ASPEN PLUS在安全閥計算中的應用

孫義峰

（天津市化工設計院，天津300193）

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·計算機應用·

ASPEN PLUS在安全閥計算中的應用

孫義峰

（天津市化工設計院，天津300193）

摘要：超壓泄放系統(tǒng)是石油化工裝置不可缺少的安全配套設施。由于安全閥計算涉及物性參數(shù)較多，計算量較大，使其選型成為一個比較復雜的問題。本文介紹了流程模擬軟件——Aspen Plus，及其在安全閥泄放量和選型計算中應用。

關鍵詞：Aspen Plus，安全閥計算

在石油化工裝置的設計工作中，安全生產(chǎn)是首要考慮因素。依據(jù)我國現(xiàn)行標準要求，標準適用范圍內(nèi)的容器在操作過程中可能出現(xiàn)超壓時，應按該標準要求配備超壓泄放裝置［1］（泄放裝置包括安全閥、爆破片及安全閥與爆破片組合裝置，本文僅以安全閥為例介紹）。超壓是由于物料和能量的正常流動出現(xiàn)不平衡或異常造成的，超壓將引起物料或能量，或者二者在系統(tǒng)某部分積聚［2］。在石油化工生產(chǎn)過程中，為了防止由于其它事故，造成生產(chǎn)系統(tǒng)壓力超過容器和管道的設計壓力，而發(fā)生爆炸事故，應在容器或管道上設置安全閥［3］。

化工流程模擬軟件可分為穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)模擬兩種，通常所說的化工流程模擬軟件多指穩(wěn)態(tài)模擬。由于穩(wěn)態(tài)模擬軟件應用的普遍性，以及設計思維的一貫性，本文并未討論動態(tài)模擬軟件計算安全閥的方法。

1　Aspen Plus軟件簡介

Aspen Plus是一個生產(chǎn)裝置設計、穩(wěn)態(tài)模擬和優(yōu)化的大型通用流程模擬系統(tǒng)，其具有強大的物性數(shù)據(jù)庫資源，自身擁有兩個通用的數(shù)據(jù)庫Aspen CD （Aspen Tech公司自己開發(fā)的數(shù)據(jù)庫）和DIPPR（美國化工協(xié)會物性數(shù)據(jù)設計院的數(shù)據(jù)庫），還有多個專用數(shù)據(jù)庫。Aspen Plus同時有美國國家標準與技術研究院（NIST）及德國德西瑪-化學工程與技術協(xié)會（DECHEMA）數(shù)據(jù)庫的合作支持。Aspen Plus是唯一獲準與DECHEMA數(shù)據(jù)庫接口的軟件，該數(shù)據(jù)庫收集了世界上最完備的氣液平衡和液液平衡數(shù)據(jù)。Aspen Plus擁有50多種單元操作模塊，用于模擬各種操作過程，通過這些模塊和模型的組合可以模擬用戶所需要的流程。

2　安全閥計算

安全閥的選型計算可參照原化工部發(fā)布的行業(yè)標準HG/T 20570-95《工藝系統(tǒng)工程設計技術規(guī)定》的第2部分HG/T 20570.2-95《安全閥的設置和選用》。還可借鑒的國外標準有美國API標準（API RP521《泄壓和減壓系統(tǒng)指南》；API RP520《煉油廠壓力泄放裝置的尺寸確定、選擇和安裝》）

安全閥的選型為石油化工企業(yè)安全生產(chǎn)的必要保障，也是最后一道保障，安全閥的選型計算的準確性，同樣應該引起高度重視。安全閥的選型計算，應先求出設備或管道在各種可能產(chǎn)生超壓的工況下的泄放量，然后根據(jù)算出的單一工況計最大泄放量求出最小泄放面積，以最小泄放面積作為依據(jù)，進行安全閥的選型，使所選安全閥的實際排放面積等于或大于計算所需面積。整個計算過程需要很多工藝參數(shù)，設計參數(shù)的取值需要應用繁瑣的經(jīng)驗公式，或直接采用經(jīng)驗值，這樣增加了安全閥選型的不確定性和生產(chǎn)操作的危險性。而利用模擬軟件對工藝過程進行模擬，從中調(diào)取工藝參數(shù)，則可減小工藝參數(shù)計算偏差，節(jié)省計算時間。

