Aspen Flare System Analyzer在火炬管網設計與分析中的具體應用

王珊珊

中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司

Aspen Flare System Analyzer在火炬管網設計與分析中的具體應用

王珊珊

中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司

火炬氣的排放系統(tǒng)設計是一個非常復雜的過程，涉及到各泄放點的背壓與管路馬赫數(shù)的計算。介紹了Aspen Flare System Analyzer模擬軟件的特點及應用方法，該軟件遵循API的規(guī)范要求，通過計算火炬管網中各管段始末點的壓力、溫度、流速等參數(shù)，可有效發(fā)現(xiàn)設計中的不合理管徑并進行修改。以中東某油田地面工程項目為例，闡述了在工程實際中如何通過該軟件進行火炬管網核算。高壓火炬管網的核算結果顯示，部分安全閥尾管背壓和馬赫數(shù)過大，經軟件修改后的尺寸在實際運行中可滿足火炬氣的排放要求，保證了系統(tǒng)安全。表明了該軟件在安全閥的選型和火炬管網的設計工作中的應用價值。

Aspen Flare System Analyzer 火炬管網 泄放系統(tǒng) 馬赫數(shù)

在油田的地面處理設施中都設有火炬系統(tǒng)，將生產中無法處理的有毒氣體或生產設備中泄放出的氣體在火炬上燒掉,以保證安全生產。通常，火炬系統(tǒng)由安全泄放裝置、火炬管網以及火炬裝置3部分組成[1]。目前,國內外對火炬系統(tǒng)的研究多集中于安全泄放裝置和火炬裝置，對火炬管網的研究比較薄弱,沒有形成系統(tǒng)化的設計流程[2-3]。以往的火炬管網設計多采用簡化的經驗公式進行人工計算，主要集中于管網的壓降計算和單個安全泄放裝置背壓的校核，沒有進行多點組合泄放的情況分析。當多個泄放閥同時泄放時，形成的附加背壓是變化的，并且由于排放氣體的可壓縮性，其密度和流速在流動中也是很難用函數(shù)公式計算的。Aspen Flare System Analyzer(以下簡稱Flare-net)是進行火炬和泄放管網水力設計與分析的專業(yè)軟件，可以模擬火炬系統(tǒng)，并根據(jù)用戶定義的約束條件計算、核算從泄放點到火炬頭的匯管系統(tǒng)，在石油化工領域具有廣泛應用。

1 軟件特點

Flare-net具備了直觀的工藝流程圖的操作環(huán)境，可以清晰、精確地呈現(xiàn)整個火炬網絡。一個典型的火炬或放空系統(tǒng)會由幾十甚至上百個相互連接的部分組成，其中包括：泄壓閥、控制閥、管道、連接器(包括擴徑、縮徑、三通等)、分離器和火炬頭[4]。Flare-net確保模型盡可能簡單有效，并具有以下特點：

①執(zhí)行API-RP-520/521標準。

②可計算工藝流程的過程參數(shù)(例如壓力、流量、馬赫數(shù)、噪音等)。

③設計了出錯報告，可以總結超出設計限制的情況。

④可進行溫度跟蹤、氣體屬性跟蹤。

⑤可輸入單一分子量或從Aspen HYSYS模型導入組分數(shù)據(jù)，建立全組分分析。

⑥可定義多種工況：緊急關斷、火災、電源或冷卻失效、單個設備關斷等。

⑦管道等級允許定義標準尺寸，執(zhí)行項目標準。

⑧具備Excel、 Access等接口輸出，可導出數(shù)據(jù)。

2 計算模式

在軟件里,提供了以下3種計算模式。

(1) 設計模式：用于設計新的火炬管網系統(tǒng)，根據(jù)約束條件(例如管道流速、安全閥的最大允許背壓等)來確定系統(tǒng)中所有管道的尺寸。

(2) 核算模式：依據(jù)現(xiàn)有管徑和泄放量核算該主管系統(tǒng)的壓力降和溫度。

(3) 脫瓶頸模式：對于用戶指定的管網區(qū)域，進行管徑的重新計算以解決在管網中出現(xiàn)的背離設計原則的瓶頸問題[5]。

3 應用范圍

火炬排放工況很復雜,有可能是單一氣相排放,也可能是氣液排放，軟件對單相流和多相流分別提供了熱力學和壓降的計算方法[5]。

3.1 氣液平衡計算

對于最初的設計模式，使用Compressible Gas方程，可提供一種較快速的計算。對于兩相流或核算模式，切換到Peng-Robinson方程，提高準確性。

3.2 壓力降計算

3.2.1 單相流模型

單相氣體有Isothermal和Adiabatic兩種流動的數(shù)學模型。

3.2.2 氣液兩相流模型

Beggs and Brill也是一種適用于氣液兩相流壓降計算的方法,是可以用于水平、垂直和任意傾斜氣液兩相管流計算的常用方法，推薦使用Beggs and Brill(Homogenous)。

