多組分液體容器安全閥火災(zāi)工況下泄放量的計(jì)算

高 桐，王增輝

(中海油石化工程有限公司,山東 青島 266101)

化工系統(tǒng)有裝置操作壓力高，化工物料可燃易爆的特點(diǎn)。從工廠設(shè)備中滲漏出來的可燃物質(zhì)一旦遇到明火就很容易引起火災(zāi)。而在火災(zāi)中釋放的熱量會以輻射或者直接傳熱的形式被容器吸收，容器和管道內(nèi)的物料很容易因?yàn)槲鼰岫w積增大，使系統(tǒng)發(fā)生超壓，產(chǎn)生爆炸事故[1-2]。為了避免超壓事故，在設(shè)計(jì)盛放液體的容器的安全閥時(shí)，要根據(jù)容器內(nèi)氣化產(chǎn)生量來計(jì)算容器安全閥的泄放量。在API-520，API-521中規(guī)定[3-4]，對于沒有足夠消防保護(hù)措施和有能及時(shí)排走地上泄露的物料時(shí)，容器的泄放量為：

(1)

式中：W—容器的泄放量，kg/kg；

Ht—釋放壓力和溫度下的混合物中的氣化潛熱，kJ/kg；

F—環(huán)境系數(shù)；

A—總濕潤面積，m2。

火災(zāi)工況下安全閥的計(jì)算中，如果容器內(nèi)存儲的是多組分液體，則計(jì)算較為復(fù)雜。這是因?yàn)槎嘟M分液體容器安全閥的泄放過程是一個(gè)寬沸點(diǎn)油品蒸餾的過程。初餾點(diǎn)和終餾點(diǎn)分別近似于最輕和最重組分在泄放壓力下的沸點(diǎn)。在整個(gè)過程中，氣相組分，液相組分，物料溫度和氣化潛熱都隨著時(shí)間變化，無法選取最合適的氣化潛熱[5]。除此之外，容器的吸熱量不僅用于蒸發(fā)液體，也用于使容器內(nèi)液相的升溫和克服混合效應(yīng)。氣體泄放的最大量不僅取決于吸熱率，也取決于容器內(nèi)各種組分的實(shí)際組成。

為了更準(zhǔn)確的計(jì)算火災(zāi)工況下多組分液體容器的安全閥泄放，本文推薦兩種計(jì)算方法。

1 計(jì)算方法

1.1 通過多級閃蒸模擬安全閥泄放

針對多組分混合物壓力容器，文獻(xiàn)[6]介紹了一種多級連續(xù)閃蒸方法計(jì)算火災(zāi)工況下安全閥的泄放量。這種方法將連續(xù)閃蒸過程拆分為多級閃蒸，將每一級的熱吸收量與產(chǎn)生的氣體量的比值作為這一級產(chǎn)生氣體的氣化潛熱。由于工程設(shè)計(jì)中對于窄餾分，可以近似認(rèn)為液相溫度無變化，忽略混合效應(yīng)。因此對于每一級閃蒸，計(jì)算所得的氣化潛熱都是比較準(zhǔn)確的。該方法在國外工程公司廣泛使用[6]。

1.2 引入時(shí)間變量的動態(tài)模型

容器的總熱吸收不僅引起汽化，而且提高了容器中殘留液的溫度，使其保持在沸點(diǎn)溫度。在這個(gè)過程中，還會有溶解的蒸汽受熱后從液體中釋放出來，由于這個(gè)過程屬于分離或者脫氣過程，將這部分熱量計(jì)入潛熱效應(yīng)是不合理的。因此，對于這些或其他有著寬沸點(diǎn)范圍的多元混合物，建立一與時(shí)間有關(guān)的模型可以增加計(jì)算最大泄放量的準(zhǔn)確性[5,7]。

2 復(fù)雜組成緩沖罐的安全閥計(jì)算

為了能夠比較兩種方法的計(jì)算，現(xiàn)選用某存放復(fù)雜組成物流的緩沖罐進(jìn)行安全閥設(shè)計(jì)，緩沖罐為立式容器，高度為6200 mm,直徑為2400 mm,高高液位為4500 mm。該容器在工作中處于沒有保溫，周圍也沒有噴淋與防火設(shè)施的環(huán)境中。為了能更深入的分析兩種計(jì)算方法，本文設(shè)計(jì)兩種物料，對不同組成立式罐(表1)的情況進(jìn)行安全閥火災(zāi)工況的泄放模擬。