2.1泄放量的計算

一般造成超壓的原因有三種，應對火災、操作、設備三類事故狀態(tài)的分析，確定其可能發(fā)生的幾種事故狀態(tài)，對每個安全閥分別進行幾種事故狀態(tài)下的最大排放量計算，并比較出一種具有最大排放量的工況，它就是該安全閥的排放工況及其排放量。手冊及標準中列舉了安全泄放裝置的各種超壓工況，并指出了各種工況下確定泄放量的一般性原則和計算方法。《石油化工設計手冊第4卷工藝和系統(tǒng)設計》在借鑒美國API標準的前提下，充分考慮了工程處理和我國相關規(guī)范，提出了更為安全的推薦方法。本文僅對幾個限定工況的計算方法進行討論，不涉及完整的選型過程。

2.1.1塔頂回流故障工況

以《石油化工設計手冊第4卷工藝和系統(tǒng)設計》中例5.5-5為例，例題要求計算催化裂化裝置汽油穩(wěn)定塔在塔頂回流故障時的安全閥泄放量。在此工況下的排放量是在正常溫度下第一塊塔板處產(chǎn)生的蒸汽量，手冊在設置一定假設的情況下對該塔頂部進行物料衡算和能量衡算，最后得出泄放量。當前設計行業(yè)，流程模擬軟件的應用已經(jīng)非常廣泛，該汽油穩(wěn)定塔流程在安全閥選型前一般已計算收斂，在相應模塊中引出該塔板的虛擬物流即可。以Aspen Plus中RadFrac模塊為例，塔設備中增加一個虛擬物流，在Report-Pseudo Streams表頁設置虛擬物流連接位置Intermal stream stage為2（如RadFrac未配置冷凝器，則該選項設置為1），相態(tài)Phase設置為Vapor，如圖1所示。

圖1　虛擬物流設置

再次運行收斂后，查看相應的物流結(jié)果即可看到泄放量。筆者認為實際設計時，還應考慮設計負荷的裕量系數(shù)，以確定該工況的最終泄放量。

2.1.2火災工況

以《石油化工設計手冊第4卷工藝和系統(tǒng)設計》中例5.5-1為例，例題要求計算一個臥式丙烷貯罐，在火災工況下的泄放量。貯罐外壁不保溫，有良好的消防系統(tǒng)保護，附近有良好的下水系統(tǒng)。根據(jù)已知條件可知應安全閥所需排放量計算公式為：

式中 G——安全閥所需的泄放量，kg/h；

F——容器外壁校正系數(shù)；

A——容器濕表面積，m2；

L——液體在泄壓工況濕的氣化潛熱，kJ/kg。

圖2　氣化潛熱計算流程示意圖

其中參數(shù)F可根據(jù)標準、手冊進行取值，參數(shù)A可根據(jù)標準、手冊的計算方法進行計算。參數(shù)L為流體的物性參數(shù)，若流體為單質(zhì)，可在相關物性手冊中查詢，略為簡便；若流體為混合物，則根據(jù)需要相關手冊中推薦的計算公式進行計算。利用模擬軟件可通過簡單的設置即可得到準確的結(jié)果，以Aspen Plus為例，輸入組分并設置適當?shù)臒崃W模型后，建立如圖2所示流程。流程共設置兩個閃蒸罐模型和五個流股，流股F可根據(jù)罐內(nèi)的操作條件設置，流量可設置為1kg/h。FLASH1模型設置壓力為安全閥的入口壓力，手冊中計算值為2.112MPaG，另設置閃蒸罐的氣化分率為0；FLASH2模型同樣設置壓力為安全閥的入口壓力，另設置閃蒸罐的氣化分率為1，如圖3、圖4所示。運行收斂后，查看FLASH2模型計算結(jié)果，Results-Summary表頁中Heat duty項的顯示的數(shù)值即為氣化潛熱（在物流F流量設置為1kg/h，Heat duty單位設置為kJ/h的前提下）。這樣，泄放量計算公式涉及參數(shù)已全部確定，經(jīng)簡單計算即可得到結(jié)果。

