小程序增加安全阀计算
安全阀泄放面积计算
工具使用教程
海客登州 · 石油化工自控仪表工具箱
依据 API 520 / API 521 / API 526
一、工具简介
本工具用于石油化工装置中安全阀（泄压阀）的泄放面积计算与初步选型，覆盖气体/蒸气、蒸汽、液体、两相流、火灾五类工况，并提供 API 526 标准孔反查、进出口口径推荐与阀型背压校验。计算依据为 API 520 Part I（泄放面积公式）、API 521 第 7 版（火灾工况）、API 526 第 7 版（标准孔径与尺寸表）。
注意 本工具仅供工程估算与初步选型参考。安全阀是超压保护的最后一道防线，正式选型必须以现行标准原版核算，并经有资质工程师审核。请勿仅凭本工具结果定型。 |
1.1 功能模块一览
模块 | 适用工况 | 核心依据 |
气体 | 气体 / 蒸气临界流泄放 | API 520 公式(5) |
蒸汽 | 饱和 / 过热蒸汽泄放 | API 520 公式(22) |
液体 | 液体泄放（含黏度修正） | API 520 公式(29) |
两相 | 两相流闪蒸（ω 法） | API 520 附录 C |
火灾 | 外部火灾（含液 / 含气） | API 521 公式(7)(8)(9) |
选孔 | 已知面积反查标准孔 | API 526 表 1 |
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图 1-1 工具主界面与六个工况标签页
二、通用操作
2.1 选择工况
界面顶部为六个工况标签（气体、蒸汽、液体、两相、火灾、选孔），点击切换。切换后会自动用当前已填数据重新计算。
2.2 阀门类型与爆破片
除“选孔”外，各工况下方可选择阀门类型（常规 / 波纹管 / 先导），并勾选是否含爆破片组合。
•常规、先导阀：临界流时背压系数 Kb = 1.0，无需额外修正。
•波纹管平衡阀：需手填 Kb（查 API 520 图 30/31）。
•勾选“含爆破片组合”后，组合修正系数 Kc 取 0.9（否则为 1.0）。
2.3 压力与超压
所有压力输入均为表压 MPa(g)，工具内部自动转换为绝压参与计算。超压百分比默认 10%（火灾工况固定按 21%），可按实际工况修改。
提示 整定压力 Pset 同时用于推荐进出口法兰磅级，请如实填写。 |
三、气体 / 蒸气工况
适用于气体或蒸气经安全阀临界流泄放。需输入标况体积流量与气体物性。
3.1 输入项
输入项 | 单位 | 说明 |
标况流量 Qn | Nm³/h | 标况体积流量 |
标况基准 | 0°C / 15°C | 影响体积→质量换算，按工况选择 |
整定压力 Pset | MPa(g) | 安全阀开启压力 |
超压 | % | 默认 10 |
泄放温度 T | ℃ | 泄放工况温度 |
分子量 M | g/mol | 可用“常见气体”下拉自动填充 |
比热比 k | Cp/Cv | 随气体下拉自动填充 |
压缩因子 Z | — | 默认 1.0，非理想气体按实际填 |
提示 点击“常见气体”下拉可一键填入分子量与比热比（含甲烷、丙烷、空气、蒸汽等 15 种）。 |
3.2 标况基准说明
标况体积流量换算为质量流量时，0°C 基准摩尔体积取 22.414 m³/kmol，15°C 取 23.645 m³/kmol。两者相差约 5.5%，会影响最终面积与选孔，请按本厂习惯选择。
3.3 结果解读
结果区显示所需泄放面积（mm²）、推荐标准孔及进出口口径，并列出换算质量流量、临界流压力比、物性系数 C、各修正系数等中间量便于核对。
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图 3-2 气体工况计算结果
四、蒸汽工况
蒸汽采用 API 520 专用公式(22)，无需输入分子量与温度（饱和工况）。
4.1 输入项
输入项 | 单位 | 说明 |
质量流量 W | kg/h | 蒸汽质量流量 |
整定压力 Pset | MPa(g) | — |
超压 | % | 默认 10 |
蒸汽温度 | ℃ | 留空＝饱和蒸汽；填值＝过热蒸汽 |
•留空蒸汽温度：按饱和蒸汽计算，过热修正 KSH = 1.0。
•填入蒸汽温度：按过热蒸汽，自动查 API 520 表 9 进行 KSH 修正。
•当整定压力较高（1500~3200 psia）时，自动应用 Napier 系数 KN 修正。
提示 饱和蒸汽是最常见场景，直接留空蒸汽温度即可。 |
五、液体工况
液体泄放采用 API 520 公式(29)，含黏度修正 Kv（自动迭代雷诺数）。
5.1 输入项
输入项 | 单位 | 说明 |
流量 Q | m³/h | 体积流量 |
整定压力 Pset | MPa(g) | — |
超压 | % | 默认 10 |
总背压 P2 | MPa(g) | 出口侧总背压 |
相对密度 G | 水=1 | 流动温度下 |
运动黏度 | mm²/s (cSt) | 用于 Kv 修正，低黏填 1.0 |
结果区额外显示雷诺数 Re、黏度系数 Kv、背压系数 Kw 等。当背压比超过阈值时，会给出阀型选择建议（见第八章）。
六、两相流工况（ω 法）
采用 API 520 附录 C 的 Leung Omega 法。核心是用入口与 90% 入口压力两点的比容求 ω 参数，再判定临界 / 亚临界流并计算面积。
注意 两相流方法未经试验验证，亦无公认的容量认证程序，排量系数 Kd 取保守值 0.85。结果仅供参考。 |
6.1 输入项
输入项 | 单位 | 说明 |
