi so với lưu lượng lý thuyết đi qua cùng một lỗ. Tỷ số giữa hai giá trị là hệ số xả Kd. Kết quả thử được cơ quan có thẩm quyền chứng nhận (với ASME là National Board), và chỉ công suất xả van an toàn đã chứng nhận mới được ghi vào catalogue.
Khi áp suất sau lỗ nhỏ hơn khoảng 53% (không khí) đến 55% (hơi nước) áp suất tuyệt đối trước lỗ, dòng đạt tốc độ âm thanh tại họng và thành dòng nghẹt (choked flow). Lúc này lưu lượng chỉ phụ thuộc áp suất đầu vào, nên công thức cho hơi và khí chỉ chứa P1, không chứa P2.
Ba con số cần phân biệt
| Đại lượng | Nguồn gốc | Dùng để làm gì |
|---|---|---|
| Lưu lượng cần xả | Tính từ kịch bản quá áp nặng nhất của thiết bị | Là yêu cầu mà van phải đáp ứng |
| Công suất sơ bộ | Diện tích hiệu dụng API 526 nhân hệ số xả hiệu dụng Kd = 0,975, theo công thức | Chọn cỡ lỗ trước khi có catalogue |
| Công suất xả định mức | Số liệu hãng đã được chứng nhận, tính từ diện tích lỗ thực và hệ số định mức | Số dùng để nghiệm thu van |
Điều kiện chọn van là công suất xả van an toàn định mức ≥ lưu lượng cần xả, tại cùng lưu chất, cùng áp suất đặt và cùng mức quá áp.
Hệ số Kd và Kdr trong công suất xả van an toàn: hai hệ số, hai loại diện tích
Kd phản ánh việc dòng chảy qua van không đi hết diện tích lỗ; dòng co hẹp sau bệ và ma sát làm hao hụt. Khi chọn cỡ sơ bộ, API 520 dùng hệ số xả hiệu dụng Kd = 0,975 cho hơi và khí, đi cùng diện tích hiệu dụng của API 526 (tham khảo). Với chất lỏng, giá trị tương ứng là 0,65. Cặp này cho công suất tối thiểu mà một van đúng cỡ lỗ tiêu chuẩn phải đạt.
Công suất chứng nhận của một model cụ thể lại tính bằng diện tích lỗ thực của hãng nhân hệ số định mức. Theo ASME, hệ số định mức K = 0,9 × KD, với KD là hệ số xả trung bình đo được khi thử; EN ISO 4126 gọi hệ số tương ứng là Kdr (tham khảo). Phần giảm 10% là biên cho sai khác sản xuất giữa các van cùng model.
Hãng và cơ quan chứng nhận đã áp hệ số 0,9 khi lập công suất chứng nhận, nên người dùng không nhân thêm 0,9 vào Kd = 0,975. Không trộn hai hệ thống: Kd 0,975 đi với diện tích API 526, hệ số định mức của hãng đi với diện tích thực của hãng. Nếu số trong catalogue thấp hơn phép tính sơ bộ, hãy kiểm tra lại mức quá áp, lưu chất, đơn vị chuẩn và áp suất ngược.
Quá áp 10%, 3% và 21%: cùng một van, công suất xả van an toàn khác nhau
Quá áp là phần áp suất tăng thêm trên áp suất đặt trong lúc van đang xả. Đĩa chỉ nâng hết hành trình khi đạt mức quá áp thiết kế. Quá áp nhỏ thì độ nâng nhỏ, diện tích dòng chảy nhỏ và công suất thấp. Với hơi và khí, công suất xả van an toàn còn tỷ lệ với áp suất tuyệt đối đầu vào P1, nên quá áp lớn hơn cho công suất lớn hơn.
