放空系統(tǒng)BLOWDOWN 模擬及低溫研究*

王濤 潘大新 陳文峰 武志坤 周鵬 劉少杰

1海洋石油工程股份有限公司設(shè)計院

2中國石油青海油田公司采氣三廠

放空系統(tǒng)是天然氣集輸?shù)闹匾M成部分[1]，系統(tǒng)模擬計算的準(zhǔn)確性直接影響集輸過程的安全運行。放空系統(tǒng)可以通過降低氣體存量和壓力狀態(tài)，防止設(shè)備因火災(zāi)受熱后突破材料應(yīng)力極限而破裂，減少設(shè)備泄漏產(chǎn)生的物料量，以降低事故的危險程度。由于泄放過程物料壓力、組成等參數(shù)隨時間變化，需要運用動態(tài)模擬技術(shù)，同時高壓氣體快速降壓產(chǎn)生低溫，低溫會導(dǎo)致設(shè)備永久損傷或脆性開裂，需要對泄放產(chǎn)生的低溫進行模擬研究。陳俊文、賈寶印、劉偉等[2-9]采用Depressuring utility 模塊或手動搭建動態(tài)模型進行泄放系統(tǒng)模擬和低溫研究，該模擬方法存在以下問題：①用泄放閥門代替泄壓孔板，閥門的泄放特性與孔板存在差異，模擬結(jié)果不夠準(zhǔn)確；②模擬只搭建到孔板出口，未建立整個泄放系統(tǒng)的動態(tài)模擬，將孔板出口最低溫度定義為整個泄放系統(tǒng)的低溫，其結(jié)果偏保守；③不能模擬泄放系統(tǒng)中存氣對泄放低溫的有利影響。

最新的BLOWDOWN 動態(tài)技術(shù)能完美解決上述問題。BLOWDOWN 動態(tài)技術(shù)是由英國皇家學(xué)院的GRAHAM SAVILLE 博士和STEPHEN RICHARDSON 教授開發(fā)，在ASPEN HYSYS V9.0 版本中引入。該技術(shù)在工廠生產(chǎn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進行近30 年的研究，并經(jīng)過全尺寸實驗的驗證[10-12]，是行業(yè)內(nèi)值得信賴的降壓計算方法。不同于以往的Depressuring 方法，該方法可以將預(yù)測的泄放溫度精確到±3℃以內(nèi)，其低溫預(yù)測的準(zhǔn)確性[13]，可以防止材料的低溫開裂，保證集輸系統(tǒng)的安全性。

1 項目概況

以海上天然氣接收站為例，工藝流程如圖1 所示。LNG 運輸至碼頭后，經(jīng)LNG 氣化船氣化后由海管輸送至天然氣接收站，站內(nèi)設(shè)置天然氣過濾→計量→加熱→調(diào)壓流程，最后輸送至發(fā)電廠。放空系統(tǒng)主要包括泄放閥（BDV）、孔板、放空管網(wǎng)、分液罐、冷放空火炬。當(dāng)火氣探頭探測到火災(zāi)、泄漏等事故時，火氣系統(tǒng)關(guān)斷天然氣接收流程并自動開啟泄放閥，將站內(nèi)天然氣泄放至冷放空火炬，維修時也可手動打開BDV 進行維修泄放。項目所處環(huán)境最低溫度0 ℃，站內(nèi)設(shè)備和管線不設(shè)置保溫隔熱層。

圖1 海上天然氣接收站工藝流程示意圖Fig.1 Schematic diagram of offshore natural gas receiving station process flow

2 建立BLOWDOWN 模型

2.1 模擬工況分析

API 521—2014 規(guī)定：在泄漏、火災(zāi)工況下，應(yīng)急放空系統(tǒng)需要在15 min 內(nèi)將系統(tǒng)壓力降低至690 kPa[14-15]，選擇兩者之中泄放量較大的工況進行泄放系統(tǒng)定尺計算，包括孔板、泄放管線、分液罐等。BDV 也用于設(shè)備維修泄放[16]，將泄放時間進行延長，使設(shè)備壓力泄放至常壓。由于維修泄放需要一定的人員準(zhǔn)備和操作時間，且站內(nèi)設(shè)備和管線未設(shè)置保溫隔熱層，天然氣與外部環(huán)境充分換熱后，氣體溫度會降至環(huán)境溫度。因此，在冬季維修泄放時，泄放系統(tǒng)會出現(xiàn)較低的泄放溫度，此工況決定了泄放系統(tǒng)中管線和設(shè)備的低溫選材。