4 管網模型的建立步驟

使用Flare-net搭建火炬管網模型，首先要按照裝置的布局情況，搭建火炬總管、各級支管、尾管和安全閥。管道的長度，高程差，大小頭、彎頭等管件數(shù)量需由配管專業(yè)提供[6]。

建立需要模擬的工況，給定設計約束值，如馬赫數(shù)、流速、噪音等。然后，設置泄放源，輸入各泄放點的分子組成、壓力、溫度等基本參數(shù)，以及定義管道的基本參數(shù)，但管道尺寸在初始計算之前不用給出。其中，安全閥的出口溫度可由軟件自動估算一個數(shù)值，計算完畢后使用Refresh Source Temperature工具，更新初始估計溫度。

完成這些最基本的定義之后，可由軟件根據(jù)各工況下安全閥的泄放量進行計算，得出整個火炬管網的管路尺寸。也可根據(jù)工程經驗先給定一個較為合理的尺寸，由軟件進行核算。如果根據(jù)給定尺寸校核出的背壓超出安全閥的最大允許背壓，或者管道內介質流速超過規(guī)定的馬赫數(shù)，管路會自動出現(xiàn)紅色的報警。此時，則需要使用“去瓶頸模式”重新計算管徑，直到計算的馬赫數(shù)、背壓、噪音等小于規(guī)定的約束值為止。

在定義管道時，需要注意尾管和總管的區(qū)別?？偣苤薪橘|流量是按照各安全閥的實際排量進行計算，尾管則是按照安全閥的額定排量進行計算，一般將安全閥后管道定義為尾管[6]。

5 工程實例

5.1 設計基礎

油田共建立高壓和低壓兩套火炬系統(tǒng)，高壓火炬系統(tǒng)是用于處理通過安全閥和緊急泄壓閥泄放的氣體，低壓火炬系統(tǒng)處理通過調節(jié)閥泄放的氣體，在此只討論安全閥泄放工況。根據(jù)總圖布置確定與高壓火炬系統(tǒng)相連的裝置，搭建模型。

5.2 輸入數(shù)據(jù)

已經根據(jù)API-RP-521計算得出[7]:火炬筒體尺寸24 inch(1 inch = 2.54 cm)，火炬分液罐直徑2.8 m。

Flare-net是根據(jù)API-RP-520的標準編制的，其中常規(guī)安全閥的最大允許背壓為整定壓力的10%，平衡式安全閥的為30%～50%。阻塞工況的泄放壓力為整定壓力的110%，火災工況的為121%[8]。安全閥的尺寸已根據(jù)安全閥 Plus計算出，尾管尺寸與閥門出口尺寸保持一致(見表1)。

表1 各獨立安全閥的泄放數(shù)據(jù)Table1 DataofeachseparatePSVs安裝安全閥的設備泄放量/(kg·h-1)整定壓力/bar(G)操作壓力/bar(G)泄放溫度/℃安全閥型式最大允許背壓/bar(G)高壓壓縮機出口1761576054105平衡式18.0燃氣洗滌器29078403547平衡式12.0三甘醇再生塔11443.51.1110平衡式1.05氣舉壓縮機89078135129116.5常規(guī)型13.5一級分離器129000105.940.6平衡式3.0二級分離器15200103.464.3平衡式3.0 注:1bar=0.1MPa。

對于火炬總管的馬赫數(shù)一般要求小于0.5，低壓火炬的則一般為0.2，火炬尾管的可以比總管略高，但一般不超過 0.7[9-10]。

根據(jù)總圖布局確定火炬管網的走向、管路間的連接方式，測量各放空管路長度。根據(jù)氣相管線設計基本原則估算放空管線的初步尺寸(見表2)。

表2 火炬管網的管路數(shù)據(jù)Table2 Pipingdataofflare-net管路初步估算尺寸/inch當量長度/m高壓火炬筒體2466主管1(管線11)2420主管2(管線9)2415主管3(管線13)2450主管4(管線17)24100主管5(管線22)24200主管6(管線21)24295高壓壓縮機安全閥尾管(管線2/3/5/7)4/4/4/450/50/50/50高壓壓縮機分匯管(管線1/4/6/24)12/24/24/2427/27/27/27氣舉壓縮機安全閥尾管(管線14/15)6/630/30氣舉壓縮機分匯管(管線16)2452燃氣洗滌器安全閥尾管(管線10)321三甘醇再生塔安全閥尾管(管線12)327一級分離器安全閥尾管(管線18)1030二級分離器安全閥尾管(管線19)618分離器區(qū)域分匯管(管線8/20)24/2430/182 注:1inch=2.54cm。