| Trường hợp | Quá áp tối đa (tham khảo) | Ghi chú |
|---|---|---|
| Bình chịu áp lực, ASME VIII, một van | 10% MAWP (hoặc 3 psi, lấy giá trị lớn hơn) | Mức dùng phổ biến nhất khi tính cỡ van |
| ASME VIII, nhiều van cùng bảo vệ một thiết bị | 16% | Áp dụng cho nhiều van, van đặt cao nhất không vượt 105% MAWP |
| ASME VIII, cháy bên ngoài | 21% | Chỉ áp dụng cho kịch bản cháy |
| Nồi hơi, ASME I | Tích áp tối đa 6% MAWP; công suất chứng nhận đo ở quá áp 3% (tham khảo) | Nồi hơi dùng bảng công suất riêng của ASME I; xem nhãn van |
Vì vậy một van ghi công suất xả van an toàn ở quá áp 10% không thể mang sang kịch bản cháy 21% hay nồi hơi ASME I mà không đối chiếu lại. Công suất xả van an toàn ở các mức quá áp khác nhau phải lấy từ bảng của hãng. Các quy định áp dụng cho từng thiết bị nằm trong bộ tiêu chuẩn ASME BPVC.
Lưu lượng cần xả so với công suất xả van an toàn
Lưu lượng cần xả được tính từ kịch bản quá áp nặng nhất, không cộng dồn các kịch bản độc lập. Từng kịch bản quá áp được phân tích ở bài về thời điểm cần dùng van.
- Van điều khiển hoặc van cấp mở hết cỡ: lưu lượng xả bằng lưu lượng qua van đó.
- Cháy bên ngoài: lưu lượng tính theo diện tích bề mặt thấm ướt.
- Giãn nở nhiệt: lưu lượng nhỏ nhưng áp tăng rất nhanh.
Công thức tính công suất xả van an toàn
Các công thức sau theo API 520 Part I (tham khảo). Chúng tính công suất xả van an toàn từ diện tích lỗ đã biết. Hằng số số học phụ thuộc hệ đơn vị, nên đừng trộn đơn vị giữa các công thức.
Công suất xả van an toàn cho hơi nước (hệ SI)
W = A × P1 × Kd × Kb × Kc × KN × KSH / 190,5, với W là kg/h, A là diện tích lỗ hiệu dụng (mm²), P1 là áp suất xả tuyệt đối (kPa). Kb là hệ số áp suất ngược, Kc = 1 nếu không có đĩa nổ phía trước, KN là hệ số Napier (bằng 1 khi P1 không quá 10.339 kPa tuyệt đối, tức 1.500 psia) và KSH là hệ số quá nhiệt (bằng 1 với hơi bão hòa).
Công suất xả van an toàn cho chất lỏng (hệ SI)
Q = A × Kd × Kw × Kc × Kv × √((P1 − P2)/G) / 11,78, với Q là L/min, A là mm², P1 và P2 là áp suất đầu vào và áp suất sau van (kPa) và G là tỷ trọng. Kw hiệu chỉnh áp suất ngược, Kc hiệu chỉnh khi có đĩa nổ phía trước (0,9 nếu không có số chứng nhận của tổ hợp) và Kv hiệu chỉnh độ nhớt. Công suất chất lỏng phụ thuộc căn bậc hai của chênh áp, không tuyến tính như hơi.
Công suất xả van an toàn cho khí (hệ US)
W = C × Kd × A × P1 × Kb × Kc / √(T × Z / M), với W là lb/h, A là in², P1 là psia, T là nhiệt độ tuyệt đối (°R), Z là hệ số nén và M là khối lượng mol. C là hằng số phụ thuộc tỷ số nhiệt dung riêng k, ví dụ k = 1,4 cho C ≈ 356 (tham khảo).
Trong các hệ số điều chỉnh, áp suất ngược làm giảm Kb và kéo công suất xả xuống.
Ví dụ kiểm tra công suất xả van an toàn: van hơi bão hòa đặt 10 barg
Ví dụ dùng công thức hơi ở trên. Các giả định là số minh họa, cần thay bằng dữ liệu thật.
