壓力泄放系統(tǒng)在油氣處理中的應(yīng)用研究

周健德,韓雪,呂長劍,汪進(jìn)

(中海油石化工程有限公司,山東 青島 266000)

在油氣處理過程中,安全閥不具備降壓功能,它只能在緊急情況下將壓力控制在設(shè)定值之下,所以不能降低設(shè)備和管道的應(yīng)力,防止局部破裂。然而,快速有效地緊急泄壓可降低容器的泄漏率,減少容器中介質(zhì)的存量,從而減輕因容器故障和失效導(dǎo)致的危害。同時(shí),緊急泄壓可降低火災(zāi)的持續(xù)時(shí)間和嚴(yán)重程度,防止容器和管道破裂,從而減少對(duì)人的風(fēng)險(xiǎn),限制對(duì)環(huán)境造成的損害。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[1-4]針對(duì)緊急泄放過程做出了規(guī)定,但并未做出詳細(xì)說明。本文以相關(guān)文獻(xiàn)[5-11]和工程實(shí)踐為基礎(chǔ),對(duì)泄放過程的主要關(guān)注點(diǎn)、計(jì)算原理及應(yīng)用分析做出更為深入的研究。

1 泄放過程設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.1 泄壓系統(tǒng)的啟動(dòng)方式

泄壓系統(tǒng)的啟動(dòng)方式是決定泄壓效果的關(guān)鍵因素。泄壓系統(tǒng)可以由操作人員手動(dòng)啟動(dòng),也可以由過程儀表、ESD、SIS、F&G檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)等自動(dòng)啟動(dòng)?；馂?zāi)泄放時(shí)一般推薦采用自動(dòng)泄壓,主要考慮到自動(dòng)泄壓可以減少泄壓時(shí)間,減少被動(dòng)防火措施的采用。

在一些情況下,為避免虛假啟動(dòng)泄壓功能,需采用延遲泄放,以允許操作人員干預(yù)。如果使用手動(dòng)或延時(shí)泄壓,工藝設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮縮短泄壓時(shí)間以滿足泄壓要求(尤其是火災(zāi)工況)。

工藝設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)保證在開啟泄壓閥之前要有足夠的時(shí)間讓該壓力系統(tǒng)進(jìn)出口的隔斷閥關(guān)閉,將超壓系統(tǒng)隔離。

1.2 泄壓產(chǎn)生的低溫

由于焦耳-湯姆森效應(yīng),隨著壓力的降低,介質(zhì)可能會(huì)冷卻至低溫,因此工藝設(shè)計(jì)時(shí)需考慮低溫可能發(fā)生在泄壓孔板的上下游。在這種情形下,管線、孔板及閥門材質(zhì)的選擇要滿足上述低溫的要求。

泄放過程中低溫的形成與泄放前介質(zhì)的狀態(tài)(溫度、壓力)、組成、泄放過程的速率、傳熱、被保護(hù)系統(tǒng)中介質(zhì)的存量有關(guān),相對(duì)精確的泄放后介質(zhì)溫度可通過HYSYS動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算得到。

1.3 泄放系統(tǒng)設(shè)置原則

API Standard 521—2020(Pressure-relieving and Depressuring Systems)[1]:常見的應(yīng)用是壓縮機(jī)系統(tǒng)在火災(zāi)、泄漏或密封失效情形下的泄壓。另一個(gè)應(yīng)用是火災(zāi)情況下的緊急減壓,通常適用于在1 700 kPa或更高表壓下運(yùn)行的大型工藝設(shè)備。此外,該標(biāo)準(zhǔn)說明可根據(jù)具體情況和用戶定義的要求使用上述以外的泄壓標(biāo)準(zhǔn)。

Norsok Standard S-001-2008(Technical Safety)[2]:(1)在緊急切斷時(shí),被切斷的壓力體系內(nèi)存有大于1.0 t的碳?xì)浠衔?液體和/或氣體),則該壓力體系應(yīng)配備泄壓系統(tǒng)。(2)對(duì)于沒有設(shè)置泄壓系統(tǒng)的含有氣體或不穩(wěn)定油且氣油比高的壓力體系,體系內(nèi)的最大容量應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于1.0 t。(3)此外,泄壓閥的設(shè)置還應(yīng)考慮壓力系統(tǒng)的位置(封閉或開放區(qū)域)、暴露于火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)、破裂的后果等因素。

ISO 13702—2015(Petroleum and natural gas industries-Control and mitigation of fires and explosions on offshore production installations-Requirements and guidelines)[3]:對(duì)于加壓的烴類系統(tǒng),應(yīng)考慮緊急泄壓系統(tǒng),以便在緊急情況下處理加壓系統(tǒng)中的氣體,以減少事件的持續(xù)時(shí)間、釋放的物質(zhì)數(shù)量或火災(zāi)中壓力容器失效的可能性。

