壓力容器火災(zāi)工況安全泄放質(zhì)量流量的動態(tài)研究＊

楊天宇 朱海山 郝 蘊 崔月紅 錢慧增

（中海油研究總院）

安全閥作為壓力容器的主要泄壓裝置，其泄放能力的計算是海上平臺工藝設(shè)計的重點和難點。目前，國內(nèi)在對海上平臺工藝設(shè)備的泄壓和減壓分析時，通常采用美國石油學(xué)會的標(biāo)準(zhǔn)API STD 521《泄壓和減壓系統(tǒng)》［1］，但是該標(biāo)準(zhǔn)在計算各事故工況安全泄放質(zhì)量流量時，僅是基于壓力容器在正常操作設(shè)定點下的穩(wěn)態(tài)計算，而在實際生產(chǎn)中，壓力容器的各參數(shù)是在其關(guān)斷控制點范圍內(nèi)動態(tài)變化的，發(fā)生事故時容器的實際操作條件往往與正常操作設(shè)定點存在較大偏離。

動態(tài)仿真模擬技術(shù)的開發(fā)始于20世紀(jì)70年代，因其可在嚴(yán)格物性及熱力學(xué)計算的基礎(chǔ)上獲得體系的動態(tài)特征，能夠更為方便、準(zhǔn)確、快速、直觀地分析研究體系各參數(shù)隨時間的變化情況，在國外越來越受到石油石化領(lǐng)域工程設(shè)計與開發(fā)人員的重視，已成為進(jìn)行事故工況分析與火炬系統(tǒng)研究的重要手段［2］。近年來，在國內(nèi)也陸續(xù)有文獻(xiàn)［3－5］報道使用動態(tài)模擬研究事故工況下安全閥的泄放質(zhì)量流量，但都僅是在正常操作條件下，容器發(fā)生事故被隔離后的安全閥泄放過程進(jìn)行動態(tài)模擬。本文使用HYSYS動態(tài)模擬工具，建立了壓力容器的全動態(tài)生產(chǎn)模型，并在此基礎(chǔ)上分析研究了壓力容器發(fā)生外部火災(zāi)事故工況時，不同初始條件對安全閥泄放的影響。

1 安全閥泄放質(zhì)量流量的計算

根據(jù)API STD 521，火災(zāi)工況下經(jīng)由安全閥泄放的氣體是在泄放溫度、壓力下與容器內(nèi)殘留液體達(dá)到相平衡的氣體，對于壓力和溫度條件低于臨界點的火災(zāi)工況，蒸汽的產(chǎn)生速率即安全閥的泄放質(zhì)量流量計算見式（1）：

式中，Wv為泄放溫度壓力下的安全閥泄放質(zhì)量流量，kg／s；Qv為用于產(chǎn)生蒸汽的容器吸熱量，k W；λ為泄放溫度壓力下的汽化潛熱，kJ／kg。

1．1 吸熱量的計算

對于具有有效滅火措施和容器有易燃物排放系統(tǒng)的情況，暴露于明火中的容器的熱吸收量可用API STD 521提供的方法進(jìn)行計算，見式（2）。

對于多組分體系，容器從外部火災(zāi)中吸收熱量后，一部分轉(zhuǎn)化為汽化潛熱使液體發(fā)生汽化，另一部分轉(zhuǎn)化為顯熱，提高了殘留的液體溫度，使體系保持在泡點溫度下。因此，式（1）中的容器吸熱量僅是指使液體發(fā)生汽化轉(zhuǎn)化為汽化潛熱的那部分熱量。

1．2 汽化潛熱的計算

汽化潛熱λ是計算安全閥泄放質(zhì)量流量的關(guān)鍵熱力學(xué)參數(shù)，單一組分的汽化潛熱可以很容易地從相關(guān)的熱力學(xué)手冊中獲得或通過公式進(jìn)行計算，而對于多組分體系，特別是含有如原油等寬沸點組分或各組分相對分子質(zhì)量差別較大的混合體系，其泄放條件下的汽化潛熱受溫度、壓力、組成等多因素的影響，很難進(jìn)行準(zhǔn)確地計算，只能作近似估算［6－7］。K．W．Won［8］等提出了一種基于嚴(yán)格計算的熱力學(xué)方法，提高了針對含有如原油等寬沸點組分體系汽化潛熱估算的準(zhǔn)確性。

對于含有寬沸點組分的混合體系，當(dāng)容器發(fā)生外部火災(zāi)時，液相中較輕的組分先汽化進(jìn)入氣相，使得氣相和液相的組成均發(fā)生了改變，受組分影響的汽化潛熱也隨之改變。另一方面，隨著液相中的組分不斷汽化，殘留液體的體積逐漸減少，容器內(nèi)的沾濕面積逐漸減小，相應(yīng)的容器的總吸熱量越來越少。因此，對于含有寬沸點組分的體系，其火災(zāi)工況的安全泄放質(zhì)量流量在整個泄放過程中是動態(tài)變化的，其變化趨勢應(yīng)根據(jù)不同工況進(jìn)行具體分析。

