三相分離器安全閥火災(zāi)泄放模擬計(jì)算研究

海洋石油工程股份有限公司設(shè)計(jì)院

安全閥作為石油化工設(shè)備最后一級(jí)安全保護(hù)設(shè)施，其泄放量的大小往往決定火炬管網(wǎng)和火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能力。通常情況下，需要考慮在火災(zāi)事故下對(duì)石油化工設(shè)備進(jìn)行安全保護(hù)，因此石化設(shè)備的安全閥設(shè)計(jì)和使用要考慮火災(zāi)事故的泄放工況并對(duì)泄放量進(jìn)行精確計(jì)算。

三相分離器處理的原油是一種多沸點(diǎn)的多元混合物，發(fā)生火災(zāi)時(shí)，原油中組分由沸點(diǎn)從低到高逐漸氣化[1]，汽化潛熱不斷變化，需要建立汽化潛熱與泄放時(shí)間的模型進(jìn)行計(jì)算。其安全閥定尺模擬常用方法有穩(wěn)態(tài)迭代模擬計(jì)算法，PSV Plus 半動(dòng)態(tài)（Semi-Dynamic）閃蒸法。由于這兩種方法采用近似動(dòng)態(tài)模擬方法，存在迭代次數(shù)限制，可能出現(xiàn)泄放峰值錯(cuò)峰和削峰現(xiàn)象，為此，本文基于HYSYS動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)[1-8]，開發(fā)出一種三相分離器安全閥動(dòng)態(tài)模擬方法，該方法無迭代步長(zhǎng)限制，可實(shí)時(shí)記錄安全閥泄放量、壓力、液位等參數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，模擬結(jié)果更接近于實(shí)際情況。

1 采油平臺(tái)工況

某海上采油平臺(tái)三相分離器直徑為5.5 m，長(zhǎng)度為14 m，操作溫度56 ℃，操作壓力1 100 kPa(G)，設(shè)計(jì)溫度90 ℃，設(shè)計(jì)壓力1 550 kPa(G)。原油處理量為130 m3/h，含水率為95%(體積分?jǐn)?shù))，氣油比11，根據(jù)氣液分離要求，分離器內(nèi)液相液位比例為50%，考慮油水停留時(shí)間要求，水相液位比例為10%。當(dāng)火災(zāi)工況發(fā)生時(shí)，設(shè)備周圍的火氣探頭將觸發(fā)報(bào)警并進(jìn)行生產(chǎn)關(guān)停，關(guān)閉分離器進(jìn)出口關(guān)斷閥，所以火災(zāi)工況下模擬考慮對(duì)該設(shè)備隔離并持續(xù)加熱。

2 模擬計(jì)算方法

2.1 穩(wěn)態(tài)迭代模擬計(jì)算法

穩(wěn)態(tài)迭代模擬法是一種近似模擬方法，迭代計(jì)算模型見圖1。模擬中物流的流量需要忽略時(shí)間變量，由于該方法需要人為設(shè)定閃蒸步長(zhǎng)，容易出現(xiàn)泄放峰值削平現(xiàn)象，模擬步驟如下：

（1）初始化氣液兩相物流?？截惙蛛x器出口油氣水三相出口物流組分、操作狀態(tài)，重新定義物流，使物流的實(shí)際體積流量為分離器氣、液的初始體積，混合三股物流得到分離器操作狀態(tài)的氣液體積，通過balance和adjust調(diào)整物流達(dá)到泄放狀態(tài)的壓力和溫度。

（2）建立溫升閃蒸模型。由于液相濕面積的影響，容器會(huì)不斷從外界吸熱，容器內(nèi)的流體從泄放初始狀態(tài)加熱到升溫后的安全閥設(shè)定壓力，模擬要保證罐內(nèi)氣液的實(shí)際體積之和V1與初始體積V初始一致，則從出口VENT-1讀出第一次閃蒸泄放質(zhì)量m(kg)，分離器剩余的混合氣液物流進(jìn)行第二次閃蒸操作。通過模擬讀出溫升所需的熱量Q(kJ)，根據(jù)分離器出口液相體積V液計(jì)算罐內(nèi)液相沾濕面積，根據(jù)q=43200FA0.82算出在該條件下容器受熱所吸收的熱量流量q，則第一次閃蒸所用時(shí)間，該時(shí)間內(nèi)安全閥泄放的平均質(zhì)量流量W=m/t(kg/h)。

（3）重復(fù)步驟（2），進(jìn)行第2 到n次閃蒸計(jì)算，為找到最大泄放量，在泄放峰值區(qū)域，需要逐漸減少溫升步長(zhǎng)（減至0.5 ℃）。