中國海洋石油集團(tuán)有限公司等已按照API PR 521—1997制定了SY/T 10043—2002[4](泄壓和減壓系統(tǒng)指南),該標(biāo)準(zhǔn)的制定有力地推動(dòng)了壓力泄放系統(tǒng)在油氣處理等相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用。

目前,國內(nèi)外的設(shè)計(jì)項(xiàng)目大多執(zhí)行API Standard 521(Pressure-relieving and Depressuring Systems)中的相關(guān)規(guī)定。

1.4 其他因素

1.4.1 泄壓閥的故障狀態(tài)

為了最大限度地提高泄壓閥的有效性,泄壓閥門應(yīng)選擇故障開啟或故障保位狀態(tài),并配備備用氣源(或電源)和防火措施,具體故障狀態(tài)的選擇應(yīng)考慮實(shí)際的工藝需求。

1.4.2 泄放量對(duì)火炬管網(wǎng)的影響

在儀器風(fēng)失效的情況下,若廠區(qū)內(nèi)存在多個(gè)失效開啟的泄壓閥,其泄放量可能超過火炬管網(wǎng)的處理量。此時(shí),一方面可考慮設(shè)置備用儀表風(fēng)供應(yīng)系統(tǒng);另一方面可安裝就地儀表風(fēng)緩沖罐來延遲泄壓閥門的打開從而減輕儀表風(fēng)失效帶來的影響。多個(gè)失效開啟的泄壓閥使用延遲泄放時(shí),應(yīng)考慮通過錯(cuò)峰排放以確保泄放量不超過火炬容量。

1.4.3 泄壓閥的保護(hù)措施

假定在緊急情況下持續(xù)降壓,泄壓閥在緊急情況持續(xù)期間應(yīng)保持可操作狀態(tài)或保持故障全開狀態(tài)。否則,需要考慮控制信號(hào)和閥門執(zhí)行器的防火措施或其他保護(hù)措施(例如,將閥門、閥門執(zhí)行器和控制信號(hào)置于在火災(zāi)區(qū)域之外),以確保閥門在火災(zāi)期間的可操作性。對(duì)于手動(dòng)泄壓按鈕,應(yīng)設(shè)有保護(hù)措施(如防護(hù)罩)以防止誤操作。

2 泄放計(jì)算原理及方法

2.1 火災(zāi)工況

在火災(zāi)中,為了降低被保護(hù)系統(tǒng)的內(nèi)部壓力,氣體的泄放速率應(yīng)包括下述因素:

(1)因壓力下降引起系統(tǒng)內(nèi)液體閃蒸產(chǎn)生的蒸汽量; (2)因外部火焰加熱使得系統(tǒng)內(nèi)液體蒸發(fā)產(chǎn)生的蒸汽量;(3)因壓力下降引起的系統(tǒng)內(nèi)氣體的膨脹。

當(dāng)泄壓系統(tǒng)的設(shè)置是為了保護(hù)暴露于火災(zāi)中的容器時(shí),蒸汽泄壓系統(tǒng)應(yīng)具有足夠的能力將容器的應(yīng)力降低到應(yīng)力允許值以內(nèi)。根據(jù)API Standard 521—2020[1],對(duì)于池火災(zāi),要求在15 min內(nèi)將系統(tǒng)的壓力從初始狀態(tài)降低到設(shè)計(jì)壓力的50%。需要注意的是,對(duì)于池火災(zāi),要求在15 min內(nèi)將系統(tǒng)的壓力從初始狀態(tài)降低到設(shè)計(jì)壓力的50%,這是基于壁厚約25.4 mm的碳鋼容器的壁溫與破裂應(yīng)力之間的關(guān)系而得到的,對(duì)于其他壁厚和金屬的情況,可參照相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行計(jì)算[1]。

當(dāng)泄壓系統(tǒng)的設(shè)置是為了減輕因容器泄漏或故障造成的危害時(shí),根據(jù)API Standard 521—2020[1],通常要求需在15 min內(nèi)將系統(tǒng)的壓力降壓至690 kPa (表壓)。

2.2 絕熱工況

絕熱工況[8-12]包含正常泄放和冷態(tài)泄放,正常泄放與冷態(tài)泄放的區(qū)別在于初始泄放溫度不同。正常泄放的初始泄放溫度為系統(tǒng)正常操作溫度(如生產(chǎn)中因非火災(zāi)因素導(dǎo)致的超壓泄放;計(jì)劃停產(chǎn)等);冷態(tài)泄放的初始溫度為環(huán)境最低溫度(如井噴事故時(shí)的壓力泄放;停工維護(hù)設(shè)備時(shí)系統(tǒng)冷卻至環(huán)境溫度后的壓力泄放等)。

在絕熱工況時(shí),泄放量需包含下述因素:(1)因壓力下降導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)液體閃蒸從而產(chǎn)生的蒸汽量;(2)因壓力下降導(dǎo)致的系統(tǒng)內(nèi)氣體膨脹。

