大型環保儲罐呼吸閥設計選型分析

大型環保儲罐呼吸閥設計選型分析

當儲罐承受正壓時，呼吸閥打開呼出氣體泄放正壓；當儲罐承受負壓時，呼吸閥打開吸入氣體泄放負壓。由此在一定的壓力范圍內確保儲罐安全。呼吸閥的內部結構實質上是由一個壓力閥盤(即呼氣閥)和一個真空閥盤(即吸氣閥)組合而成的，壓力閥盤和真空閥盤既可并排布置，也可重疊布置。其工作原理：當儲罐壓力和大氣壓力相等時，壓力閥和真空閥的閥盤和閥座緊密配合，閥座邊上密封結構有“吸附”效應，使閥座嚴密不漏。當壓力或真空度增加時，閥盤開始開啟，由于在閥座邊上仍存在著“吸附”效應，所以仍能保持良好的密封。

當罐內壓力升高到定壓值時，將壓力閥打開，罐內氣體通過呼氣閥(即壓力閥)側排入外界大氣中，此時真空閥由于受到罐內正壓作用處于關閉狀態。反之，當罐內壓力下降到某個真空度時，真空閥由于大氣壓的正壓作用而打開，外界的氣體通過吸氣閥(即真空閥)側進人罐內，此時壓力閥處于關閉狀態。在任何時候，壓力閥和真空閥不能同時處于打開的狀態。當罐內壓力或真空度降到正常操作壓力狀態時，壓力閥和真空閥處于關閉狀態，停止呼氣或吸氣過程。

大型環保儲罐呼吸閥設計選型分析功能

呼吸閥在正常狀態下只是保證儲罐安全密閉，盡量減少儲罐內介質的蒸發損耗。只有在下列非正常狀態下呼吸閥才開始工作：

①當儲罐進行介質收發作業時，罐內氣體體積變化引起氣體壓力發生變化，呼吸閥即開始較大流量呼吸；

②由于外界環境影響，儲罐內氣體溫度發生變化，引起罐內介質蒸汽壓增高或降低(通稱熱效應)，呼吸閥開始小流量的呼吸；

③天氣驟變或發生火災等情況時，罐內溫度短時間內迅速變化，引起儲罐內氣體壓力急劇升高或降低，造成呼吸閥大流量呼吸。呼吸閥在各種工況下都應滿足儲罐呼吸所需的通氣量，以確保儲罐的安全。

工作原理

呼吸閥是一種廣泛應用在儲罐頂部的通風裝置，用來維持罐內外的氣壓平衡，通過控制儲罐的呼出壓力和真空度，防止由于真空度、壓力超過允許值(負壓和超壓)而造成的儲罐凹癟與翹底，同時由于壓力的控制，在一定程度上也減少了罐內介質的蒸發損耗。因此呼吸閥應該具有泄放正壓和負壓兩方面功能，由正負壓力決定或呼或吸，呼吸閥的具體原理如下圖所示。

大型環保儲罐呼吸閥設計選型分析的功能

呼吸閥在正常狀態下起密封作用，只有在下列條件下呼吸閥才開始工作：

(1)儲罐向外輸出物料時，呼吸閥即開始向罐內吸人空氣或氮氣。

(2)向儲罐內灌裝物料時，呼吸閥即開始將罐內氣體向罐外呼出。

(3)由于氣候變化等原因引起罐內物料蒸汽壓增高或降低，呼吸閥則呼出蒸汽或吸人空氣或氮氣(通常稱熱效應)。

(4)發生火災時，儲罐因呼出氣體受熱引起罐內液體蒸發量劇增，呼吸閥便開始向罐外呼出，以避免儲罐因超壓而損壞。

(5)在其它工況下，如揮發性液體的加壓輸送、內外部傳熱裝置化學反應、操作失誤等，呼吸閥則相應進行呼出或吸人，以避免儲罐因超壓或超真空而遭受損壞。

按工作原理可將呼吸閥分為重力式、彈簧式和先導式3種。

1.大型環保儲罐呼吸閥設計選型分析重力式呼吸閥

重力式呼吸閥是靠閥盤本身的重量與罐內外壓差產生的上舉力相平衡而工作的，具體結構形式如下圖所示。重力式呼吸閥具體工作原理如下圖所示。

閥盤所受的總外力為△F，F為閥盤本身的重力G，上舉力為πD2(P2-P1)／4。

1)當閥盤本身的重力與上舉力相等，呼吸閥呼出閥盤與呼出口閥座嚴密配合，吸入閥盤與吸入口閥座嚴密配合，此時閥盤所受總外力△F=G-πD2(P2-P1)／4。

2)當儲罐內產生大于設定壓力的超壓時，罐內高壓直接作用于呼出口閥盤下方，并克服閥盤重力以及作用于閥盤上的大氣壓力，從而打開呼出口閥盤排出罐內過高氣壓，使罐內壓力與大氣壓力保持平衡。此時閥盤所受的總外力△F=G-πD2(P2-P1)／4>0。

