海洋平臺壓力容器安全閥最大泄放量的確定

劉 茜，李春磊

(1.勝利石油管理局 科技處，山東 東營257001;2.勝利油田勝利勘察設(shè)計研究院，山東 東營257026)

壓力容器在事故工況下最大泄放量是安全閥選型的關(guān)鍵參數(shù)，通常情況下，容器出口堵塞工況和火災(zāi)工況引起的安全閥泄放量往往達到最大值。對于容器出口堵塞工況，安全閥所需要的泄放量等于入口流體的流量。而在火災(zāi)工況下，對于像原油這樣的多組分物質(zhì)，其最大泄放量的計算相當復(fù)雜。本文結(jié)合埕島油田中心三號平臺三相分離器的安全閥計算，探討安全閥在火災(zāi)工況下最大泄放量的計算方法。

1 火災(zāi)工況最大泄放量的計算方法

1.1 圖解法

火災(zāi)工況下，安全閥的最大泄放量可以利用式(1)［1］進行計算。

式中:F——環(huán)境系數(shù)，在不保溫的情況取1.0;當保溫層厚度為30 mm時，取0.4;當保溫層厚度為50 mm時，取0.3;當保溫層厚度為80 mm時，取0.2;當保溫層厚度大于100 mm，取0.1;

A——沾濕面積，按容器內(nèi)液位高度等于正常液位的沾濕面積考慮，m2;

Hl——液體的汽化潛熱，kJ/kg。

圖解法的關(guān)鍵在于汽化潛熱Hl的確定。采用圖解法查取如異構(gòu)烴、芳香烴和環(huán)烷烴混合物的汽化潛熱的圖，利用計算的泄放溫度和泄放壓力就可以從圖中查出潛熱［2］。

1.2 HYSYS動態(tài)模擬法

利用HYSYS軟件動態(tài)模擬分離器在火災(zāi)工況下的整個泄放過程，大致步驟如下。

1)在HYSYS中建立起壓力容器泄壓模型，利用調(diào)節(jié)閥來模擬安全閥泄放。

2)根據(jù)實際情況，設(shè)定好容器、閥門以及物流的各種參數(shù)值，利用HYSYS中的電子表格計算火災(zāi)輸入熱量并加給容器。

3)在動態(tài)分析圖表中加入容器出口氣體的質(zhì)量流量、絕熱指數(shù)、壓縮因子、相對分子量、泄放壓力、泄放溫度等參數(shù)，然后運行模型，查看這些參數(shù)隨時間的變化關(guān)系。

4)選取容器出口氣體最大泄放流量以及該流量對應(yīng)的氣體溫度、壓縮因子、絕熱指數(shù)、分子量等參數(shù)作為安全閥泄放面積的計算基礎(chǔ)參數(shù)。

HYSYS動態(tài)模型見圖1。

圖1 HYSYS動態(tài)模型

1.3 HYSYS靜態(tài)模擬法

使用HYSYS軟件進行靜態(tài)模擬的基本思路是控制進入分離器的油、氣、水的總?cè)莘e為實際使用容器的容積，計算出加熱的熱量，并將熱量加給容器。然后給定一個時間段(如10 min)，此時可以得出從容器泄放出的氣體量，依次類推，可以計算出以后無數(shù)個10 min內(nèi)泄放出的氣體量，選在10 min內(nèi)泄放氣體體積最多的一段，再分成更小的時間段(如1 min)求出最大值，即認為1 min內(nèi)的平均值為安全閥的最大泄放量。

HYSYS靜態(tài)模型見圖2。

圖2 HYSYS靜態(tài)模型

2 安全閥火災(zāi)工況下最大泄放量

2.1 計算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1)勝利油田埕島中心三號平臺三相分離器為臥式，直徑4 m，長度16 m，容積200 m3，分離器中正常操作液位2 m，操作壓力350 kPa，操作溫度為40℃，安全閥設(shè)定壓力為700 kPa。

