安全阀选型验证及闭式系统排汽反力计算软件设计
徐斌+李涛+郑冠捷+陈国强
摘 要： 针对安全阀的选型及闭式系统中排汽反力的计算问题，采用面向对象的程序设计语言Visual Basic 6.0编写专业计算软件。软件在Windows XP和Windows 7，Windows 8环境下运行通过。整个软件采用模块化编写，集成了水蒸汽的特性参数， 界面设计简洁，功能实用，操作简便。该软件以工程设计需求为依据，直观展现了排汽口的形式， 实现了对安全阀选型的判断和不同工况下安全阀开启对设备的反力、各种布置形式的排汽管道反力的计算。
关键词： 安全阀选型； 排汽反力计算； VB 6.0； 布置形式； 排汽管道
中图分类号： TN954+.2?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）24?0163?03
Abstract： The calculation software is compiled with the object?oriented programming language Visual Basic 6.0 to select correct safety valve and calculate the closed?system exhaust reaction force. This software can run in the Windows XP， Windows 7， and Windows 8. The modularization compiling mode is adopted in the whole software， in which the characteristic parameters of water vapor are integrated. The interfacial design is coherent， and the operation is simple. The practical software meets the engineering design requirements， and directly displays the form of the exhaust port. The model?selection judgement of the safety valve and the calculation of the exhaust pipe counterforce were realized under various working conditions.
Keywords： safety valve selection； exhaust reaction force calculation； VB 6.0； layout form； exhaust pipe
0 引 言
安全阀是锅炉、压力容器和其他受压设备的调压保护装置，安全阀的合理计算和设计对承压设备和装置至關重要。安全阀阀瓣开启泄放时，管道内流体的快速流动会对排放管道、支撑结构和连接设备产生冲击性荷载，其引起的应力和弯矩不容忽视[1]。因此，安全阀的合理选型和排汽管道的合理布置，对承压设备和管系的安全运行具有十分重要的意义。目前国内相关规范已经给出相关的计算公式[2]，但是该计算方法是将蒸汽视为理想汽体推导而得到的，对于饱和蒸汽，由于其热力学特性已经偏离理想汽体，所以按此公式计算的结果有待讨论。国内学者对API RP520 和ASME B31.1两种方法进行了比较[3?5]，归纳出了这两种方法适用范围和局限性。此外，目前并无标准通用的安全阀选型和反力计算软件，该问题的解决主要依据各个企业、厂家自主编制的Excel格式计算表或其他计算插件完成。
本文通过对《ASME B31.1?2010压力管道规范》《火力发电厂汽水管道应力计算技术规程》和《流体力学》中的相关理论和计算方法进行比较总结，利用介质比容变化大的管道水力计算方法，结合一维定常流动的理论，推导出一套完整的计算模型 [6?13]。其涵盖了便于工程使用的安全阀选型、排汽管道通流能力和排汽反力的计算方法。本文软件采用VB 6.0编制，界面友好，便于操作，可极大地提高工作效率；提高设计计算的准确性、合理性和先进性。本软件以工程设计需求为依据，实现了对安全阀选型的判断，和不同工况下安全阀开启对设备的反力、各种布置形式的排汽管道反力，具有较广的应用前景。
1 软件功能及适用范围
本软件功能目标是根据建立较为完善后的计算理论，实现安全阀的选型计算，通流能力计算，安全阀开启时对设备的反力计算，能快速准确判断流动是否达到临界，并根据流动状态准确计算典型排汽口形式下的排汽反力。软件界面应简洁清晰，便于设计人员操作，减少人工负担，从而提高工作效率，提高计算的准确性；力求使安全阀选型和排汽反力计算做到理论先进、经济合理、结果准确。软件的功能需求和相应的功能见表1。
2 编制说明
2.1 算法设计
