ขนาดวาล์วระบายแรงดัน (Relief Valve — API 520)

1. มาตรฐาน API 520 / 521 / 526 — ภาพรวม

API Standard 520 Part I “Sizing, Selection, and Installation of Pressure-Relieving Devices” — สูตรคำนวณขนาด orifice ของ PSV / PRV สำหรับการระบายทุกประเภท

API Standard 521 “Pressure-Relieving and Depressuring Systems” — กำหนดปริมาณที่ต้องระบายในแต่ละเหตุการณ์ เช่น เพลิงไหม้ ทางออกถูกปิด (blocked outlet) การขยายตัวจากความร้อน และวาล์วควบคุมขัดข้อง

API Standard 526 “Flanged Steel Pressure Relief Valves” — มาตรฐานขนาด orifice แบบตัวอักษร (D, E, F, … T, T2) ที่ผู้ผลิตทุกรายใช้ จึงสับเปลี่ยนกันได้

2. เหตุการณ์ระบาย (Relief scenarios)

• ก๊าซ / ไอ: API 520 §5.6 — ตรวจการไหลแบบ choked จากอัตราส่วนความดันวิกฤต $r_c=(2/(k+1){)}^{k/(k-1)}$ ถ้า P_back / P_relief ≤ r_cการไหลถึงความเร็วเสียงที่คอวาล์ว ไม่อย่างนั้นเป็น subsonic และต้องใช้ตัวแก้ F2
• ของเหลว: API 520 §5.8 — Bernoulli (ไม่อัดตัว) + ตัวแก้ความหนืด Kv สำหรับของเหลวหนืดสูง
• ไอน้ำ: API 520 §5.7 — สูตร Napier สำหรับไออิ่มตัว ที่ความดันสูงกว่า 10.3 MPa ต้องใช้ตัวแก้ Kn
• เพลิงไหม้: API 521 §4.4.13.2.5.2 — ขั้นก่อนหน้า คำนวณความร้อน $Q=C\cdot F\cdot A_w^{0.82}$ จากพื้นที่ผิวเปียก แล้วนำไปหาขนาดแบบก๊าซ / ของเหลว / ไอน้ำ ตามของไหลในถัง

3. เพลิงไหม้ — พื้นที่ผิวเปียกและ h_fg

พื้นที่ผิวเปียก (A_w) คือพื้นผิวภายในถังที่สัมผัสของเหลว — พื้นที่ที่ไฟภายนอกถ่ายเทความร้อนเข้าไประเหยของเหลว เครื่องนี้รองรับ 3 รูปทรง:

• ทรงกระบอกแนวตั้ง: $A_w=\pi D{h}_{liquid}+\pi D^2/4$
• ทรงกระบอกแนวนอน: $\theta ={\cos }^{-1}\left(\frac{r-h}{r}\right)$; $A_{body}=2r\theta L,A_{heads}=2r^2(\theta -\sin \theta \cos \theta )$
• ทรงกลม: $A_w=\pi D{h}_{liquid}$

ความร้อนแฝง (h_fg): แปลงความร้อน Q เป็นอัตราการระบาย $\dot{m}=Q/h_{fg}$ ค่าในตารางเป็นค่าที่จุดเดือดปกติ (1 atm) — ที่ความดันระบายสูง ค่าจริงต่ำกว่านี้ ใช้เครื่องคำนวณ Steam Tables สำหรับน้ำ

4. ตัวประกอบแก้ค่า (Correction factors)

• Kd — สัมประสิทธิ์การไหลออก: 0.975 วาล์วสปริง · 0.85 balanced bellows · 0.65 ของเหลว — ใช้ค่าที่ผู้ผลิตรับรอง
• Kb — ตัวแก้ความดันย้อนกลับ (back pressure): 1.0 เมื่อ P_back/P_set < 30% ถ้าเกิน 50% ใช้ balanced bellows หรือ pilot-operated
• Kc — ตัวประกอบรวมเมื่อมี rupture disk ต้นทาง: 1.0 ไม่มี · 0.9 มี (ASME certified)
• Kv — ตัวแก้ความหนืด (ของเหลว) จาก Re ที่คอวาล์ว: 1.0 เมื่อ Re > 100,000
• Kn — ตัวแก้ Napier (ไอน้ำความดันสูง): 1.0 เมื่อ P < 10.3 MPa abs
• Ksh — ตัวแก้ไอดง: 1.0 สำหรับไออิ่มตัว ลดลงตาม API 520 Table 9

5. ขนาดมาตรฐาน API 526 (D–T2)

ขนาด orifice มาตรฐานมี 15 ตัวอักษร ตั้งแต่ D (เล็กสุด 71 mm²) ถึง T2 (ใหญ่สุด 25,800 mm²) หลังคำนวณพื้นที่ที่ต้องการแล้ว เลือกขนาดถัดไปที่ใหญ่กว่า

6. ตรวจสอบอะไรแล้ว และอะไรยังไม่ได้ตรวจ

เทียบกับมาตรฐานโดยอิสระ — ไอน้ำ (API 520-I §5.7, Napier): ค่าคงที่ SI 190.4 ให้พื้นที่เท่ากับสูตรแบบ US ของมาตรฐาน (51.5 lb/(h·in²·psia)) ภายใน 0.1% — W = 20,000 kg/h, set 1,000 kPag, Kd 0.975 → A ≈ 3,251 mm² กรณีก๊าซตรวจได้ว่าค่าคงที่ C(k) แบบ SI (0.03948) แปลงจากค่า 520 ของสูตร US ถูกต้อง

ค่าที่คำนวณด้วยมือจากสมการ API 520/521 (ยืนยันว่าโค้ดคำนวณตามสมการ ไม่ใช่การเทียบกับตัวอย่างที่มาตรฐานตีพิมพ์): โพรเพน choked → ≈ 1,875 mm² → ขนาด M · ของเหลว 1,800 GPM ΔP 200 psi → ≈ 2,939 mm² → ขนาด P · ไอน้ำ 6 barg 20 t/h → ≈ 5,131 mm² · เพลิงไหม้ Q ≈ 3,095 kW ที่ A_w = 100 m²

ผลของกรณีก๊าซ ของเหลว และเพลิงไหม้ จึงเป็นค่าตามวิธีมาตรฐานที่ยังไม่ได้เทียบกับตัวอย่างตีพิมพ์ — ตรวจกับ datasheet ของผู้ผลิตวาล์วก่อนใช้งาน

7. ข้อจำกัด

• การระบายสองเฟส / flashing ยังไม่รองรับ — ใช้ omega method หรือ HEM ตาม API 520 §5.10
• เส้นโค้ง Kw ของ balanced bellows ยังไม่ได้ทำ — ใช้ Kw = 1.0
• ท่อทางเข้า / ทางออก — คำนวณแยกในเครื่อง API 520-II