Kích thước van an toàn được xác định bằng diện tích lỗ xả tối thiểu đủ để thoát lưu lượng cần xả ở áp suất xả; đường kính danh nghĩa DN của cửa vào và cửa ra chọn sau. Công thức khác nhau theo môi chất (hơi, khí, chất lỏng) và theo tiêu chuẩn (API 520, EN ISO 4126, AD 2000-Merkblatt A2).
Bài này tính kích thước van an toàn từng bước, có ví dụ cho hơi bão hòa và bảng lỗ API 526. Chưa biết van làm việc thế nào thì đọc trước van an toàn là gì. Phần chọn loại, vật liệu và kiểu nối nằm trong bài quy trình lựa chọn van an toàn.
Kích thước van an toàn gồm diện tích lỗ và DN
Kích thước van an toàn có hai thông số khác nhau. Diện tích lỗ thoát (orifice area) quyết định van xả được bao nhiêu kg/h. DN chỉ cho biết cỡ nối ống, ví dụ DN15 (½ inch), DN25 (1 inch), DN50 (2 inch), DN100 (4 inch) đến DN200 (8 inch).
Hai van cùng DN25 có thể có lỗ xả khác nhau, nên không suy ra công suất xả từ DN. Quy trình xác định kích thước van an toàn đúng là tính diện tích lỗ, chọn lỗ chuẩn bằng hoặc lớn hơn, rồi chọn DN theo mặt nối.
5 bước xác định kích thước van an toàn
- Tính lưu lượng cần xả W của kịch bản quá áp nặng nhất (xem bài công suất xả bên dưới).
- Tính áp suất xả P1 = áp đặt × (1 + độ quá áp), cộng áp suất khí quyển nếu dùng áp tuyệt đối.
- Xác định áp suất ngược P2 và các hệ số hiệu chỉnh của van.
- Tính diện tích lỗ yêu cầu A bằng công thức của tiêu chuẩn áp dụng.
- Chọn lỗ chuẩn có diện tích lớn hơn A, rồi kiểm tra tổn thất áp đầu vào và DN.
Lưu lượng ở bước 1 lấy từ bài công suất xả định mức. Công suất xả chứng nhận của van, ở cùng áp suất xả, phải bằng hoặc lớn hơn lưu lượng đó.
Dữ liệu cần có trước khi tính kích thước van an toàn
Độ quá áp, áp suất ngược và pha của môi chất ảnh hưởng nhiều nhất đến kết quả.
- Độ quá áp: phần áp suất cho phép vượt áp đặt khi van đang xả, tính theo phần trăm áp đặt. Với bình chịu áp lực theo ASME Section VIII thường là 10% cho một van, hoặc 3 psi (khoảng 20,7 kPa) khi áp đặt thấp, lấy giá trị lớn hơn (tham khảo).
- Áp suất ngược: áp suất ở cửa ra. Nó làm lệch áp đặt của van thông thường và giảm lưu lượng khi dòng không còn tới hạn. Hệ số hiệu chỉnh Kb nằm ở các công thức bên dưới, chi tiết ở bài áp suất ngược.
- Dòng hai pha: chất lỏng bay hơi một phần khi xả. Tính theo phụ lục dòng hai pha của API 520 Part I (phương pháp Omega là phương pháp hiện hành). Cách tính riêng phần lỏng, phần hơi rồi cộng diện tích chỉ là ước lượng cũ, không dùng để chốt cỡ van (tham khảo).
- Nhiều nhánh dòng vào: lấy nhánh lớn nhất, hoặc tổng các nhánh có thể cùng mở trong một sự cố.
Công thức tính kích thước van an toàn theo tiêu chuẩn
Ba họ tiêu chuẩn dùng hệ số và đơn vị khác nhau. Chọn một tiêu chuẩn theo thiết bị và hồ sơ kiểm định, rồi dùng nhất quán, không trộn số liệu giữa các tiêu chuẩn.