软件算法针对火力发电厂汽水管道设计需要，通过对《ASME B31.1?2010》以及《DL/T5366?2006火力发电厂汽水管道应力计算技术规程》计算方法进行比较总结，利用介质比容变化大的管道水力计算方法，结合一维定常流动的理论，推导出一套完整的便于工程使用的安全阀选型、排汽管道通流能力和排汽反力的计算方法。软件的算法流程如图1所示，首先，根据已知输入的安全阀开启压力、安全阀喉部直径、排汽参数、安全阀流量系数和安全阀并联个数，判断排放汽源属于过热蒸汽还是饱和蒸汽，求得此安全阀的最大通流量，并与实际所需排汽流量相比较，若实际所需排汽流量小于所选安全阀最大流量，则选型正确，否则选型错误。选型正确后，根据蒸汽参数判断是否临界，并根据不同的排汽口形式，求得安全阀开启时对设备的反力和对管道产生的反力。
2.2 计算精度
软件计算所需要的数据，其精度对计算结果影响很大。以排汽管道的规格而言，管道内径一般以mm为单位，采用国际单位，则为10-3 m量级。而在计算流速等参数时，需要用到通流面积，面积单位至少达到10-6 m2量级。此外，由于水蒸汽的参数众多，数据复杂，且数据精度对结果影响很大，因此软件在计算模块和水蒸汽模块都采用双精度（Double）执行。
2.3 接口设计
（1） 数据输入/输出。软件数据的输入和输出，利用“Frame”控件将窗口分为整齐明了的区域，并表明区域的详细名称。数据的展示像是利用“Lable”+“Text”的形式展现， 并清楚标明数据名称和单位，如图2所示。
（2） 排汽口形式选择。为了使用户能直观地分辨排汽口型式，并根据工程需要快速做出选择，软件利用“image”属性，结合鼠标的点选功能，实现对排汽口型式的选择，见图3。
（3） 用户提示。为了防止人为错误，软件采用实现输入量和输出量的自主判断，利用“MsgBox”功能，实现当输入变量存在问题时，弹出对话框予以提示。对于安全阀选型问题，若用户选型错误，也可弹出对话提示“选型错误”，见图4。
此外，为了便于用户操作软件，界面中多处增加提示功能，并用红色鲜明字体标出。
（4） 进程控制。软件采用 “commandbutton”按钮实现相应的软件功能。为了保证软件按照既定的流程运行，避免出现用户误操作而出错，在界面中利用“True”和“False”属性实现对输入/输出区域的控制。在计算流程到达之前，将该部分锁死，使用户无法操作，直至流程命令到达。
2.4 软件模块设计
软件采用模块化编程，将界面设计、数据读写、数据计算、判断提示等内容按照不同的模块进行编写，并将水蒸汽的性质参数集成在独立的模块之中。计算模块主要包括安全阀选型计算及判断，排汽流动参数计算，判断是否临界和根据排汽口型式求解排汽反力三个部分。如此可使各个模块单独进行设计、调试、模块接口的结构、参数标准化、易实现模块横纵系列之间的相互调用，从而降低程序的复杂程度，使程序的设计、调试和维护等操作简单化。
3 软件图形界面
软件成品如图5和图6所示。用户进入软件主界面，点击“进入”开启计算界面。
首先需要进行安全阀选型计算，用户根据填入所需要的信息填入参数后，点击“选型计算”即可。
选型完成后，点击选定的排汽口形式，输入排汽管道参数、阻力系数和汽流偏转角等信息后，点击“计算”，即完成流动参数和排汽反力的计算。
4 结 论
程序功能设定完全来自于工程应用中产生的实际需求，操作方式完全符合设计人员的试用习惯，实现了计算结果的准确快速、清晰明确的输出功能，一定程度上提高了生产效率。程序在细节与用户界面上清晰简明，提高了设计准确性，实用性强、容易操作、降低了新程序的学习时间成本。
参考文献
[1] 林燕，杨道宏.安全阀排汽的两种计算方法比较[J].科技创新导报，2009（29）：57?59.
[2] 国家能源局.火力发电厂汽水管道设计技术规定：DL/T5054?2016[S].北京：中国电力出版社，2016.
[3] 方立，魏丽.API RP520和ASME B31.1中关于安全阀排汽反力计算公式的比较[J].化工机械，2016，43（1）：17?19.
[4] American Society of Mechanical Engineers. Power piping： ASMEB3 1.1 [S]. New York： American Society of Mechanical Engineers， 2012.
[5] American Petroleum Institute. Sizing， selection， and installation of pressure?relieving device in refineries part II： API RP520 [S]. Washington： American Petroleum Institute， 2003.
[6] 景思睿，张鸣远.流体力学[M].西安：西安交通大学出版社，2001.
[7] 张鸣远.高等工程流体力学[M].西安：西安交通大学出版社，2006.
[8] 沈维道，蒋智敏，童钧耕.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，2000.
