半動態(tài)模擬技術(shù)在海上平臺火災(zāi)工況泄放計(jì)算中的應(yīng)用

陳文峰，戴 磊，付子文，王 濤

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

1 前言

安全泄放裝置的主要功能是防止由于火災(zāi)、操作故障等原因，導(dǎo)致分離器、鍋爐超壓而發(fā)生爆炸事故[1]。海上生產(chǎn)平臺的油氣集輸設(shè)備、電氣設(shè)備等集中在一個非常狹小的區(qū)域里，因此海上生產(chǎn)平臺的安全生產(chǎn)至關(guān)重要[2]。安全泄放裝置是海上平臺生產(chǎn)分離器安全工作運(yùn)行的重要安全保障之一。因此，安全泄放裝置的設(shè)計(jì)是工程項(xiàng)目中非常重要的內(nèi)容之一。

在海上生產(chǎn)平臺上，安全閥被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)分離器上，而在安全閥的設(shè)計(jì)工作中，被保護(hù)設(shè)備的最大泄放量是關(guān)鍵參數(shù)之一。但是在海上平臺生產(chǎn)分離器的火災(zāi)工況中，計(jì)算其最大泄放量并不容易，尤其是對于像原油這樣的復(fù)雜的多組分物系，隨著容器不斷吸收熱量，蒸氣不斷的泄放，容器內(nèi)液位不斷變化，導(dǎo)致分離器內(nèi)的閃蒸氣及液體組成不斷發(fā)生變化，流體溫度和潛熱值也在不斷發(fā)生變化，需求泄放量不僅取決于熱量的吸收，還取決于分離器內(nèi)部物系的實(shí)際組成，在這種多變量的情況下，計(jì)算出分離器的最大泄放量是非常繁瑣復(fù)雜的[3]。

2 方法介紹

2.1 泄放量計(jì)算方法

HYSYS Safety Analysis中的半動態(tài)(Semi-Dynamic Flash)方法是假設(shè)壓力容器中的流體組分在泄壓的過程中保持密度的恒定，并且在壓力容器泄壓過程中一直保持氣液兩相的狀態(tài)。如果壓力容器在泄放條件下存在氣液兩種相態(tài)，那么隨著時間的推移，熱量不斷輸入，液相的溫度會逐漸升高，液體在泄放壓力條件下會進(jìn)行閃蒸過程，每一次閃蒸的濕面積、熱量吸收速率、氣體性質(zhì)都隨著時間不斷變化。根據(jù)每次閃蒸相對應(yīng)的濕面積、吸收熱速率、流體性質(zhì)進(jìn)行泄放量的計(jì)算。

當(dāng)海上生產(chǎn)平臺發(fā)生池火時，分離器的外表面被火焰包圍，這時吸收熱量的有效面積是分離器內(nèi)部的液體潤濕面積。確定潤濕面積是非常重要的, 半動態(tài)(Semi-Dynamic Flash)方法中用式(1)估算其熱吸收[4]。

(1)

再根據(jù)閃蒸需要的實(shí)際熱量Qflash，利用公式(2)計(jì)算間隔時間Dt。

(2)

半動態(tài)(Semi-Dynamic Flash)方法原理示意圖如圖1。目前該方法可以實(shí)現(xiàn)至多100次的閃蒸計(jì)算，高效地提高了閃蒸就算次數(shù)，實(shí)現(xiàn)近似動態(tài)模擬計(jì)算的過程，這樣的模擬方法使得整個計(jì)算過程與真實(shí)的泄放過程更為接近，提高了計(jì)算精度。

圖1 Semi-Dynamic Flash方法示意圖Fig.1 Schernatic diagram of Semi-Dynamic Flash method

2.2 泄放面積計(jì)算方法

HYSYS Safety Analysis環(huán)境下能夠自動計(jì)算流體處于臨界狀態(tài)還是亞臨界狀態(tài)，根據(jù)其狀態(tài)采用相應(yīng)的公式。

在閥嘴處達(dá)到聲速的壓力(Pcf)與入口壓力(P1)的絕對壓力之比稱為臨界壓比，Pcf是臨界流動壓力[5]。絕對壓力表示的臨界流動壓力比可以用理想氣體關(guān)系式的方程(式(3))得到。

(3)