（4）泄放產(chǎn)生流動(dòng)為氣相臨界流動(dòng)，根據(jù)相應(yīng)規(guī)范公式（1），計(jì)算安全閥喉徑。

式中：A為所需泄放喉徑，mm2；W為所需泄放量，kg/h；c為比熱比系數(shù)；Kd為泄放系數(shù)；Kb為背壓修正系數(shù)；Kc合并系數(shù)；p1積聚泄放壓力，kPa；T為泄放溫度，℃；Z為壓縮因子；M為摩爾分子質(zhì)量。

2.2 PSV Plus半動(dòng)態(tài)閃蒸法

PSV Plus 半動(dòng)態(tài)閃蒸法類似于穩(wěn)態(tài)迭代計(jì)算，但是計(jì)算閃蒸步長(zhǎng)更小，可以將閃蒸次數(shù)增加至100次。模擬過程如下：

（1）根據(jù)穩(wěn)態(tài)迭代模擬計(jì)算法步驟（1）初始化物流后，進(jìn)入Safety Analysis 環(huán)境，輸入設(shè)備的設(shè)計(jì)壓力、溫度，建立火災(zāi)工況，選擇Semi-Dynamic Flash計(jì)算方法，輸入分離器尺寸、液位高度等數(shù)據(jù)。

（2）建立閃蒸模型。閃蒸模型近似于穩(wěn)態(tài)模型（圖2）。根據(jù)HYSYS確定容器的潤(rùn)濕表面面積，應(yīng)用q=43 200FA0.82算出在該條件下容器受熱所吸收的熱量流量q，求出閃蒸時(shí)間，則蒸汽產(chǎn)生速率為。

（3）根據(jù)物料進(jìn)出平衡，液相減少的質(zhì)量等于氣相閃蒸質(zhì)量，且閃蒸出的氣體需要補(bǔ)充液相體積的減少，所以實(shí)際泄放量修正為

圖1 穩(wěn)態(tài)迭代計(jì)算模型Fig.1 Steady iterative calculation model

（4）運(yùn)用公式（1），計(jì)算安全閥喉徑。

圖2 PSV Plus半動(dòng)態(tài)閃蒸法模型Fig.2 PSV Plus semi-dynamic flash model

2.3 HYSYS動(dòng)態(tài)模擬法

該方法基于HYSYS動(dòng)態(tài)模型，模型見圖3。在模型中建立火災(zāi)吸熱自動(dòng)計(jì)算表格，可實(shí)時(shí)反映安全閥泄放量、壓力、溫度、氣相比率、密度等各個(gè)參數(shù)隨時(shí)間的變化情況。動(dòng)態(tài)模型建立的主要過程如下：

（1）建立三相分離穩(wěn)態(tài)模型。分別設(shè)立PIC控制入口和氣相出口壓力，LIC 控制水相和油相壓力，根據(jù)工藝參數(shù)輸入設(shè)備參數(shù)、調(diào)節(jié)閥和安全閥參數(shù)，PIC和LIC控制參數(shù)。

（2）設(shè)置初始邊界條件。恒定分離器入口及出口流量，運(yùn)行模型至穩(wěn)定。

（3）利用Spread-Sheet，根據(jù)公式計(jì)算分離器的吸熱量，建立火災(zāi)工況Event Scheduler 事故邏輯控制，在火災(zāi)工況發(fā)生時(shí)關(guān)閉分離器入口、氣相和液相出口，并將火災(zāi)熱量傳至分離器，進(jìn)行閃蒸計(jì)算。

圖3 HYSYS動(dòng)態(tài)模型Fig.3 HYSYS dynamic model

（4）利用Strip Chart 監(jiān)測(cè)記錄分離器溫度、壓力、液位、安全閥開度、質(zhì)量流量等數(shù)據(jù)。

3 三種模擬計(jì)算結(jié)果

3.1 穩(wěn)態(tài)迭代模擬計(jì)算結(jié)果

穩(wěn)態(tài)迭代模擬計(jì)算結(jié)果見圖4。隨著泄放時(shí)間、泄放量逐漸增加，12 h 達(dá)到最大泄放量5 429 kg/h，泄放溫度為212 ℃，所需喉徑為H。由于每一次閃蒸都需要建立一個(gè)閃蒸模型，為了找到最大峰值，需要將溫升步長(zhǎng)調(diào)整為1 ℃甚至是0.5 ℃，每次閃蒸計(jì)算需要建立20～30 個(gè)閃蒸模型，建模和計(jì)算工作量較大，且只能得到泄放量、泄放溫度、泄放氣體組分?jǐn)?shù)據(jù)。

圖4 HYSYS穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果Fig.4 Simulation result of HYSYS steady