當(dāng)泄壓系統(tǒng)的設(shè)置是為了減輕容器因泄漏或故障造成的后果時(shí),根據(jù)API Standard 521—2020[1],通常要去需在15 min內(nèi)將系統(tǒng)的壓力降至690 kPa (表壓)。

當(dāng)泄壓系統(tǒng)的設(shè)置是為了保護(hù)壓縮機(jī)時(shí),通常需要在幾分鐘內(nèi)進(jìn)行泄壓以緩解密封失效造成的后果。然而,過快的泄放速率可能會(huì)損壞壓縮機(jī)的密封件,因此特定壓縮機(jī)體系的泄壓速率應(yīng)與生產(chǎn)廠家確定[1]。

3 壓力泄放案例分析

以某油田進(jìn)站預(yù)分離器為例進(jìn)行計(jì)算,流程示意詳見圖1。

圖1 預(yù)分離系統(tǒng)示意圖

入口進(jìn)料組成:n(H2O)=0.50;n(H2S)=0.005;n(CO2)=0.01;n(Methane)=0.23;n(Ethane)=0.04;n(Propane)=0.03;n(i-Butane)=0.01;n(n-Butane)=0.02;n(i-Pentane)=0.01;n(n-Pentane)=0.01;n(n-Hexane)=0.01;n(n-Heptane)=0.01;n(n-Octane)=0.01;n(n-Nonane)=0.01;n(n-Decane)=0.01;n(C11～C20)=0.085。

預(yù)分離器尺寸:4 m×26 m;預(yù)分離器的操作條件:壓力:4.5 MPa,溫度:42 ℃,正常液位:1.3 m;

泄放初始?jí)毫?4.7 MPa;火災(zāi)泄放和正常泄放時(shí)間:15 min;冷態(tài)泄放時(shí)間:30 min;火災(zāi)泄放和正常泄放最終泄放壓力:690 kPa;冷態(tài)泄放最終泄放壓力:300 kPa;火炬背壓:300 kPa;

火災(zāi)工況輸入?yún)?shù):吸熱方程選擇API 521操作模型,Q=C1C3[Wetted Area]C2,其中C1=21 000,C2=0.82,C3=1;熱損失方程選擇None;

蒸汽流動(dòng)方程選擇General,閥門流量系數(shù)為0.85;PV屬性:0.70;循環(huán)效率:100%。

經(jīng)HYSYS動(dòng)態(tài)模擬,三種泄壓工況在泄放前后溫度和壓力隨時(shí)間的變化如圖2～4 所示,三種泄壓工況的計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表1所示。

表1 火災(zāi)泄放、正常泄放和冷態(tài)泄放模擬結(jié)果對(duì)比

圖2 火災(zāi)泄放工況HYSYS動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果圖

圖3 正常泄放工況HYSYS動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果圖

圖4 冷態(tài)泄放工況HYSYS動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果圖

從上圖可以看出,(1)不同工況時(shí)系統(tǒng)壓力隨泄放的進(jìn)行迅速降低,泄放閥后的溫度隨泄放時(shí)間增加而升高。(2)火災(zāi)工況泄放時(shí),系統(tǒng)溫度隨時(shí)間呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)。這主要是因?yàn)樾箟撼跗谙到y(tǒng)中含有大量的輕組分,系統(tǒng)內(nèi)液體閃蒸和氣體膨脹導(dǎo)致的溫度下降效應(yīng)大于系統(tǒng)從外界吸收熱量導(dǎo)致的溫度上升效應(yīng),呈現(xiàn)宏觀的溫度降低;隨著泄放的進(jìn)行,系統(tǒng)內(nèi)液體閃蒸和氣體膨脹導(dǎo)致的溫度下降效應(yīng)小于系統(tǒng)從外界吸收熱量導(dǎo)致的溫度上升,呈現(xiàn)宏觀的溫度上升。(3)在絕熱工況泄放時(shí),系統(tǒng)溫度隨時(shí)間增加而降低,這是因壓力下降引起系統(tǒng)內(nèi)液體閃蒸和氣體的膨脹導(dǎo)致溫度下降。

從上表可以發(fā)現(xiàn),(1)火災(zāi)泄放的瞬時(shí)峰值泄放量較其他方式的泄放量大,因此火災(zāi)泄放決定泄壓設(shè)施的大小;(2)冷態(tài)泄放的閥后最低溫度和系統(tǒng)內(nèi)最低溫度較其他工況更低,可能需要考慮選擇適合的低溫材料。

4 結(jié)論

壓力泄放系統(tǒng)在降低因超壓引起的意外事故概率、減少潛在風(fēng)險(xiǎn)、降低事故危害程度等方面具有重要的作用,明確泄放過程中工藝設(shè)計(jì)的主要關(guān)注點(diǎn)、計(jì)算原理及方法對(duì)生產(chǎn)和操作人員的安全具有重要的意義。