2 動態(tài)模型的建立

2．1 工藝參數(shù)

某氣田段塞流捕集器為臥式兩相壓力容器，容器尺寸2．0 m ID×6．0 m T／T、操作溫度16℃、操作壓力12 100 k Pa（A）、正常操作液位500 mm、安全閥設(shè)定壓力13 300 k Pa（A）。

段塞流捕集器的進(jìn)料組成見表1。

表1 段塞流捕集器進(jìn)料組成Table 1 Feed composition of the slug catcher

段塞流捕集器的液位和壓力設(shè)計參數(shù)見表2。

表2 段塞流捕集器工藝設(shè)計參數(shù)Table 2 Process design parameters of the slug catcher

2．2 建立動態(tài)模型

使用HYSYS動態(tài)模塊建立的段塞流捕集器火災(zāi)工況動態(tài)模型見圖1。模型建立的主要步驟如下：

產(chǎn)品上市前，D企業(yè)創(chuàng)造性地整合現(xiàn)有的人力資源和信息資源，對辦公室無人貨架這一創(chuàng)業(yè)機會進(jìn)行評估，并拼湊現(xiàn)有的技術(shù)資源以實現(xiàn)產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)，其資源拼湊模式為手段導(dǎo)向型（6＞2）。產(chǎn)品上市后，創(chuàng)始人利用故鄉(xiāng)的社會關(guān)系網(wǎng)絡(luò)，將辦公室無人貨架的網(wǎng)點擴展到數(shù)百家，與多家物流企業(yè)達(dá)成合作協(xié)議，并成功融資數(shù)億元，其資源拼湊模式為社會網(wǎng)絡(luò)型（13＞2）。

（1） 在HYSYS動態(tài)環(huán)境下搭建段塞流捕集器的生產(chǎn)模型，添加閥門及PID控制器，并根據(jù)工藝要求，輸入段塞流捕集器的設(shè)備參數(shù)、安全閥參數(shù)、閥門Cv值、進(jìn)料組成等數(shù)據(jù)。

（2） 輸入邊界條件，根據(jù)操作條件設(shè)定PID參數(shù)，運行模型直至穩(wěn)定。

（3） 使用Spreadsheet工具計算火災(zāi)工況下段塞流捕集器的熱吸收量，并與相應(yīng)的物流關(guān)聯(lián)。

（4） 使用Event Scheduler工具建立段塞流捕集器的火災(zāi)工況事故控制邏輯。

（5） 使用Databook工具記錄并查看各工藝參數(shù)及其變化趨勢。

3 動態(tài)模擬結(jié)果及分析

3．1 參數(shù)曲線圖分析

圖2給出了在正常操作溫度、操作壓力下，發(fā)生火災(zāi)工況時，段塞流捕集器的溫度、壓力、液位、熱吸收量、安全閥泄放質(zhì)量流量隨時間的變化曲線。

由圖2可知，段塞流捕集器的火災(zāi)事故發(fā)生后，各參數(shù)有如下變化趨勢：

（1） 溫度：受外部火災(zāi)的影響，段塞流捕集器內(nèi)不斷有熱量輸入，由于容器內(nèi)部的流體為多組分的油氣水混合物，使得容器內(nèi)流體溫度呈不斷上升的趨勢。

（2） 壓力：外部火災(zāi)發(fā)生后，段塞流捕集器內(nèi)的液體不斷蒸發(fā)和氣體受熱膨脹使得容器內(nèi)部壓力迅速上升，當(dāng)達(dá)到安全閥設(shè)定起跳壓力后，觸發(fā)安全閥開啟泄壓，容器壓力維持在允許的超壓范圍內(nèi)。

（3） 液位：在外部火災(zāi)發(fā)生后，容器內(nèi)的液體一方面會受熱膨脹使得體積增大，另一方面會因受熱蒸發(fā)使得體積減小。此外，在不斷增大的壓力作用下液體體積會被壓縮減小。在本文中，段塞流捕集器內(nèi)液位受以上3方面因素的綜合影響呈不斷下降趨勢。

（4） 熱吸收量：由式（2）可知，段塞流捕集器內(nèi)沾濕面積的大小決定了容器在發(fā)生外部火災(zāi)時的熱吸收量，而沾濕面積又是液位的函數(shù)。因此，熱吸收量的變化趨勢與液位的變化趨勢同向，即熱吸收量隨著容器液位的下降而減小。