3.2 PSV Plus計(jì)算結(jié)果

PSV Plus 計(jì)算結(jié)果見圖5，從圖中看出在17 h達(dá)到最大泄放量5 274 kg/h，此時(shí)的泄放溫度為212 ℃，此后泄放量逐漸減小。在26 h泄放量又開始增大，在28 h時(shí)泄放溫度達(dá)到設(shè)備最大承受壁溫593 ℃，此后設(shè)備有破損風(fēng)險(xiǎn)，安全閥已無保護(hù)意義，計(jì)算自動(dòng)停止。該方法計(jì)算所需喉徑也為H，計(jì)算結(jié)果僅有泄放量、泄放溫度、泄放氣體物性數(shù)據(jù)。

圖5 PSV Plus半動(dòng)態(tài)閃蒸計(jì)算結(jié)果Fig.5 Calculation result of PSV Plus semi-dynamic flash

3.3 HYSYS動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果

選擇G、H、J三個(gè)喉徑進(jìn)行安全閥定尺試算，結(jié)果見圖6～圖8。從圖中看出，該方法能實(shí)時(shí)記錄泄放溫度、泄放量、安全閥開度、罐內(nèi)液位高度、泄放壓力等數(shù)據(jù)，且泄放峰值反映及時(shí)準(zhǔn)確。

在泄放10 h 時(shí)，壓力和泄放量出現(xiàn)第一個(gè)峰值，在35 h左右出現(xiàn)第二個(gè)峰值，此時(shí)的泄放溫度達(dá)到630 ℃左右，設(shè)備可能出現(xiàn)破損，安全閥失去保護(hù)意義，所以選擇第一個(gè)峰值量作為火災(zāi)泄放量。

G喉徑下，安全閥在8～11 h達(dá)到全開，全開時(shí)最大壓力達(dá)到2 230 kPa(G)，超過了罐體最大承壓，安全閥失去保護(hù)作用，所以G喉徑不滿足安全泄放要求。

H喉徑下，在10 h 出現(xiàn)峰值壓力為1 848 kPa(G)，小于罐體最大承壓，此時(shí)安全閥開度為95%，基本達(dá)到全開狀態(tài)，峰值泄放量為5 248 kg/h，對(duì)應(yīng)的泄放溫度為211 ℃。

圖6 G 喉徑下HYSYS動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果Fig.6 HYSYS dynamic result at G type nozzle throat

圖7 H 喉徑下HYSYS動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果Fig.7 HYSYS dynamic result at H type nozzle throat

圖8 J 喉徑下HYSYS動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果Fig.8 HYSYS dynamic result at J type nozzle throat

表1 三種模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.1 Comparison of three simulation&calculation results

J喉徑下，10 h 時(shí)峰值壓力和泄放量分為1 686 kPa(G)、5 335 kg/h，此時(shí)安全閥開度也達(dá)到最大，為65%，安全閥尺寸選擇明顯過大。

3.4 三種方法的對(duì)比分析

對(duì)比三種計(jì)算方法結(jié)果（表1）可以看出：①三種方法得出的最大泄放量、泄放溫度、安全閥尺寸上基本相同；②由于HYSYS 穩(wěn)態(tài)和PSV Plus計(jì)算閃蒸迭代次數(shù)的限制，在泄放峰值附近數(shù)據(jù)較少且不連續(xù)，得出的最大峰值可能出現(xiàn)錯(cuò)峰現(xiàn)象，并且導(dǎo)致最大峰值出現(xiàn)的時(shí)間不準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

由于安全閥火災(zāi)泄放常用兩種計(jì)算方法（穩(wěn)態(tài)迭代模擬計(jì)算法、PSV Plus半動(dòng)態(tài)閃蒸法）存在一些缺點(diǎn)，開發(fā)了一種三相分離器HYSYS 動(dòng)態(tài)模擬法，并對(duì)這三種計(jì)算方法進(jìn)行對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

（1）從安全閥尺寸上，三種方法計(jì)算結(jié)果相同，均為H喉徑。

（2）從閃蒸次數(shù)上，HYSYS 動(dòng)態(tài)模擬＞PSV Plus半動(dòng)態(tài)閃蒸＞穩(wěn)態(tài)迭代模擬計(jì)算，HYSYS動(dòng)態(tài)模擬無次數(shù)限制，避免人為設(shè)定閃蒸單元造成的錯(cuò)峰和峰值削平現(xiàn)象，結(jié)果最精確。

（3）動(dòng)態(tài)模擬方法可以實(shí)時(shí)反應(yīng)泄放過程中工藝參數(shù)變化過程，模擬參數(shù)最為接近實(shí)際泄放狀態(tài)，因此在工程設(shè)計(jì)中推薦使用HYSYS 動(dòng)態(tài)模擬方法進(jìn)行安全閥火災(zāi)泄放計(jì)算。