圖3　模型FLASH1設置示意圖

圖4　模型FLASH2設置示意圖

2.2最小泄放面積的計算

以計算泄放氣體介質(zhì)的安全閥為例，氣體通過安全閥噴嘴時，其速度和比容隨下游壓力的減小而增大，一直增大到極限速度為止，此極限速度即為該氣體的聲速，相當于極限速度的相應流率稱為臨界流率。計算安全閥最小泄放面積，首先應對流動狀態(tài)進行辨別，如果背壓滿足下式即為臨界流動，否則為亞臨界流動。

式中P0---安全閥背壓力（MPa）

Pf----安全閥的泄放壓力（MPa）

k----氣體的絕熱指數(shù)

臨界流動狀態(tài)下最小泄放面積計算公式為：

式中 A---安全閥需要的最小泄放面積（mm2）

G---安全閥的排放量（kg／h）

Z---氣體壓縮系數(shù)（kg/h）

Tf----安全閥的泄放溫度（K）

K----安全閥的泄放系數(shù)

Pf----安全閥的泄放壓力（MPa）

M---氣體相對分子質(zhì)量

C---氣體特性系數(shù)，或按下式求取：

以上兩個公式的各項參數(shù)中，氣體絕熱指數(shù)k、氣體壓縮系數(shù)Z、安全閥的泄放溫度Tf、氣體相對分子質(zhì)量M等參數(shù)，對于混合物而言，一般需要查詢物性手冊取得單質(zhì)物性參數(shù)，并利用混合物參數(shù)的計算公式進行計算，過程繁瑣容易出錯，而采用模擬軟件相對簡單易得。式中涉及的其他參數(shù)一般可在相關標準、手冊中查得，這里不再贅述。

以液化烴貯罐為例計算泄放面積，同樣采用圖2示意的流程，參照2.1.2中的模型參數(shù)設置方法，物流F的數(shù)據(jù)可按泄放源的操作條件和組成進行輸入。在Aspen Plus中，流股的結(jié)果并不體現(xiàn)氣體絕熱指數(shù)、壓縮系數(shù)等參數(shù)，需要在Properties/Prop-Sets項中新建一個物性集，并加入如圖5所示的性質(zhì)參數(shù)。其中CPCVMX對應氣體絕熱指數(shù)，ZMX對應氣體壓縮系數(shù)，TBUB對應泡點溫度（對液化烴而言，泄放壓力下的泡點溫度即為泄放溫度），MWMX對應相對分子質(zhì)量。設置完畢后，還需在Setup/Re?port Options/Stream表中，將新設定的物性集添加到運行結(jié)果顯示中。這樣，在運行收斂后，在物流V1的計算結(jié)果中可直接讀取計算最小泄放面積所需的各個物性參數(shù)。

圖5　物性集設置示意圖

亞臨界流動狀態(tài)下最小泄放面積計算公式為本文不予討論，可參考上述方法使用。本文未涉及到的安全閥系統(tǒng)設計內(nèi)容請參考相關標準、手冊［1～4］。本文并不涉及詳細的模擬軟件使用過程，如有需要可參考相關書籍［5，6］進行設置。

3 結(jié)論

在安全閥的選型計算中，借助成熟可靠的流程模擬軟件進行取值計算，不僅縮短了選型計算的時間與人力，大大提高了工作效率，而且提高了設計的準確度，充分保證安全閥的正常工作，為安全生產(chǎn)更添一份保障。

參考文獻：

［1］GB 150-2011壓力容器［S］.

［2］API520 Sizing，selection and installation of pressure-relieving de?vices in refinerier［S］.

［3］王松漢.石油化工設計手冊第4卷工藝和系統(tǒng)設計［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2002.403～443.

［4］API521 Guide for pressure-relievingand depressuringsystems［S］.

［5］孫蘭義.化工流程模擬實訓——Aspen plus教程［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2012.

［6］包宗宏，武文良.化工計算與軟件應用［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2013.

doi：10.3969/j.issn.1008-1267.2016.01.019

中圖分類號：TP319

文獻標志碼：B

文章編號：1008-1267（2016）01-0055-04

收稿日期：2015-09-02