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      多組分液體容器安全閥火災(zāi)工況下泄放量的計(jì)算

      2017-05-21 03:25:31王增輝
      山東化工 2017年23期
      關(guān)鍵詞:潛熱閃蒸安全閥

      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。

      參考文獻(xiàn)

      [1]任美鳳,卞潮淵,楊 健. 火災(zāi)工況壓力容器安全泄放量計(jì)算公式的探討[J]. 化工設(shè)計(jì),2006,16(1):47-49.

      [2]張德姜,王懷義,丘 平. 石油化工裝置工藝管道安裝設(shè)計(jì)手冊:設(shè)計(jì)與計(jì)算[M]. 北京:中國石化出版社,2014.

      [3]中國海洋石油總公司.SY/T 10043-2002 泄壓和減壓系統(tǒng)指南[S].北京: 石油工業(yè)出版社,2002.

      [4]中國海洋石油總公司.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,2002.

      [5]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):46-48.

      [6]羅 娜. 多組分液體容器安全閥外部火災(zāi)工況下釋放量的計(jì)算[J]. 化工設(shè)計(jì),2014(2):8-11.

      [7]鄭志剛,潘澍宇,鄧婷婷,等. 碳四容器安全閥火災(zāi)工況泄放的動態(tài)模擬[J]. 廣州化工,2013,41(22):202-204.

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