3)當儲罐內產生小于設定壓力的負壓時，大氣壓力直接作用于吸入口閥盤下方，并克服閥盤重力以及作用于閥盤上方的罐內壓力，從而打開吸入口閥盤向儲罐內補充壓力，使罐內壓力與大氣壓力保持平衡。此時閥盤所受總外力△F=G-πD2(P2-P1)／4<0。

2.大型環保儲罐呼吸閥設計選型分析彈簧式呼吸閥

彈簧式呼吸閥是依靠彈簧的形變力與罐內外的壓力差產生的推力相平衡而工作的，具體結構形式如下圖所示。彈簧式呼吸閥具體工作原理與重力式呼吸閥類似，閥盤所受的總外力和上舉力仍為△F和πD2(P2-P1)／4，但此時控制力F變為彈簧的形變力，并且可以通過改變彈簧的預壓長度來調節控制力F。

3.大型環保儲罐呼吸閥設計選型分析先導式呼吸閥

先導式呼吸閥是用導閥來控制主閥的，該導閥采用薄膜式結構，薄膜面積大，故在很低的工作壓力下仍可達到一定的作用力來控制主閥的動作。此外在導閥開啟前，主閥不受控制流的作用，關閉嚴密，故先導式呼吸閥可以達到氣泡級密封。先導式呼吸閥具體結構如下圖所示。

大型環保儲罐呼吸閥設計選型分析工作原理如下圖所示。

1)在正常工作情況下，作用在主閥膜片上的壓力P2與作用在導閥膜片上的壓力P1是相同的，主閥處于關閉狀態，而導閥彈簧載荷大于導閥膜片上向上的作用力，使導閥也處于關閉狀態。由于導閥的膜片面積S1大于主閥的膜片面積S2，因此閥門的關閉力F=P1S1-P2S2。而且隨著閥前壓力的增大，閥門關閉力增加，閥的密封性更佳。

2)當儲罐內壓力大于設定壓力時，作用在導閥膜片上向上的作用力剛好超過導閥彈簧載荷。此時，導閥閥座稍微開啟，封閉在主閥內的氣體通過導閥迅速排出，使主閥氣室內的壓力P1降低。此時作用在主閥膜片上的壓力P2>P1，使主閥打開，儲罐內的超壓得到泄放。

3)通過主閥的流體繼續流動，直到罐內壓力小于設定壓力時，作用在導閥膜片上的作用力小于導閥的彈簧載荷，導閥被關閉。儲罐內的氣體通過導管進入主閥氣室，使壓力P2=P1，主閥關閉，重新回到正常狀態。

4)當儲罐內壓力處于負壓狀態時，操作原理基本與正壓泄壓相同。在關閉情況下，P1為大氣壓力存在于主閥氣室內，而作用在主閥膜片上的壓力P2為負壓，閥門的關閉力F=P1S1-P2S2，使主閥關閉。在設定點上，導閥開啟，把主閥氣室內的壓力通過導管送到進口負壓處。當部分負壓在氣室內形成時，外部的大氣壓力致使主閥開啟，并在閥內形成氣流，從而消除儲罐的負壓狀態。最后大氣壓力通過導管進入主閥氣室使主閥關閉。

大型環保儲罐呼吸閥設計選型分析性能比較

1.重力式呼吸閥結構簡單，價格低廉，在國內應用非常廣泛。但其也存在著不足之處，在小流量呼吸過程中，當罐內氣體壓力在臨界狀態點出現微增量時，閥盤被推開排氣，首先使閥盤內側局部區域(約5～7倍管徑范圍)氣體壓力迅速下降，導致閥盤很快回落到閥座上，閥關閉。然后，閥盤內側壓力迅速與罐內壓力平衡，又略大于臨界壓力，將閥盤推開排氣，而后閥盤再關閉。如此反復，就出現一種跳動現象，不能保證良好的密封。閥門反復開關還容易產生磨損，造成泄漏。低溫下，閥盤還容易凍結在閥座上。