2.2 BLOWDOWN 動態(tài)模擬

采用HYSYS 的BLOWDOWN 動態(tài)模塊，輸入天然氣組分和工藝參數(shù)（表1～表3），模擬流程如圖2 所示。通過調(diào)整孔板尺寸以滿足泄放時間和終止壓力的要求。

圖2 BlOWDOWN 模擬流程圖Fig.2 BLOWDOWN simulation flow chart

表1 LNG 氣化天然氣組分Tab.1 Composition of LNG gasified natural gas 摩爾分數(shù)

表2 接收站主要工藝參數(shù)Tab.2 Main process parameter of the receiving station

表3 泄放系統(tǒng)管線和設(shè)備尺寸Tab.3 Piping and equipment sizes of the vent system mm/m

2.3 初始泄放壓力和溫度的計算

站內(nèi)天然氣的狀態(tài)和體積決定所需泄放天然氣的存量，天然氣存量的大小決定泄放系統(tǒng)能力，氣體存量受氣體所處的壓力、溫度影響，在相同體積下，壓力越高、溫度越低，氣體的存量越大。由于站內(nèi)加熱器的溫度調(diào)節(jié)和調(diào)壓閥的壓力調(diào)節(jié)，氣體所處壓力和溫度狀態(tài)不盡相同，可以分為三段（表2）：天然氣進站到加熱器為第一段，加熱器到調(diào)壓閥為第二段，調(diào)壓閥至電廠為第三段。采用穩(wěn)定壓力和溫度的計算方法[17-18]，計算出站內(nèi)穩(wěn)定壓力和溫度作為BLOWDOWN 模擬的初始壓力和溫度。首先計算穩(wěn)定溫度Ts和穩(wěn)定狀態(tài)下的壓縮因子Zs，采用加權(quán)平均法進行計算，考慮到穩(wěn)定前后氣體總?cè)莘e和摩爾量不變，采用氣體狀態(tài)方程計算穩(wěn)定壓力pS。由于登錄壓力和溫度存在變化，選取高壓、低溫工況用于穩(wěn)定壓力ps和溫度Ts的計算，計算結(jié)果為8 160 kPa 和35.8 ℃。

式中：Ts為穩(wěn)定溫度，℃（n指物質(zhì)的量，下標(biāo)中1～3 指不同分段）；Zs為穩(wěn)定狀態(tài)下的壓縮因子；ps為穩(wěn)定壓力，kPa；Z為壓縮因子；R為理想氣體常數(shù)。

其中：

3 模擬結(jié)果

3.1 泄漏工況

泄漏工況下模擬的站內(nèi)壓力和泄放量曲線如圖3 所示。隨著泄放進行，壓力和泄放質(zhì)量流量逐漸降低，在15 min（900 s）壓力降至690 kPa，最大泄放量發(fā)生在起始階段，流量為87 270 kg/h，所需孔板尺寸為45.5 mm。

圖3 泄漏工況下站內(nèi)壓力和泄放量曲線Fig.3 Curves of pressure and discharge capacity in the station under leakage condition

3.2 火災(zāi)工況

火災(zāi)工況下模擬的站內(nèi)壓力和泄放量曲線如圖4 所示。泄放過程中天然氣吸熱膨脹，壓力略有波動，始終呈不斷降低的趨勢，在15 min（900 s）壓力降至690 kPa。最大泄放質(zhì)量流量92 210 kg/h 大于泄漏工況，所需孔板尺寸為49 mm，泄放系統(tǒng)管線和設(shè)備根據(jù)此泄放量進行定尺計算。

圖4 火災(zāi)工況下站內(nèi)壓力和泄放量曲線Fig.4 Curves of pressure and discharge capacity in the station under fire condition

3.3 維修工況

基于火災(zāi)工況下的泄放孔板尺寸，在8 160 kPa 和35.8 ℃進行維修泄放模擬，環(huán)境溫度考慮0 ℃，模擬結(jié)果如圖5 所示，泄放至約28 min（1 680 s）時站內(nèi)壓力降至常壓，最大泄放量為92 210 kg/h。

圖5 維修工況下站內(nèi)壓力和泄放量曲線Fig.5 Curves of pressure and discharge capacity in the stationunder maintenance condition