[9] 曾丹苓，敖越.工程热力学[M].北京：高等教育出版社，2002.
[10] 中国电力企业联合会.电厂动力管道设计规范：GB50764?2012[S].北京：中国计划出版社，2012.
[11] 中国电力建设工程咨询公司.火力发电厂设计技术规程：L5000?2000[S].北京：中国标准出版社，2001.
[12] 中国电力企业联合会.大中型火力发电厂设计规范：GB50660?2011[S].北京：中国计划出版社，2011.
[13] 张兆顺，崔柱香.流体力学[M].北京：清华大学出版社，1998.
摘 要： 针对安全阀的选型及闭式系统中排汽反力的计算问题，采用面向对象的程序设计语言Visual Basic 6.0编写专业计算软件。软件在Windows XP和Windows 7，Windows 8环境下运行通过。整个软件采用模块化编写，集成了水蒸汽的特性参数， 界面设计简洁，功能实用，操作简便。该软件以工程设计需求为依据，直观展现了排汽口的形式， 实现了对安全阀选型的判断和不同工况下安全阀开启对设备的反力、各种布置形式的排汽管道反力的计算。
关键词： 安全阀选型； 排汽反力计算； VB 6.0； 布置形式； 排汽管道
中图分类号： TN954+.2?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）24?0163?03
Abstract： The calculation software is compiled with the object?oriented programming language Visual Basic 6.0 to select correct safety valve and calculate the closed?system exhaust reaction force. This software can run in the Windows XP， Windows 7， and Windows 8. The modularization compiling mode is adopted in the whole software， in which the characteristic parameters of water vapor are integrated. The interfacial design is coherent， and the operation is simple. The practical software meets the engineering design requirements， and directly displays the form of the exhaust port. The model?selection judgement of the safety valve and the calculation of the exhaust pipe counterforce were realized under various working conditions.
Keywords： safety valve selection； exhaust reaction force calculation； VB 6.0； layout form； exhaust pipe
0 引 言
安全阀是锅炉、压力容器和其他受压设备的调压保护装置，安全阀的合理计算和设计对承压设备和装置至關重要。安全阀阀瓣开启泄放时，管道内流体的快速流动会对排放管道、支撑结构和连接设备产生冲击性荷载，其引起的应力和弯矩不容忽视[1]。因此，安全阀的合理选型和排汽管道的合理布置，对承压设备和管系的安全运行具有十分重要的意义。目前国内相关规范已经给出相关的计算公式[2]，但是该计算方法是将蒸汽视为理想汽体推导而得到的，对于饱和蒸汽，由于其热力学特性已经偏离理想汽体，所以按此公式计算的结果有待讨论。国内学者对API RP520 和ASME B31.1两种方法进行了比较[3?5]，归纳出了这两种方法适用范围和局限性。此外，目前并无标准通用的安全阀选型和反力计算软件，该问题的解决主要依据各个企业、厂家自主编制的Excel格式计算表或其他计算插件完成。
本文通过对《ASME B31.1?2010压力管道规范》《火力发电厂汽水管道应力计算技术规程》和《流体力学》中的相关理论和计算方法进行比较总结，利用介质比容变化大的管道水力计算方法，结合一维定常流动的理论，推导出一套完整的计算模型 [6?13]。其涵盖了便于工程使用的安全阀选型、排汽管道通流能力和排汽反力的计算方法。本文软件采用VB 6.0编制，界面友好，便于操作，可极大地提高工作效率；提高设计计算的准确性、合理性和先进性。本软件以工程设计需求为依据，实现了对安全阀选型的判断，和不同工况下安全阀开启对设备的反力、各种布置形式的排汽管道反力，具有较广的应用前景。
1 软件功能及适用范围