式中:Pcf——噴嘴臨界流動壓力，psia；P1——上游泄放壓力，psia；K——理想氣體的比熱。

蒸氣或氣體泄放的安全閥煩的尺寸計(jì)算有兩種類型，根據(jù)流體是臨界流動還是亞臨界流動選用不同的公式。如果閥嘴下游壓力小于或等于臨界流動壓力Pcf,將會產(chǎn)生臨界流動[5]。根據(jù)API 520，其尺寸計(jì)算可以公式(4)計(jì)算：

(4)

(5)

若是下游的壓力大于臨界流動壓力Pcf，則會產(chǎn)生亞臨界流動[5]，其尺寸根據(jù)公式(6)計(jì)算：

(6)

(7)

上述式(4)～式(7)中：W——需要泄放量，kg/h；P1——上游泄放壓力，kPaA；P2——出口總背壓，kPaA；Kd——出口效率；不同介質(zhì)效率不同；Kb——背壓校正系數(shù)，該數(shù)值可以從制造商處獲得；Kc——組合系數(shù)，當(dāng)安裝爆破片時，默認(rèn)值為0.9，當(dāng)無爆破片時，默認(rèn)值為1；T——進(jìn)口泄放溫度，K；Z——壓縮系數(shù)，真實(shí)氣體與理想氣體的偏差；M——相對分子質(zhì)量；A——計(jì)算出的排除面積，mm2；k——比熱比；C——泄放溫度下的有效排除系數(shù);F2——超臨界流體系數(shù);r——P2/P1。

3 工程實(shí)例分析

3.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

以某項(xiàng)目的三相分離器(V-2020)的安全閥(PSV-2041A/B)計(jì)算為例。三相分離器V-2020)處理能力為845 Sm3/h(GAS)/42 m3/h(CRUDE OIL)/50 m3/h(WATER)。V-2020設(shè)備基本信息如表1所示。V-2020進(jìn)口物流組成信息見表2。

表1 V-2020基礎(chǔ)信息Tab.1 Basic information of V-2020

表2 2020進(jìn)口物流組分信息Tab.2 2020 import logistics cornponent information

3.2 Semi-Dynamic Flash方法的計(jì)算結(jié)果

Safety Analysis環(huán)境下，輸入設(shè)備信息，選用半動態(tài)(Semi-Dynamic Flash)方法。以閃蒸50次為例，通過計(jì)算得到泄放量為4 663 kg/h。

Safety Analysis環(huán)境下提供了vapor，liquid，HEM等7種方法計(jì)算有效泄放面積，最后根據(jù)有效泄放面積選擇標(biāo)準(zhǔn)孔口面積。該案例中選擇Vapor方法計(jì)算有效泄放面積，輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后計(jì)算出有效泄放面積為2.26 cm2，選擇3.254(G)標(biāo)準(zhǔn)孔徑。對比工程案例中的詳細(xì)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 V-2020泄放量結(jié)果對比Tab.3 Comparison of discharge volume results of V-2020

3.3 閃蒸次數(shù)對泄放量的影響

應(yīng)用半動態(tài)(Semi-Dynamic Flash)方法分別進(jìn)行10次～100次閃蒸，得到的泄放量數(shù)據(jù)如圖2與圖3所示。理論上閃蒸次數(shù)增加可以提高泄放量計(jì)算精度，但在50次閃蒸計(jì)算后峰值泄放量以及峰值出現(xiàn)時氣化率都越來越緩和。說明在一定的閃蒸次數(shù)計(jì)算后結(jié)果趨于穩(wěn)定，案例通過50次閃蒸計(jì)算可以比較精準(zhǔn)地計(jì)算出最大泄放量。對于實(shí)際情況，Safety Analysis雖然可以快速計(jì)算出不同閃蒸次數(shù)下的最大泄放量，但通過選擇最合理的閃蒸次數(shù)可以縮短計(jì)算時長，提高設(shè)計(jì)效率。

圖2 最大泄放量隨閃蒸次數(shù)增加的變化Fig.2 Variation of maximum discharge capacity with the increase of flash number

圖3 泄放峰值出現(xiàn)時間，峰值氣化率隨閃蒸次數(shù)增加的變化Fig.3 The peak time of venting and the peak gasification rate with the increase of flash number