泄放過程中不同管線/設(shè)備中氣體溫度隨時間的變化曲線如圖6 所示。對于孔板前管線/設(shè)備（包括站內(nèi)管線/設(shè)備和管線-058/061），隨著泄放過程中氣體膨脹做功，氣體溫度逐漸降低，在800 s 左右溫度達到最低，此后隨著系統(tǒng)壓力降低膨脹做功減小，與環(huán)境逐步換熱后溫度略有升高；對于孔板后管線/設(shè)備（管線-062 至放空管線），由于泄放管線和設(shè)備內(nèi)有一定的存氣，存氣長時間在系統(tǒng)內(nèi)停留，其溫度接近環(huán)境溫度（0℃）[19]，泄放初期，孔板節(jié)流降壓產(chǎn)生的低溫氣體首先與存氣進行混合換熱，隨著泄放進行，存氣逐漸被低溫氣體替換，溫度不斷降低，在300 s 左右達到最低溫度，此后隨著系統(tǒng)壓力降低，孔板前后壓差逐漸降低，泄放產(chǎn)生的低溫氣體溫度不斷升高，與環(huán)境長時間換熱后，泄放最終的氣體溫度接近至環(huán)境溫度（0 ℃）。同時，發(fā)現(xiàn)泄放系統(tǒng)低溫分布呈如下規(guī)律：沿氣體泄放方向，泄放系統(tǒng)的管線/設(shè)備中氣體最低溫度呈不斷上升趨勢。

圖6 維修工況下氣體溫度隨時間變化曲線Fig.6 Change curves of gas temperature with time under maintenance condition

氣體泄放溫度受泄放初始壓力和溫度、物料組成、降壓速率、管線/設(shè)備質(zhì)量、氣體與管道/設(shè)備以及環(huán)境的傳熱影響。本項目中物料組成不變，降壓速率由孔板尺寸決定，管線/設(shè)備質(zhì)量受總圖布置和管道走向制約。氣體與管道/設(shè)備以及環(huán)境的傳熱主要由以下因素決定：①氣體內(nèi)部及氣體與管線/設(shè)備換熱；②管道/設(shè)備外壁與外界環(huán)境（空氣）的熱對流和熱輻射。氣體內(nèi)部及氣體與管線/設(shè)備熱對流傳熱系數(shù)較大，對氣體總傳熱系數(shù)的影響可以忽略，總傳熱系數(shù)主要由管道外壁與外界環(huán)境（空氣）的熱對流和熱輻射決定，傳熱系數(shù)較小，對泄放產(chǎn)生的低溫影響很小。所以，本文只研究初始壓力和溫度對泄放低溫的影響，在實際生產(chǎn)中初始溫度會隨著維修準(zhǔn)備時間延長逐漸降低，此時初始壓力也因初始溫度的變化略有降低。圖7 模擬了不同初始泄放溫度下的低溫情況。隨著初始泄放溫度降低，泄放產(chǎn)生的最低溫度逐漸降低，當(dāng)初始溫度降低到25 ℃以下，。放空管線最低操作溫度降低到-30 ℃以下。由于本項目利用已有放空管線和放空頭，材料為Q345R 碳鋼，能承受的最低設(shè)計溫度為-29 ℃，所以必須限制初始泄放溫度不能低于25 ℃，設(shè)計中考慮在泄放閥上游設(shè)置溫度低報警以提醒操作人員及時泄放。

圖7 不同初始溫度下泄放低溫對比Fig.7 Comparison of discharge low temperature under different initial temperatures

溫度為25 ℃下，泄放系統(tǒng)低溫選材結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，采用BLOWDOWN 方法，沿著泄放氣體方向，泄放系統(tǒng)材質(zhì)從耐受低溫較高的不銹鋼，逐步降低為低溫碳鋼和普通碳鋼，若采用Depressuring方法，泄放系統(tǒng)將全部采用不銹鋼材質(zhì)[20]。

圖8 放空系統(tǒng)選材結(jié)果Fig.8 Material selection results of the vent system

4 結(jié)論

通過BLOWDOWN 動態(tài)泄放技術(shù)，進行整個泄放系統(tǒng)的動態(tài)泄放及低溫模擬，考慮泄漏、火災(zāi)、維修泄放三種工況，得出以下結(jié)論：

（1）火災(zāi)工況下瞬時泄放量大于泄漏工況，泄放質(zhì)量流量為92 210 kg/h，孔板尺寸為49 mm，據(jù)此進行泄放系統(tǒng)定尺計算。

（2）沿氣體泄放方向，泄放系統(tǒng)中管線/設(shè)備中氣體最低溫度呈不斷上升趨勢。

（3）維修工況下泄放，隨著初始溫度降低，泄放產(chǎn)生的低溫不斷降低，操作人員在冬季低環(huán)境溫度下應(yīng)進行及時泄放，避免設(shè)備低溫失效。

（4）BLOWDOWN 方法相比depressuring 動態(tài)模擬方法能精確模擬泄放系統(tǒng)中各個管線和設(shè)備的低溫情況，精確指導(dǎo)泄放系統(tǒng)選材。