（5） 安全閥泄放質(zhì)量流量：由圖2可知，安全閥的泄放開始于外部火災(zāi)發(fā)生約10 min后，泄放質(zhì)量流量在泄放初期迅速上升并在泄放開始約3 min后達(dá)到最大值，之后泄放質(zhì)量流量逐漸下降。

3．2 初始液位對火災(zāi)工況安全泄放質(zhì)量流量的影響

在正常操作壓力設(shè)定點下，分別選取表2中各液位設(shè)定點作為段塞流捕集器的初始液位，運行動態(tài)模型，得到不同初始液位下火災(zāi)工況泄放質(zhì)量流量變化曲線，見圖3。各初始液位下安全閥最大泄放質(zhì)量流量見圖4。

由圖3和圖4可知，初始液位不同，所產(chǎn)生的泄放質(zhì)量流量和安全閥起跳時間均不相同。以低報警點液位250 mm作為初始液位時產(chǎn)生的泄放質(zhì)量流量最大，安全閥起跳時間最短。由圖4可知，以低報警點液位250 mm作為初始液位時產(chǎn)生的最大泄放質(zhì)量流量為1 482 kg／h，比以正常操作液位500 mm作為初始液位時產(chǎn)生的最大泄放質(zhì)量流量1 278 kg／h大204kg／h。因此，以正常操作液位作為初始液位，所得到的最大泄放質(zhì)量流量不是體系的最大泄放質(zhì)量流量。

初始液位對安全泄放質(zhì)量流量的影響主要表現(xiàn)為：在溫度、壓力相同的前提下，初始液位越低，容器內(nèi)的沾濕面積就越小，容器的總吸熱量就越少，轉(zhuǎn)化為顯熱的吸熱量也越少；另一方面，初始液位越低，容器內(nèi)殘留的液體就越少，受熱后液相汽化率越高。

3．3 初始壓力對火災(zāi)工況安全泄放質(zhì)量流量的影響

以液位低報警設(shè)定點250 mm作為初始液位，分別選取表2中各壓力設(shè)定點作為段塞流捕集器的初始壓力，運行動態(tài)模型，得到不同初始壓力下火災(zāi)工況泄放質(zhì)量流量變化曲線，見圖5。各初始壓力下安全閥最大泄放質(zhì)量流量見圖6。

由圖5和圖6可知，初始壓力不同所產(chǎn)生的泄放質(zhì)量流量和安全閥起跳時間均不相同。初始壓力越高，產(chǎn)生的最大泄放質(zhì)量流量越大，安全閥起跳時間越短。由圖6可知，以高高關(guān)斷壓力12 600 k Pa（A）作為初始壓力時產(chǎn)生的最大泄放質(zhì)量流量為1 586 kg／h，比以正常操作壓力12 100 k Pa（A）作為初始壓力時產(chǎn)生的最大泄放質(zhì)量流量1 482 kg／h大104 kg／h。因此，以正常操作壓力作為初始壓力，所得到的最大泄放質(zhì)量流量不是體系的最大泄放質(zhì)量流量。

初始壓力對泄放質(zhì)量流量的影響主要表現(xiàn)為：在溫度和液位相同的前提下，初始壓力越高，容器內(nèi)殘留的氣液相質(zhì)量和密度就越大，相應(yīng)的汽化潛熱值就越大；另一方面，初始壓力不同，容器內(nèi)達(dá)到相平衡的組成也不同。

4 結(jié)論

使用HYSYS動態(tài)模擬方法能夠準(zhǔn)確直觀地記錄和掌握壓力容器火災(zāi)工況下各種參數(shù)隨時間的變化趨勢，從而為安全閥泄放面積的計算提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)參數(shù)。

本文使用HYSYS動態(tài)模擬建立了段塞流捕集器的包含關(guān)斷邏輯的全動態(tài)生產(chǎn)模型，使用該模型分析研究了不同初始壓力和液位對段塞流捕集器火災(zāi)工況安全閥泄放的影響。結(jié)果表明，初始條件對段塞流捕集器的安全泄放質(zhì)量流量有明顯影響，正常操作液位和正常操作壓力下的安全泄放質(zhì)量流量1 278kg／h比實際最大泄放質(zhì)量流量1 586 kg／h小308 kg／h。

安全閥的最大泄放質(zhì)量流量是安全閥選型的關(guān)鍵參數(shù)，在計算安全閥泄放質(zhì)量流量時，應(yīng)根據(jù)容器的實際操作情況對選擇不同初始條件進(jìn)行泄放質(zhì)量流量的分析和對比，從中找出最大的安全閥泄放質(zhì)量流量，作為安全閥選型的依據(jù)，確保安全閥的泄放能力能夠滿足容器實際泄放要求。

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［2］ 曹湘洪．石油化工流程模擬技術(shù)進(jìn)展及應(yīng)用［M］．北京：石化出版社，2009：340－357．

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