本软件功能目标是根据建立较为完善后的计算理论，实现安全阀的选型计算，通流能力计算，安全阀开启时对设备的反力计算，能快速准确判断流动是否达到临界，并根据流动状态准确计算典型排汽口形式下的排汽反力。软件界面应简洁清晰，便于设计人员操作，减少人工负担，从而提高工作效率，提高计算的准确性；力求使安全阀选型和排汽反力计算做到理论先进、经济合理、结果准确。软件的功能需求和相应的功能见表1。
2 编制说明
2.1 算法设计
软件算法针对火力发电厂汽水管道设计需要，通过对《ASME B31.1?2010》以及《DL/T5366?2006火力发电厂汽水管道应力计算技术规程》计算方法进行比较总结，利用介质比容变化大的管道水力计算方法，结合一维定常流动的理论，推导出一套完整的便于工程使用的安全阀选型、排汽管道通流能力和排汽反力的计算方法。软件的算法流程如图1所示，首先，根据已知输入的安全阀开启压力、安全阀喉部直径、排汽参数、安全阀流量系数和安全阀并联个数，判断排放汽源属于过热蒸汽还是饱和蒸汽，求得此安全阀的最大通流量，并与实际所需排汽流量相比较，若实际所需排汽流量小于所选安全阀最大流量，则选型正确，否则选型错误。选型正确后，根据蒸汽参数判断是否临界，并根据不同的排汽口形式，求得安全阀开启时对设备的反力和对管道产生的反力。
2.2 计算精度
软件计算所需要的数据，其精度对计算结果影响很大。以排汽管道的规格而言，管道内径一般以mm为单位，采用国际单位，则为10-3 m量级。而在计算流速等参数时，需要用到通流面积，面积单位至少达到10-6 m2量级。此外，由于水蒸汽的参数众多，数据复杂，且数据精度对结果影响很大，因此软件在计算模块和水蒸汽模块都采用双精度（Double）执行。
2.3 接口设计
（1） 数据输入/输出。软件数据的输入和输出，利用“Frame”控件将窗口分为整齐明了的区域，并表明区域的详细名称。数据的展示像是利用“Lable”+“Text”的形式展现， 并清楚标明数据名称和单位，如图2所示。
（2） 排汽口形式选择。为了使用户能直观地分辨排汽口型式，并根据工程需要快速做出选择，软件利用“image”属性，结合鼠标的点选功能，实现对排汽口型式的选择，见图3。
（3） 用户提示。为了防止人为错误，软件采用实现输入量和输出量的自主判断，利用“MsgBox”功能，实现当输入变量存在问题时，弹出对话框予以提示。对于安全阀选型问题，若用户选型错误，也可弹出对话提示“选型错误”，见图4。
此外，为了便于用户操作软件，界面中多处增加提示功能，并用红色鲜明字体标出。
（4） 进程控制。软件采用 “commandbutton”按钮实现相应的软件功能。为了保证软件按照既定的流程运行，避免出现用户误操作而出错，在界面中利用“True”和“False”属性实现对输入/输出区域的控制。在计算流程到达之前，将该部分锁死，使用户无法操作，直至流程命令到达。
2.4 软件模块设计
软件采用模块化编程，将界面设计、数据读写、数据计算、判断提示等内容按照不同的模块进行编写，并将水蒸汽的性质参数集成在独立的模块之中。计算模块主要包括安全阀选型计算及判断，排汽流动参数计算，判断是否临界和根据排汽口型式求解排汽反力三个部分。如此可使各个模块单独进行设计、调试、模块接口的结构、参数标准化、易实现模块横纵系列之间的相互调用，从而降低程序的复杂程度，使程序的设计、调试和维护等操作简单化。
3 软件图形界面
软件成品如图5和图6所示。用户进入软件主界面，点击“进入”开启计算界面。
首先需要进行安全阀选型计算，用户根据填入所需要的信息填入参数后，点击“选型计算”即可。
选型完成后，点击选定的排汽口形式，输入排汽管道参数、阻力系数和汽流偏转角等信息后，点击“计算”，即完成流动参数和排汽反力的计算。
4 结 论
程序功能设定完全来自于工程应用中产生的实际需求，操作方式完全符合设计人员的试用习惯，实现了计算结果的准确快速、清晰明确的输出功能，一定程度上提高了生产效率。程序在细节与用户界面上清晰简明，提高了设计准确性，实用性强、容易操作、降低了新程序的学习时间成本。
参考文献
[1] 林燕，杨道宏.安全阀排汽的两种计算方法比较[J].科技创新导报，2009（29）：57?59.
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[7] 张鸣远.高等工程流体力学[M].西安：西安交通大学出版社，2006.
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[10] 中国电力企业联合会.电厂动力管道设计规范：GB50764?2012[S].北京：中国计划出版社，2012.
[11] 中国电力建设工程咨询公司.火力发电厂设计技术规程：L5000?2000[S].北京：中国标准出版社，2001.
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[13] 张兆顺，崔柱香.流体力学[M].北京：清华大学出版社，1998.