2)平臺原油的基本物性見表1。

表1 原油基本物性表

2.2 計算結(jié)果

分別采用圖解法、HYSYS靜態(tài)模擬法、HYSYS動態(tài)模擬法計算安全閥的泄放量，安全閥型號為1.5G2和1.5F2，結(jié)果見表2。

2.3 計算分析

1)采用圖解法得到的最大泄放量遠大于采用HYSYS動態(tài)或靜態(tài)模擬結(jié)果，這主要是因為采用圖解法求解時，假定分離器中的液體為異構(gòu)烴、芳香烴以及環(huán)狀烴或組分分子質(zhì)量差別不大的烷烴混合物。然而，分離器中實際流體的物性與假定的流體物性有較大的差別。例如，水在泄放壓力和泄放溫度下的汽化潛熱是2 206 kJ/kg，而根據(jù)圖解法得到的液體混合物汽化潛熱為280 kJ/kg，兩者差值很大，從而造成計算得到的最大泄放量差別很大。

表2 三種方法的模擬計算結(jié)果

2)采用HYSYS動態(tài)模擬和靜態(tài)模擬都能夠模擬出最大泄放量下的氣體分子量M值以及氣體的絕熱指數(shù)K值，然而圖解法則無法獲得這些參數(shù)。

3)從HYSYS動態(tài)模擬結(jié)果還可以看出，對于像分離器等油氣水處理設(shè)備來說，在發(fā)生火災(zāi)的過程中，氣體泄放量可能存在兩個峰值。第一個峰值是水大量氣化時對應(yīng)的峰值，第二個是原油大量氣化時對應(yīng)的峰值，且兩者之間的時間間隔較長。這主要是因為水的沸點遠低于原油的平均沸點，因此，首先大量汽化的是水而不是原油，原油則需要在此之后較長時間才能達到泄放峰值。

3 結(jié)論

1)對于容器中介質(zhì)為異構(gòu)烴、芳香烴和環(huán)烷烴混合物或組分分子質(zhì)量差別不大的烷烴混合物以及純單組份(如液化天然氣、乙炔等)液態(tài)烴時，推薦采用圖解法進行求解。而對于含水原油容器火災(zāi)工況的計算，圖解法不太合適，計算得到的安全閥泄放面積偏大，不經(jīng)濟。

2)HYSYS靜態(tài)模擬也能夠近似地模擬出火災(zāi)工況下的最大泄放量等參數(shù)，但該方法的工作量很大，且有時候很難找到真正的最大泄放量，因此不建議只使用該方法進行壓力容器火災(zāi)工況下的安全閥計算，應(yīng)采用其它方法進行校核。

3)使用HYSYS動態(tài)模擬方法能夠準確地模擬出壓力容器火災(zāi)工況下各種參數(shù)隨時間的變化關(guān)系，從而為安全閥泄放面積的計算提供準確的基礎(chǔ)參數(shù)。因此，對于像三相分離器等油水處理設(shè)備，建議采用HYSYS動態(tài)模擬的方法進行模擬計算。

4)在進行壓力容器火災(zāi)工況安全閥估算時，對于容器中原油含水較多(大于10%)的情況，可近似地取泄放工況下水的汽化潛熱、分子量、絕熱指數(shù)等參數(shù)作為安全閥泄放面積計算的基礎(chǔ)參數(shù)，這樣可以大大簡化模擬和計算過程，同時還能夠得到較為準確的結(jié)果。

［1］中國海洋石油總公司中海石油研究中心開發(fā)設(shè)計院.SY/T 10044-2002煉油廠壓力泄放裝置的尺寸確定、選擇和安裝的推薦作法［S］.北京:石油工業(yè)出版社，2003.

［2］馮傳令，楊 勇.原油容器安全閥火災(zāi)工況泄放量動態(tài)模擬［J］.石油工程建設(shè)，2006，32(6):9-12.