Kích thước van an toàn theo AD 2000-Merkblatt A2 (DIN 3320, TRD 421 đã thay thế)
Nhóm tiêu chuẩn Đức cho kết quả là tiết diện dòng chảy nhỏ nhất A0 (mm²), với bốn công thức dưới đây. DIN 3320 và TRD 421 đã được thay bằng EN ISO 4126 và AD 2000-Merkblatt A2, nên các công thức này chủ yếu để đối chiếu hồ sơ van cũ (tham khảo).
| Ký hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị |
|---|---|---|
| A0 | Tiết diện dòng chảy nhỏ nhất của van | mm² |
| m | Lưu lượng khối cần xả | kg/h |
| PR, PB | Áp suất xả và áp suất ngược tuyệt đối (ΔP = PR − PB) | bar a |
| T, M, Z | Nhiệt độ đầu vào (K), khối lượng phân tử (kg/kmol), hệ số nén | K; kg/kmol; không đơn vị |
| ρ | Khối lượng riêng của chất lỏng | kg/m³ |
| αw | Hệ số xả (discharge coefficient) của van | không đơn vị |
| Ψ | Hàm dòng chảy theo số mũ đoạn nhiệt k | không đơn vị |
| X | Đặc trưng môi chất theo tra bảng của tiêu chuẩn (hơi nước) | đơn vị như trong ảnh công thức |
Kích thước van an toàn theo ASME và API 520 Part I (trước đây là API RP 520)
API 520 thường dùng cho van chứng nhận ASME. Ba ảnh dưới là công thức ở đơn vị Anh như trong ảnh công thức (lb/h hoặc SCFM, gal/min, psi, nhiệt độ °R = °F + 460).
Dưới đây là các công thức đó viết bằng chữ ở hệ SI, hệ số đã gồm phần đổi đơn vị (tham khảo API 520, đối chiếu ấn bản đang dùng).
Hơi nước (công thức Napier)
A = 190,5 × W ÷ (P1 × Kd × Kb × Kc × KN × KSH)
Công thức Napier dựa trên dòng tới hạn: khi áp suất ngược tuyệt đối nhỏ hơn khoảng 53% (không khí) đến 55% (hơi) áp suất xả tuyệt đối, vận tốc qua lỗ đạt vận tốc âm thanh và lưu lượng chỉ phụ thuộc áp suất thượng lưu (xem choked flow). Vì vậy công thức chỉ có hệ số Kb, không có áp suất ngược.
| Ký hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị / giá trị |
|---|---|---|
| A | Diện tích lỗ yêu cầu | mm² |
| W | Lưu lượng khối hơi cần xả | kg/h |
| P1 | Áp suất xả tuyệt đối = áp đặt × (1 + độ quá áp) + áp khí quyển | kPa a |
| Kd | Hệ số xả; lấy 0,975 khi chọn sơ bộ, dùng cùng diện tích hiệu dụng API 526 | không đơn vị |
| Kb | Hệ số hiệu chỉnh áp suất ngược; bằng 1 với van thông thường khi áp suất ngược động không quá khoảng 10% áp đặt (áp suất ngược tĩnh không đổi bù bằng áp đặt nguội); van cân bằng theo đường cong của hãng | không đơn vị |
| Kc | Hệ số đĩa nổ lắp trước van; 1,0 nếu không có đĩa nổ; 0,9 nếu có đĩa nổ mà chưa có hệ số kết hợp van–đĩa nổ đã chứng nhận | không đơn vị |
| KN | Hệ số hiệu chỉnh Napier; bằng 1 khi P1 không quá 10.339 kPa a (1.500 psia) | không đơn vị |
| KSH | Hệ số hơi quá nhiệt; bằng 1 với hơi bão hòa, nhỏ hơn 1 với hơi quá nhiệt | không đơn vị |
Khí và hơi khí
A = 13.160 × W ÷ (C × Kd × P1 × Kb × Kc) × √(T × Z ÷ M)
Hệ số C phụ thuộc số mũ đoạn nhiệt k của khí: C = 520 × √( k × (2 ÷ (k + 1))(k + 1) ÷ (k − 1) ). Với k = 1,4 (khí nén, nitơ) thì C ≈ 356. Khi chưa biết k, API 520 cho dùng C = 315, là giá trị giới hạn khi k tiến về 1 và thiên về an toàn.
