安全閥火災(zāi)工況下泄放量靜態(tài)模擬計(jì)算

許 凱

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101)

石油化工行業(yè)所用的分離器設(shè)備，均為壓力容器，多處理的具有寬沸點(diǎn)范圍的多元混合物[1]。多組分介質(zhì)火災(zāi)狀況下安全閥的計(jì)算采用常規(guī)方法，其安全閥的最大泄放量很難確定的，馮傳令等[2-3]介紹了國(guó)外公司的一種近似模擬方法，只介紹了方法原理，可操作性不強(qiáng)。羅娜[4]也介紹了多組份多級(jí)閃蒸的方法，理解困難且實(shí)用性不足。本文通過一個(gè)實(shí)例，詳細(xì)的介紹一種利用HYSYS軟件的靜態(tài)模擬方法來計(jì)算火災(zāi)工況下的安全閥泄放量，此方法并已在工程中得到實(shí)際運(yùn)用。

1 方法介紹

HYSYS靜態(tài)下模擬安全閥泄放量的基本思路：每次閃蒸時(shí)保證進(jìn)入容器內(nèi)混合物流的實(shí)際體積流量始終為常量即容器的總?cè)莘e。然后給定一溫度段(如5℃)，計(jì)算出加熱的熱量，并將熱量加給分離器，此時(shí)可得出從分離器泄放出的氣體。重復(fù)上述閃蒸步驟，直到找到最大釋放量為止。并假設(shè)分離器內(nèi)高液位或高高液位作為火災(zāi)釋放時(shí)的初始液位。

2 模型參數(shù)

表1、表2是某海外項(xiàng)目天然氣處理廠用的天然氣壓縮機(jī)二級(jí)壓縮系統(tǒng)中，入口分離器及其分離后物料的工藝數(shù)據(jù)。

表1 入口分離器工藝尺寸和工藝數(shù)據(jù)

表2 分離后氣液兩相摩爾組成 (mol)

3 模擬過程描述和分析

由于閃蒸次數(shù)較多，圖1僅舉例表示HYSYS 模擬火災(zāi)過程靜態(tài)泄放前兩次示意圖，具體模擬過程如下：

(1)初始化氣液兩相物流。從HYSYS模型中，拷貝入口分離器氣液兩相出口物流，通過Adjust運(yùn)算，使氣液物流的實(shí)際體積流量為表1分離器氣、液的初始體積；將其混合得到操作條件下的物流L-OP。

(2)實(shí)現(xiàn)容器內(nèi)的流體從操作條件(P,T)過渡到PSV閥的設(shè)定條件(P,T)：

a．加Balance邏輯運(yùn)算，將L-OP物流的mole和heat參數(shù)傳到物流L-SET(其壓力為PSV的設(shè)定壓力)；,L-OP物流對(duì)應(yīng)的初始沾濕面積，根據(jù)公式q=21000FA0.82算出在該條件下容器受熱所吸收的熱量；

b．加Adjust邏輯運(yùn)算，調(diào)整L-SP物流的溫度使得L-SP物流的實(shí)際體積流量與L-OP物流的實(shí)際體積流量的差值為0；

c．給Balance邏輯運(yùn)算器增加能量物流Q-1，HYSYS會(huì)自動(dòng)計(jì)算其值；即可得到流體從操作條件到設(shè)定條件所需的時(shí)間t=Q1/q；

(3)隨著熱量的進(jìn)一步輸入，容器內(nèi)流體從設(shè)定條件過渡到PSV閥的釋放條件L-ACC，此時(shí)，流體開始釋放。實(shí)現(xiàn)方法與計(jì)算同步驟2。

(4)開始進(jìn)行第一次閃蒸計(jì)算。根據(jù)沾濕面積算出容器吸收的熱量q3，利用Set邏輯運(yùn)算定義V-1閃蒸氣相出口溫度比入口物流高5℃，需要的熱量Q3由HYSYS自動(dòng)計(jì)算。經(jīng)過閃蒸計(jì)算后，氣相出口物流分割成兩個(gè)物流：GG2與從PSV閥釋放出的流量Vent 1，調(diào)整GG2摩爾流量使進(jìn)入下一級(jí)V-2的入口物流量與L-ACC相同。然后混合GG2物流和LL1物流混合后進(jìn)入第2次閃蒸。

在得到流體從釋放條件到第一次閃蒸所經(jīng)歷的時(shí)間t1=Q3/q3后，就可以算出閃蒸后通過PSV閥實(shí)際的釋放量M1=m/t1；其中m為Vent 1物流中流體的質(zhì)量；

(5)開始第2次閃蒸計(jì)算，重復(fù)步驟4，直到找到最大釋放量為止。

圖1 從操作條件開始的火災(zāi)工況模擬

4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上模擬過程，利用表3制作火災(zāi)泄放量計(jì)算書。

表3 泄放量計(jì)算書

圖2 泄放量隨泄放時(shí)間的變化

從圖2可以看出：分離器經(jīng)過多級(jí)的閃蒸計(jì)算,在設(shè)定的累積壓力下，溫度以5℃的溫差不斷升高，由于介質(zhì)中各組分的沸點(diǎn)均不同，隨著溫度的提升，低沸點(diǎn)的組分先氣化，從液體中釋放出來，到累積壓力通過安全閥泄放出去。但容器內(nèi)氣液兩相的總體積是不變的，介質(zhì)組分還將繼續(xù)氣化，因此泄放量也是變化的。

從泄放開始到2.68 h泄放量是逐漸增加，2.68 h后實(shí)際泄放量在不斷下降。開始泄放2.68 h時(shí)泄放量最大為3786.4 kg/h。此方法從工程實(shí)際應(yīng)用時(shí)，得出的泄放量較為保守，可直接用于安全閥的選型計(jì)算。

5 結(jié)論

涉及多組分液體分離器火災(zāi)工況安全閥釋放量的計(jì)算，無法用公式直接計(jì)算得出釋放量?，F(xiàn)在動(dòng)態(tài)模擬被廣泛運(yùn)用，某些軟件可很方便得到泄放量。但在設(shè)計(jì)院實(shí)際運(yùn)用中由于無法得到此方法的計(jì)算過程，給校審工作帶來很大困難。本文使用的靜態(tài)模擬方法，可以相對(duì)精確的計(jì)算出火災(zāi)工況下安全閥的泄放量，其計(jì)算過程實(shí)際就是安全閥的泄放過程，運(yùn)算易于理解，該方法在國(guó)外同行中廣泛使用。盡管計(jì)算過程看似繁瑣，但實(shí)際應(yīng)用時(shí)利用目前計(jì)算軟件還是很方便的。

[1]陳文峰,劉培林,郭 洲,等.復(fù)雜物系壓力容器安全閥泄放過程的HYSYS動(dòng)態(tài)模擬[J].天然氣與石油,2010,28(6): 55-57.

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

[3]劉 茜,李春磊.海洋平臺(tái)壓力容器安全閥最大泄放量的確定[J].船海工程,2013,42(3):182-187.

[4]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),2014,24(2):8-11.