5.3 搭建模型

高壓火炬管網采用Flare-net 模擬的流程圖見圖1。

5.4 工況分析

對于安全閥泄放，應考慮以下4種工況。

(1) 所有高壓壓縮機的安全閥泄放：當壓縮機出口堵塞，350 000 m3/d的氣體要通過安全閥泄放，這時管網中的泄放量是最大的，為控制工況。

(2) 一二級分離器的安全閥泄放：當總電源故障，下游電脫鹽撬關斷，導致上游分離器超壓。

(3) 燃氣洗滌器和三甘醇再生塔的安全閥泄放：供燃料氣管路堵塞，導致上游洗滌器及三甘醇裝置超壓。

(4) 氣舉壓縮機緊急關斷時的安全閥泄放。

5.5 核算結果及修改

工況1：高壓壓縮機的安全閥尾管背壓14.04 bar(G)超過整定壓力的10%，但沒有超過整定壓力60 bar(G)的30%，所以安全閥需要使用平衡式安全閥。且尾管的馬赫數(shù)為1.0，超過馬赫數(shù)為0.7的要求，運用“脫瓶頸模式”重新計算，尾管尺寸由4 inch變?yōu)? inch。

工況2：一二級分離器的安全閥尾管背壓2.68 bar(G)超過整定壓力的10%，但小于30%，所以安全閥需要使用平衡式安全閥。

工況3：燃氣洗滌器的安全閥尾管背壓2.8 bar(G)沒有超過整定壓力40 bar(G)的10%，所以安全閥可以使用常規(guī)型安全閥。但尾管的馬赫數(shù)為1.0，超過馬赫數(shù)為0.7的要求，運用“脫瓶頸模式”重新計算，尾管尺寸由3 inch變?yōu)?0 inch。

工況4：氣舉壓縮機的安全閥尾管背壓4.6 bar(G)沒有超過整定壓力135 bar(G)的10%，所以安全閥可以使用常規(guī)型安全閥。但尾管的馬赫數(shù)為1.0，超過馬赫數(shù)為0.7的要求，運用“脫瓶頸模式”重新計算，尾管尺寸由 6 inch變?yōu)?0 inch。

6 結 語

(1) 通過運用Flare-net對該高壓放空管網整體核算，以及對部分管線尺寸進行修改，保障了高壓火炬系統(tǒng)的安全性，且裝置近一年的投產運行情況良好，也顯示了即使在緊急泄放工況時，火炬管網也能完全滿足系統(tǒng)的安全泄壓要求，計算結果準確可靠。

(2) 在火炬系統(tǒng)的設計中，借助Flare-net計算出的火炬管線尺寸和安全閥的型式能夠符合設計要求，不僅能提高設計的準確度，還能對系統(tǒng)的綜合分析提出安全可靠的技術方案。

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Application of Aspen Flare System Analyzer in the design and analysis of flare-net

Wang Shanshan

ChinaPetroleumEngineeringCo.,Ltd,BeijingCompany,Beijing,China

Design of flare gas relieving system is a very complicated process, involving the calculation of each pipe back pressure and Mach number. This paper introduced the characteristics and application of Aspen Flare System Analyzer simulation software. Following the API specification requirements, the software can calculate the parameters such as pressure, temperature and flow rate at the beginning and the end of each pipe sections in flare system, so as to facilitate the identification and modification of the unreasonable design of the pipe diameters. In this paper, how to apply this software to review the flare system in an engineering project was demonstrated by taking an oil field surface facilities development project in the Middle East as an example. Calculation results of high pressure flare system showed that the back pressure and Mach number of some pressure safety valves’ tailpipe were too high. With the modification advised by software, the pipe sizes can satisfy the relieving gas requirements in operation, which ensures security of the system. Result indicates the value of this software in pressure safety valve selection and flare-net design.

Aspen, Flare System Analyzer， flare-net, relieving system, Mach number

王珊珊(1989-)，女，河北滄州人，工程師，2011年畢業(yè)于北京化工大學化學工程與工藝專業(yè)，大學學歷(工學學士)，現(xiàn)就職于中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司，從事油氣田地面工程的工藝設計工作。E-mail:wangshanshan@cpebj.com

TE687

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.01.022

2016-07-04；編輯：鐘國利