| Ký hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị / giá trị |
|---|---|---|
| A | Diện tích lỗ yêu cầu | mm² |
| W | Lưu lượng khối khí cần xả | kg/h |
| C | Hệ số theo số mũ đoạn nhiệt k (công thức bên trên) | không đơn vị |
| Kd | Hệ số xả; lấy 0,975 khi chọn sơ bộ, dùng cùng diện tích hiệu dụng API 526 | không đơn vị |
| P1 | Áp suất xả tuyệt đối | kPa a |
| Kb, Kc | Như ở công thức hơi nước | không đơn vị |
| T | Nhiệt độ khí ở đầu vào van khi xả | K |
| Z | Hệ số nén của khí ở điều kiện xả; lấy 1 nếu chưa biết | không đơn vị |
| M | Khối lượng phân tử của khí | kg/kmol |
Chất lỏng
A = 11,78 × Q ÷ (Kd × Kw × Kc × Kv) × √(G ÷ (P1 − P2))
Chất lỏng gần như không nén nên không có dòng tới hạn: lưu lượng phụ thuộc chênh áp P1 − P2, áp suất ngược giảm trực tiếp lưu lượng.
| Ký hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị / giá trị |
|---|---|---|
| A | Diện tích lỗ yêu cầu | mm² |
| Q | Lưu lượng thể tích cần xả | L/phút |
| Kd | Hệ số xả cho van đã chứng nhận cho chất lỏng ở quá áp 10%; lấy 0,65 khi chọn sơ bộ | không đơn vị |
| Kw | Hệ số hiệu chỉnh áp suất ngược cho chất lỏng; 1 với van thông thường, van cân bằng lấy theo đường cong của hãng | không đơn vị |
| Kc, Kv | Hệ số đĩa nổ và hệ số độ nhớt; Kv bằng 1 với chất lỏng ít nhớt như nước | không đơn vị |
| G | Tỷ trọng của chất lỏng so với nước ở nhiệt độ xả | không đơn vị |
| P1 | Áp suất xả = áp đặt × (1 + độ quá áp), áp suất dư | kPa g |
| P2 | Áp suất ngược, áp suất dư | kPa g |
Van chưa chứng nhận cho chất lỏng tính theo phụ lục của API 520 Part I với Kd = 0,62 và hệ số quá áp Kp (Kp = 1 ở quá áp 25%, nhỏ hơn 1 khi quá áp thấp hơn). Van đã chứng nhận cho chất lỏng không dùng Kp (tham khảo).
Ở đơn vị Anh (W lb/h, Q gal/phút, P psia hoặc psig, T °R, A in²), các hằng số nằm ở mẫu số, không phải tử số: hơi A = W ÷ (51,5 × P1 × Kd × Kb × Kc × KN × KSH); khí A = W ÷ (C × Kd × P1 × Kb × Kc) × √(T × Z ÷ M) với C tính theo 520 như trên; lỏng A = Q ÷ (38 × Kd × Kw × Kc × Kv) × √(G ÷ (P1 − P2)). Đổi in² sang mm² bằng cách nhân 645,16 (tham khảo API 520 Part I).
Kích thước van an toàn theo EN ISO 4126
Kích thước van an toàn theo EN ISO 4126 dùng hệ số xả Kdr (đã giảm 10% so với hệ số thử), hàm C và thể tích riêng Vg của hơi hoặc khí tại điều kiện xả. Bốn ảnh dưới là công thức cho hơi khô và bão hòa, hơi ướt, khí và chất lỏng.