2.彈簧式呼吸閥結構緊湊、體積小、重量輕，價格也相對低廉，還可以調節其設定壓力。但彈簧式呼吸閥隨著閥門開啟度增大，彈簧形變增大，作用在閥盤上的彈簧力也增大，導致閥無法開足，使呼吸閥難以達到設計能力。彈簧式呼吸閥在使用后，彈簧易銹蝕和老化。冬季使用時，彈簧易結霜而影響彈簧的壓縮性，使閥盤不能正常地在設定點開啟。

3.先導式呼吸閥尺寸小、重量輕(高壓、大口徑)，泄放前閥座密封，且不易受背壓影響。但先導式呼吸閥機構復雜，單閥制造成本高，僅適用于技術要求較高的儲罐。

大型環保儲罐呼吸閥設計選型分析

目前，在國內的大型儲罐中，傳統的重力式和彈簧式呼吸閥應用比較多。由于低壓儲罐呼吸閥的閥前壓力很低，有時只有幾百帕，作用在閥盤下部向上的作用力有限，使閥不容易準確地在定壓下開啟。即使閥盤打開了，也會由于作用力太小，導致閥被卡住；先導式呼吸閥的膜片式結構保證了在很低的工作壓力下仍可準確控制主閥的動作。重力式和彈簧式呼吸閥在定壓下工作時，由于工作壓力非常接近定壓，閥門很容易泄露，一般在閥前壓力達到定壓的90～95％時就會有泄漏，且隨著閥前壓力的繼續升高，閥門的泄漏量增大。當閥前壓力達到定壓時，閥門開啟；閥前壓力升高達到定壓的時，閥門全開。隨著壓力的泄放，閥前壓力回降，直到降到定壓的時，閥芯回座，閥門關閉。先導式呼吸閥，當閥前壓力達到定壓的時才開始泄漏，閥前壓力達到定壓時(無需超壓)，閥門即可全開；當閥前壓力降到定壓的98%～99%時，閥門關閉。可見，先導式呼吸閥在閥前壓力達到定壓前，開始泄漏較晚，泄漏量少；而閥前壓力降到定壓以下時，又能較早地關閉，從而減少了泄漏及過量排放。這樣既減少了儲罐內物料的損失，又有利于環境保護。

大型環保儲罐呼吸閥設計選型分析安裝要點

(1)呼吸閥應安裝在儲罐頂部的高點。理論上講，從降低蒸發損耗和其它的排氣觀點考慮，呼吸閥應安裝在儲罐氣相空間的高點，以便順利地提供通向呼吸閥的通道。

(2)當儲罐體積較大，或者儲罐比較重要時，為防止單臺呼吸閥因故障導致儲罐出現超壓或負壓的風險，此時可以安裝兩臺呼吸閥。為避免兩臺呼吸閥同時動作而增加故障的幾率，工藝設計時，通常將此兩臺呼吸閥的吸入和排出壓力梯度設計，正常情況下一臺工作，另一臺備用。

(3)如果呼吸量較大，導致單個呼吸閥的呼吸量不能滿足要求時，可設置兩個以上呼吸閥。當安裝兩個呼吸閥時，它們與罐頂的中心距離應相等，即在罐頂對稱布置。

(4)如果呼吸閥安裝在氮封儲罐上，則氮氣供氣管的接管位置要遠離呼吸閥接口，并由罐頂部插入儲罐內約200mm，這樣氮氣進罐后不直接排出，起到氮封作用。

(5)如果呼吸閥內帶有阻火器，須考慮阻火器的壓降對呼吸閥排出壓力的影響，以免儲罐超壓。

(6)當建罐地區歷年溫度的平均值低于或等于0時，呼吸閥須有防凍措施，以防止呼吸閥閥盤凍住或阻塞導致儲罐排氣不暢或補氣不足，而導致儲罐超壓鼓罐或低壓癟罐。

傳統的重力式和彈簧式呼吸閥都屬于微啟動式，在設計壓力下開啟時，開啟高度在1／40～1／20流道直徑的范圍內，因此流通系數較小，在0.2～0.4之間。閥門動作特性為比例作用式，開啟高度隨壓力升高而逐漸增大，這種特性的呼吸閥流通面積比較小，容易發生儲罐超壓；先導式呼吸閥是一種全啟式閥，動作特性為兩段式。全啟式是指閥門的開啟高度大于等于1／4流道直徑。兩段式是指閥門的開啟過程分為兩個階段，起初閥門隨壓力升高而比例開啟，在壓力升高一個不大的數值后，閥門即在壓力幾乎不再升高的情況下急劇開啟到規定高度。