质量流量 W | kg/h | 两相混合物总质量流量 |
整定压力 Pset | MPa(g) | — |
超压 | % | 默认 10 |
背压 Pa | MPa(g) | 出口背压 |
入口比容 vo | m³/kg | 入口（停滞）处两相比容 |
90%压力比容 v9 | m³/kg | 等熵膨胀至 90% 入口压力处 |
6.2 两点比容的两种获取方式
方式一：手动填入（离线可用）
若已用流程模拟软件（如 HYSYS）算得两点比容，直接填入 vo、v9 即可。
方式二：在线自动闪蒸（需联网）
在“在线自动闪蒸”面板选择介质与入口状态（饱和液 / 饱和气 / 指定干度），点击“自动计算 vo / v9”，工具调用 CoolProp 云函数自动完成两点闪蒸并填入。
1.选择介质（内置丙烷、丙烯、丁烷、氨、水等 10 种常见两相介质）。
2.选择入口状态：饱和液（最常见）、饱和气或指定干度。
3.点击“自动计算 vo / v9”，结果自动填入并触发计算。
| 提示 自动闪蒸基于入口压力，沿等熵路径膨胀到 90% 压力点取 v9。网络不可用时会提示改用手填。 | |
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图 6-1 两相流输入与在线闪蒸面板
6.3 结果解读
结果区显示 ω 参数、临界压力比 ηc、流动状态（临界 / 亚临界）、质量流速 G，以及所需面积、推荐孔与口径。
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图 6-2 两相流计算结果
七、火灾工况
火灾工况依据 API 521，分“含液汽化”与“含气热膨胀”两个子工况，通过页内子标签切换。火灾工况默认按 21% 超压。
7.1 含液汽化
容器内有液体，受火后液体汽化产生泄放。工具先按容器几何自动计算受火湿面积（封顶 7.6 m），再算热吸收与泄放量，最后求泄放面积。
输入项 | 单位 | 说明 |
排液消防设施 | 有 / 无 | 决定常数 43200 或 70900 |
环境因子 F | 下拉 | 裸容器=1.0，有保温查表选 |
容器形式 | 卧/立/球 | 决定湿面积算法 |
直径 D / 筒长 L / 液位 | m | 几何参数，自动算湿面积 |
汽化潜热 | kJ/kg | 泄放条件下 |
整定压力 / 泄放温度 | MPa(g) / ℃ | — |
分子量 M / 比热比 k | g/mol / — | 气相物性，用于求面积 |
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图 7-1 火灾·含液汽化输入界面
7.2 含气热膨胀
容器内仅含气 / 蒸气 / 超临界流体，受火后热膨胀。采用 API 521 公式(9)直接求面积。
•受火面积 A′（m²）：容器受火暴露表面积，直接输入。
•整定压力（MPa(g)）。
•受火系数 F′：壁温信息不足时按 API 521 推荐取 821（保守）；若已知壁面最高温与泄放温度，选“是”后按公式(10)精算。
提示 湿面积按容器几何自动计算，超过 7.6 m 的部分按标准不计入。 |
八、选孔、口径与阀型
8.1 标准孔反查
“选孔”工况用于已知所需面积时反查 API 526 标准孔。输入面积（mm²），工具给出大于等于该面积的最小标准孔（D~T 共 14 种），并列出全部孔号对照表。
8.2 进出口口径
各计算工况得出孔号后，工具按整定压力推荐 ASME 法兰磅级（碳钢常温额定为基准），并给出该磅级下的进口 × 出口口径，DN 标注并括注英寸。
整定压力范围 | 推荐磅级 |
≤ 1.96 MPa | 150# |
≤ 5.11 MPa | 300# |
≤ 10.21 MPa | 600# |
≤ 15.32 MPa | 900# |
≤ 25.5 MPa | 1500# |
> 25.5 MPa | 2500# |
提示 口径尺寸来自 API 526 表 3~16，仅随进口磅级变化，与阀体材料无关。磅级为按碳钢初选，实际还需结合介质温度与材料的压力-温度额定值确定。 |
图 8-2 结果中的进出口口径显示
8.3 阀型背压校验
液体与两相流工况会根据背压比 Pb/Ps 给出阀型选择建议：
背压比 Pb/Ps | 建议阀型 | 例外（仍可用常规式） |
≤ 10% | 常规式 | — |
10% ~ 50% | 波纹管平衡式 | 仅恒定背压 / 敞开阀盖 / 封闭阀盖且 Pb/Ps≤超压% |
> 50% | 先导式 | — |
若当前所选阀型与建议不符，结果区会以提示标注。
九、计算依据汇总
项目 | 依据 |
气体/蒸气泄放 | API 520 Part I 公式(5)，临界流 |
蒸汽泄放 | API 520 公式(22)，含 KN、KSH 修正 |
液体泄放 | API 520 公式(29)，含 Kv 黏度迭代 |
两相流 | API 520 附录 C，ω 法（C.12~C.21），Kd=0.85 |
火灾含液 | API 521 公式(7)/(8)，Q=C·F·Aws^0.82 |
火灾含气 | API 521 公式(9)，A=F′·A′/√p1 |
标准孔径 | API 526 第 7 版 表 1 |
进出口口径 | API 526 第 7 版 表 3~16 |
排量系数 Kd | 气/蒸汽 0.975，液体 0.65，两相 0.85 |
注意 本工具结果为工程估算。正式选型须以 API 520/521/526 现行版本原版复核关键算例，并经有资质工程师审核确认。 |