3.4 與靜態(tài)逐級閃蒸計(jì)算方法對比

目前設(shè)計(jì)中，確定分離器火災(zāi)工況下需求泄放量主要是應(yīng)用靜態(tài)逐級閃蒸模擬的計(jì)算方法，該方法模擬真實(shí)泄放過程，氣液實(shí)際體積流率總是容器的實(shí)際體積，每次吸熱產(chǎn)生的多出的蒸氣都由VENT排放出去。需要人工逐級搭建模型，人工計(jì)算吸收熱、濕面積，閃蒸級數(shù)等。靜態(tài)逐級閃蒸原理示意圖如圖4。

圖4 靜態(tài)逐級閃蒸原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of static step by step flash

常規(guī)靜態(tài)逐級閃蒸模擬計(jì)算與半動態(tài)(Semi-Dynamic Flash)方法的內(nèi)核是具有一致性，但結(jié)果有所差別，利用計(jì)算得到的閃蒸數(shù)據(jù)，可以得到泄放量隨時間變化的擬合曲線圖，如圖5所示。常規(guī)逐級閃蒸模擬方法，模擬出整個泄放過程存在1個泄放高峰。而應(yīng)用Semi-Dynamic Flash方法進(jìn)行模擬計(jì)算時，無論是5次閃蒸模擬，還是50次閃蒸模擬，都模擬出兩個泄放高峰。

圖5 兩種計(jì)算方法最大泄放量隨時間增加的變化Fig.5 The change of maximum discharge capacity with time in two kinds of calculation method

案例中原油含水量約29%，C4以下組分約27%，C7以上組分占比約26%，C11以上原油占6.2%，這種油水體系下，油與水氣化的過程比較復(fù)雜，案例中含水原油體系泄放過程大致可以分為含水輕烴泄放為主，含水較重原油泄放兩個階段。根據(jù)圖5所示，半動態(tài)(Semi-Dynamic Flash)方法計(jì)算結(jié)果比較符合實(shí)際泄放過程，首先是在泄放條件下，輕烴與水蒸汽的泄放，案例中輕烴與水摩爾占比約60%，在整個火災(zāi)工況泄放初期形成了第一個泄放高峰，泄放流體密度較??；而后相對較重原油與水繼續(xù)氣化泄放，形成第二個泄放高峰，泄放流體密度較大。

而常規(guī)靜態(tài)逐級閃蒸方法僅粗糙的模擬出了一個峰值。由于常規(guī)靜態(tài)逐級閃蒸需要人工計(jì)算吸收熱，限制了閃蒸計(jì)算次數(shù)，閃蒸計(jì)算模擬的時間間隔長，每次閃蒸模擬的組分、流體物性等參數(shù)都會與實(shí)際情況存在一定偏差，隨著模擬的火災(zāi)時間越來越長，計(jì)算結(jié)果的偏差也會逐漸增大，這使得常規(guī)方法需求泄放量的計(jì)算不夠準(zhǔn)確，可能從而影響了海上平臺火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

4 總結(jié)

1)目前工程項(xiàng)目常規(guī)采用的計(jì)算火災(zāi)工況寫放量的方法需要逐級搭建模型，人工計(jì)算吸收熱、濕面積，閃蒸級數(shù)受到限制，計(jì)算耗時耗力計(jì)算精度卻一般；而半動態(tài)(Semi-Dynamic Flash)不僅自動計(jì)算、輸入簡單、效率高，而且最大閃蒸次數(shù)高達(dá)100次，計(jì)算精度高。

2)半動態(tài)(Semi-Dynamic Flash)閃蒸級數(shù)在50次以上能得到較精準(zhǔn)泄放數(shù)據(jù)，在應(yīng)用時推薦采用至少50次閃蒸。

3)半動態(tài)(Semi-Dynamic Flash)模擬技術(shù)與常規(guī)的泄放模擬技術(shù)相比，無論計(jì)算精度，還是計(jì)算效率，都有大幅度提高。該方法可以有的效解決分離器火災(zāi)工況安全泄放計(jì)算中出現(xiàn)的計(jì)算繁瑣、效率低下、精度差的問題。該方法的應(yīng)用為海上平臺精細(xì)化設(shè)計(jì)提供了良好的方案，為海上平臺火炬系統(tǒng)優(yōu)化提高重要的數(shù)據(jù)支撐。