表1 立式緩沖罐組成

2.1 通過選擇合適的汽化潛熱修正計(jì)算過程

通過HYSYS軟件來模擬該混合物在釋放壓力下的多級閃蒸，在釋放壓力下進(jìn)行閃蒸，每一級都要吸收足夠的熱量以確?？梢哉舫鐾瑯拥臍庀嗔浚敝琳舾?。

圖1 多級閃蒸模擬模型

從模擬中得到的氣化潛熱結(jié)果如表2、3。

表2 工況一多級閃蒸法計(jì)算結(jié)果

表3 工況二多級閃蒸法計(jì)算結(jié)果

對于工況一，整個(gè)蒸發(fā)過程吸熱量逐漸升高，蒸發(fā)焓也呈現(xiàn)出逐步升高的結(jié)果，但在最后一級蒸發(fā)時(shí)突然降低。這是由于罐內(nèi)的重組分集中留在最后一級蒸發(fā)。虛擬參數(shù)A0的最大值出現(xiàn)在第一級蒸發(fā)時(shí)，因此，選擇氣化溫度為108.4℃時(shí)的蒸發(fā)焓作為計(jì)算基準(zhǔn)，得到的泄放量為22441 kg/h。

對于工況二，整個(gè)蒸發(fā)過程的吸熱量逐級降低，蒸發(fā)焓也逐級降低，虛擬參數(shù)A0的最大值出現(xiàn)在最后一級蒸發(fā)時(shí)。因此，選擇氣化溫度為222℃時(shí)的蒸發(fā)焓作為計(jì)算基準(zhǔn),得到的泄放量為22030 kg/h。

2.2 采用HYSYS動態(tài)模擬計(jì)算安全閥泄放量

圖2 動態(tài)模擬模型

使用HYSYS軟件可以對這個(gè)過程進(jìn)行相對準(zhǔn)確的動態(tài)模擬，其模型見圖2。首先需要模擬容器在正常運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)。在靜態(tài)模擬模式下建立氣液分離罐模型，在液相物流設(shè)置調(diào)節(jié)閥VLV-100及液位控制，設(shè)置罐的體積參數(shù)與液位控制值，在動態(tài)模擬模式下將罐充至正常條件下的運(yùn)行液位。

將罐的進(jìn)料與液相出料流量調(diào)至0，增加熱量輸入，輸入值按照API520的規(guī)定設(shè)定為罐濕潤面積的函數(shù)。為氣相物流設(shè)置壓力控制，目標(biāo)值設(shè)定為火炬總管的定壓，運(yùn)行模型至罐內(nèi)壓力達(dá)到設(shè)定值。

火災(zāi)工況下，容器內(nèi)壓力和泄放量隨著時(shí)間的變化如圖3、4所示。

在達(dá)到定壓之前，緩沖罐內(nèi)的物料中較輕的組分會隨著熱量輸入而不斷蒸發(fā)，容器內(nèi)壓力逐漸上升。在達(dá)到泄放壓力時(shí)，安全閥開始泄放。在工況一中，容器安全閥在達(dá)到定壓時(shí)開始泄放，泄放量一開始達(dá)到最大，隨后逐漸降低。在工況二中，容器內(nèi)壓力上升緩慢，但維持上升趨勢。但隨著溫度升高，容器內(nèi)重組分開始蒸發(fā)，泄放量達(dá)到一個(gè)新的峰值，最后穩(wěn)定下降。由模擬結(jié)果可知，兩個(gè)安全閥的最大泄放量分別是在23089和13003 kg/h。其中，工況一的動態(tài)模擬結(jié)果和采用多級閃蒸模擬得到結(jié)果接近，而工況二的計(jì)算值要顯著低于采過多級閃蒸模擬得到的結(jié)果。這是因?yàn)樵诠迌?nèi)液體逐級受熱汽化的過程中，罐體的濕潤面積在不斷減小，吸熱效率不斷降低。而采用靜態(tài)模擬無法表征濕潤的面積變化。

由結(jié)果可知，對于輕組分含量較高，泄放量在安全閥開啟時(shí)達(dá)到最大的安全閥，兩種計(jì)算方法得到的結(jié)論較為相似。而對于重組分含量高，或者餾程范圍較寬的餾分，多級閃蒸模擬雖然可以找到最小蒸發(fā)焓，卻無法表征此時(shí)的濕潤面積，這種情況下，采用動態(tài)模擬才可以得到最準(zhǔn)確的結(jié)果。

圖3 工況一泄放過程中容器壓力和安全閥泄放量的變化 圖4 工況二泄放過程中容器壓力和安全閥泄放量的變化

3 結(jié)論

本文通過采用采用HYSYS軟件靜態(tài)模擬下的多級閃蒸和動態(tài)模擬下的簡單分離罐對火災(zāi)工況下安全閥泄放的過程進(jìn)行了模擬和計(jì)算。其中，采用多級閃蒸模擬法在國外工程公司廣泛應(yīng)用，計(jì)算得到的結(jié)果也比較可靠保守。動態(tài)模擬法能夠最大程度模擬真實(shí)情況下安全閥的泄放，相較于其他方法準(zhǔn)確性更高。

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