- Lưu chất: hơi nước bão hòa, nên KSH = 1. Với van an toàn hơi nóng phải thêm hệ số quá nhiệt theo nhiệt độ hơi.
- Áp suất đặt: 10 barg (bằng MAWP), quá áp 10% (ASME VIII, một van). Áp suất xả: 11 barg, tức P1 = 1.100 + 101,3 = 1.201,3 kPa tuyệt đối.
- Diện tích lỗ: 830 mm², tương ứng cỡ lỗ J theo API 526 (1,287 in², tham khảo).
- Kd = 0,975 (hệ số hiệu dụng đi với diện tích API 526), Kb = 1 (áp suất ngược không đáng kể), Kc = 1, KN = 1.
- Lưu lượng cần xả của thiết bị: 4.200 kg/h.
Công suất sơ bộ: W = 830 × 1.201,3 × 0,975 / 190,5 ≈ 5.103 kg/h. Đây là công suất tối thiểu mà một van lỗ J đúng chuẩn API 526 phải đạt ở điều kiện này, và khớp với ví dụ chọn lỗ J cho 5.000 kg/h ở bài xác định kích thước.
Khi nghiệm thu, lấy công suất chứng nhận của đúng model, tính từ diện tích lỗ thực và hệ số định mức của hãng. So với yêu cầu 4.200 kg/h, van lỗ J dư khoảng 21% (5.103 / 4.200 = 1,215). Nếu yêu cầu là 5.300 kg/h thì lỗ J không đủ và phải chuyển sang lỗ K (1.186 mm², tham khảo).
Bảng sau cho thấy cùng lỗ J, cùng áp suất đặt 10 barg và cùng giả định trên, công suất sơ bộ thay đổi theo mức quá áp. Hàng 3% chỉ đúng với van thiết kế nâng toàn phần ở 3% (van nồi hơi ASME I); số cho nồi hơi và cháy phải lấy từ bảng chứng nhận của hãng.
| Quá áp | P1 tuyệt đối (kPa) | Công suất sơ bộ, Kd 0,975 (kg/h) |
|---|---|---|
| 3% | 1.131,3 | 4.806 |
| 10% | 1.201,3 | 5.103 |
| 16% | 1.261,3 | 5.358 |
| 21% | 1.311,3 | 5.570 |
Tăng quá áp từ 10% lên 21% chỉ nâng công suất khoảng 9% (5.570 / 5.103 = 1,092).
Cách đọc bảng công suất xả van an toàn trong catalogue
Bảng của hãng thường có hàng là áp suất đặt, cột là cỡ lỗ hoặc cỡ van, ô là công suất xả. Kiểm tra theo thứ tự sau.
- Tiêu chuẩn và mức quá áp: bảng ghi theo ASME VIII, ASME I, API 526 hay EN ISO 4126, và ở quá áp bao nhiêu phần trăm.
- Lưu chất: bảng hơi bão hòa, hơi quá nhiệt, khí (thường là không khí) và nước là bốn bảng khác nhau.
- Đơn vị chuẩn của khí: Nm³/h quy về 0 °C và 1,013 bar, còn Sm³/h quy về 15 °C hoặc 20 °C. Một Nm³ bằng khoảng 1,055 Sm³ ở 15 °C, nên nhầm đơn vị gây lệch hơn 5%.
- Áp suất đặt: dùng đúng hàng áp suất đặt của van. Nếu áp suất đặt nằm giữa hai hàng, nội suy tuyến tính hoặc lấy hàng áp thấp hơn để thiên về an toàn; khi nghi ngờ, hỏi hãng.
- Hệ số định mức và áp suất ngược: xác nhận bảng đã dùng hệ số định mức chưa, và được lập cho áp suất ngược bằng 0 hay cho một mức áp suất ngược cụ thể.
Những yếu tố làm công suất xả van an toàn thực tế thấp hơn bảng
Bảng catalogue giả định điều kiện thử chuẩn. Ngoài hiện trường, các yếu tố sau kéo công suất xả van an toàn xuống thấp hơn số trong bảng.