| Ký hiệu | Ý nghĩa | Đơn vị |
|---|---|---|
| A | Tiết diện dòng chảy cần thiết | mm² |
| m | Lưu lượng khối cần xả | kg/h |
| C | Hàm của số mũ đoạn nhiệt | không đơn vị |
| Kdr | Hệ số xả đã chứng nhận (có giảm 10%) của van | không đơn vị |
| Po | Áp suất xả tuyệt đối | bar (tuyệt đối), đơn vị như trong ảnh công thức |
| Pb | Áp suất ngược | cùng đơn vị với Po |
| Vg | Thể tích riêng ở điều kiện xả | m³/kg |
| Kb, Kv | Hệ số hiệu chỉnh áp suất ngược và độ nhớt (chất lỏng) | không đơn vị |
Ví dụ tính kích thước van an toàn cho hơi bão hòa
Ví dụ dưới đây tính diện tích lỗ cho bình hơi bão hòa bằng công thức Napier. Các giả định chỉ phục vụ ví dụ, không thay cho số liệu thật của thiết bị.
| Giả định | Giá trị |
|---|---|
| Môi chất | Hơi nước bão hòa |
| Áp đặt | 10 barg (1.000 kPa g) |
| Độ quá áp | 10% |
| Lưu lượng cần xả W | 5.000 kg/h (kịch bản van điều khiển kẹt mở) |
| Áp suất ngược | Xả thẳng ra khí quyển, Kb = 1 |
| Kd, Kc, KN, KSH | 0,975; 1,0; 1,0; 1,0 |
| Áp suất khí quyển | 101,3 kPa |
- Áp suất xả: 1.000 × 1,1 = 1.100 kPa g, cộng 101,3 được P1 = 1.201,3 kPa a.
- Mẫu số: P1 × Kd = 1.201,3 × 0,975 = 1.171,3 (các hệ số còn lại bằng 1).
- Diện tích: A = 190,5 × 5.000 ÷ 1.171,3 = 952.500 ÷ 1.171,3 ≈ 813 mm², tức khoảng 8,13 cm² hoặc 1,26 in².
- Chọn lỗ chuẩn: lỗ H là 0,785 in², nhỏ hơn 1,26 in² nên không đủ. Lỗ J là 1,287 in² (830 mm²) lớn hơn 1,26 in² nên chọn lỗ J.
- Kiểm tra: ở cùng điều kiện, lỗ J xả được khoảng 5.000 × 830 ÷ 813 ≈ 5.100 kg/h, dư khoảng 2% so với yêu cầu.
Biên dư 2% là kết quả của việc chọn theo nấc lỗ chuẩn. Ví dụ áp dụng cho bình chịu áp lực với độ quá áp 10%; nồi hơi theo ASME Section I có giới hạn tích lũy khác.
Kd = 0,975 và diện tích lỗ API 526 là một cặp quy ước để chọn kích thước van an toàn sơ bộ, chỉ dùng cùng nhau. Hệ số xả định mức của hãng đi với diện tích lỗ thực của hãng, không đem chia cho diện tích API 526. Với model cụ thể, kiểm tra lại bằng bảng công suất catalogue: công suất chứng nhận ở áp suất xả và môi chất của bạn phải không nhỏ hơn lưu lượng cần xả.
Bảng lỗ chuẩn API 526 để chọn kích thước van an toàn
API 526 quy định các chữ lỗ (orifice designation) với diện tích hiệu dụng cố định để chọn kích thước van an toàn theo nấc. Sau khi tính A, chọn chữ lỗ đầu tiên có diện tích lớn hơn hoặc bằng A. Số liệu dưới đây là diện tích hiệu dụng tiêu chuẩn (tham khảo), đã đổi sang cm² và mm² bằng hệ số 6,4516 và 645,16.
| Chữ lỗ | Diện tích (in²) | Diện tích (cm²) | Diện tích (mm²) |
|---|---|---|---|
| D | 0,110 | 0,710 | 71 |
| E | 0,196 | 1,265 | 126 |
| F | 0,307 | 1,981 | 198 |
| G | 0,503 | 3,245 | 325 |
| H | 0,785 | 5,065 | 506 |
| J | 1,287 | 8,303 | 830 |
| K | 1,838 | 11,858 | 1.186 |
| L | 2,853 | 18,406 | 1.841 |
| M | 3,600 | 23,226 | 2.323 |
| N | 4,340 | 28,000 | 2.800 |
| P | 6,380 | 41,161 | 4.116 |
| Q | 11,050 | 71,290 | 7.129 |
| R | 16,000 | 103,226 | 10.323 |
| T | 26,000 | 167,742 | 16.774 |
Đây là diện tích hiệu dụng để chọn chữ lỗ, không phải diện tích hình học của lỗ van. Nếu hãng có công suất chứng nhận theo đúng model, dùng công suất đó.