- Tổn thất áp suất đường vào lớn hơn 3% áp suất đặt: áp suất thực tại cửa vào van tụt khi van mở, van đóng lại rồi mở lại liên tục (đập van) và công suất trung bình giảm. Xem thêm về hiệu suất van an toàn khi lắp đặt.
- Áp suất ngược: tăng quá giới hạn của loại van làm giảm hệ số Kb hoặc Kw.
- Hơi quá nhiệt: khối lượng riêng thấp hơn hơi bão hòa nên Ksh nhỏ hơn 1 và công suất tính theo kg/h giảm.
- Chất lỏng nhớt: Kv nhỏ hơn 1 khi số Reynolds thấp.
Trình tự kiểm tra công suất xả van an toàn khi chọn van
- Xác định lưu lượng cần xả của kịch bản nặng nhất, áp suất đặt, mức quá áp và áp suất ngược lớn nhất.
- Lấy công suất xả van an toàn định mức của van ứng viên ở đúng điều kiện đó trong catalogue.
- So sánh: công suất xả van an toàn định mức phải lớn hơn hoặc bằng lưu lượng cần xả. Dư quá nhiều không an toàn hơn, vì van quá lớn dễ đập.
- Kiểm tra tổn thất đường vào ≤ 3% áp suất đặt, rồi lưu hồ sơ tính cùng chứng nhận của hãng.
Hồ sơ tính nên đi kèm chứng nhận của hãng để phục vụ kiểm định theo quy định hiện hành. Bước chọn cỡ tổng thể nằm trong bài chọn van an toàn; danh mục các loại van có tại danh mục van an toàn. Các tiêu chuẩn gốc có thể tra tại ASME và API.
Để đối chiếu công suất xả van an toàn theo điều kiện thực tế, hãy gửi áp suất đặt, lưu chất, nhiệt độ và lưu lượng cần xả tới chúng tôi tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội.
Địa chỉ: Số 20 ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội
Phụ trách kinh doanh: Miss Hoa
Công suất xả van an toàn ghi trên nhãn là lưu lượng ở điều kiện nào?
Là lưu lượng đã được chứng nhận ở áp suất đặt và mức quá áp ghi trên nhãn, với lưu chất ghi trong catalogue. Với khí, cần xem đơn vị là Nm³/h hay Sm³/h.
Hệ số Kd và Kdr ảnh hưởng thế nào đến công suất xả van an toàn?
Kd = 0,975 là hệ số hiệu dụng dùng cùng diện tích API 526 để chọn cỡ sơ bộ. Hệ số định mức của hãng bằng 0,9 lần hệ số xả đo được khi thử (ASME gọi là K, EN ISO 4126 gọi là Kdr) và đi cùng diện tích lỗ thực. Hãng đã áp hệ số này, người dùng không nhân lại.
Van chọn dư công suất có an toàn hơn không?
Không. Van quá lớn xả hết áp nhanh rồi đóng ngay, mở lại liên tục, gây đập van và mòn bệ. Công suất xả van an toàn nên lớn hơn lưu lượng cần xả vừa đủ, không dư nhiều.
Quá áp 10%, 3% và 21% áp dụng cho công suất xả van an toàn trong trường hợp nào?
Quá áp 10% là mức phổ biến cho bình chịu áp lực theo ASME VIII, 21% dành cho kịch bản cháy bên ngoài và 3% thường gặp ở nồi hơi theo ASME I (tham khảo). Cần xác nhận mức áp dụng theo tiêu chuẩn của thiết bị.
Có thể dùng bảng công suất xả van an toàn của khí cho hơi nước không?
Không. Hơi bão hòa, hơi quá nhiệt, khí và chất lỏng có công thức và hệ số khác nhau. Bảng không khí chỉ quy đổi được sang khí khác theo hướng dẫn của hãng.