Nếu diện tích yêu cầu lớn hơn lỗ T (26 in²), dùng hai hoặc ba van song song. Van cỡ lớn thường là van an toàn lắp bích.
Tổn thất áp đầu vào không quá 3% áp đặt
Sau khi tính kích thước van an toàn, phải kiểm tra tổn thất áp ở ống vào. Nếu tổn thất áp đầu vào (không phục hồi, tính ở công suất định mức của van) tiến gần mức blowdown, áp suất tại cửa vào tụt xuống dưới áp đóng trong lúc van còn đang xả. Van đóng, áp suất hồi lên, van lại mở, và chu trình lặp nhiều lần mỗi giây.
API 520 Part II giới hạn tổn thất này ở 3% áp đặt để giữ biên so với blowdown (khoảng 4 đến 10% với van hơi, khí thông thường; van nồi hơi ASME I có blowdown nhỏ hơn nên cần kiểm tra riêng, tham khảo). Giữ ống vào ngắn, thẳng, đường kính không nhỏ hơn cửa vào van.
Chọn kích thước van an toàn quá lớn hoặc quá nhỏ
- Quá lớn: van xả nhanh hơn lượng môi chất cấp vào, áp suất rơi xuống dưới ngưỡng đóng ngay, van đóng rồi mở lại liên tục. Hiện tượng này gây kêu và mòn bệ, xem van đập do chọn quá cỡ.
- Quá nhỏ: lưu lượng xả không đủ, áp suất tiếp tục tăng vượt giới hạn cho phép. Thiết bị không còn được bảo vệ, nên đây là sai sót nguy hiểm hơn.
Thuật ngữ xem thêm tại Relief valve trên Wikipedia. Các công thức ở đây dùng để tính sơ bộ, hồ sơ tính cuối cùng do kỹ sư thiết kế xác nhận theo quy định hiện hành.
Khi đã có kích thước van an toàn yêu cầu, xem danh mục van an toàn và gửi lưu lượng cần xả, áp đặt, môi chất để chúng tôi đối chiếu model phù hợp. Địa chỉ: 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
Kích thước van an toàn được xác định theo DN hay diện tích lỗ?
Theo diện tích lỗ xả. Tính diện tích lỗ yêu cầu, chọn lỗ chuẩn bằng hoặc lớn hơn, rồi chọn DN theo mặt nối.
Công thức Napier dùng cho môi chất nào?
Hơi nước. Khi dòng tới hạn, lưu lượng tỷ lệ với áp suất xả tuyệt đối và không phụ thuộc áp suất ngược.
Lỗ API 526 là gì và có những cỡ nào?
Là các chữ lỗ D đến T có diện tích hiệu dụng cố định, từ 0,110 in² đến 26 in². Chọn chữ lỗ nhỏ nhất có diện tích lớn hơn hoặc bằng diện tích tính được.
Vì sao tổn thất áp đầu vào không quá 3%?
Khi tổn thất ở ống vào tiến gần blowdown, áp tại cửa vào tụt dưới áp đóng lúc van đang xả và van đóng mở liên tục (đập van). Mức 3% áp đặt giữ biên so với blowdown.
Chọn van an toàn quá cỡ có sao không?
Có. Van quá lớn xả nhanh hơn lượng cấp vào nên đóng mở dồn dập, gây kêu và mòn bệ. Chọn lỗ chuẩn nhỏ nhất mà vẫn lớn hơn hoặc bằng diện tích yêu cầu.
