HYSYS動(dòng)態(tài)模擬方法進(jìn)行安全閥尺寸分析

李 濤 李 昱 江蘇敏遲大煒魏彥海中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司

HYSYS動(dòng)態(tài)模擬方法進(jìn)行安全閥尺寸分析

李 濤 李 昱 江蘇敏遲大煒魏彥海中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司

以原油處理站三相分離器為例討論了堵塞和火災(zāi)兩種工況下HYSYS計(jì)算安全閥尺寸的方法，并與另一種安全閥計(jì)算軟件PSVPlus的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。HYSYS動(dòng)態(tài)模擬很好地反映了分離器憋壓和安全閥泄放流量變化過(guò)程；堵塞工況HYSYS動(dòng)態(tài)模擬方法與PSVPlus計(jì)算結(jié)果一致；火災(zāi)工況動(dòng)態(tài)模擬方法的計(jì)算結(jié)果要小于PSVPlus計(jì)算結(jié)果。

安全閥；堵塞和火災(zāi)；HYSYS；設(shè)計(jì)；流量；壓力

在原油處理站場(chǎng)，安全閥作為一種壓力泄放裝置在特定條件下可以有效保護(hù)管線或容器設(shè)備不超過(guò)允許的最高工作壓力。安全閥尺寸的計(jì)算需要泄放介質(zhì)的物性參數(shù)和泄放流量等參數(shù)，穩(wěn)態(tài)設(shè)計(jì)方法可參照API521[1]，API521中提到合理利用動(dòng)態(tài)的模擬方法計(jì)算結(jié)果可以更接近實(shí)際。本文利用HYSYS動(dòng)態(tài)模擬了三相分離器堵塞與火災(zāi)兩種工況，并與一種穩(wěn)態(tài)軟件PSVPlus計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 工況分析

某原油中心處理場(chǎng)，臥式三相分離器直徑4 m，長(zhǎng)23 m，操作液位2 m，操作溫度40～60℃，操作壓力1 100 kPa，設(shè)計(jì)壓力1 600 kPa，設(shè)計(jì)溫度85℃。原油處理量400 m3/h，含水率10%，氣油比113 sm3/sm3。

1.1 對(duì)于堵塞工況

（1）三相分離器的氣相管線誤關(guān)閉。入口和液相出口閥門正常操作，氣相在分離器內(nèi)不斷積聚達(dá)到安全閥的開(kāi)啟壓力，安全閥的開(kāi)啟壓力1 600 kPa，容器內(nèi)允許超壓1 760 kPa。

（2）三相分離器的液相和氣相出口管線同時(shí)誤關(guān)。入口管線持續(xù)輸入油氣水混合物，分離器壓力升高的速度要明顯大于前一種工況，氣體泄放量也要大于前者，而且會(huì)出現(xiàn)安全閥氣液兩相泄放。在設(shè)計(jì)安全閥時(shí)這種工況不予考慮。

針對(duì)此工況，PSVPlus的設(shè)計(jì)方法只考慮（1）中情形，此時(shí)認(rèn)為分離器入口流量保持不變，安全閥的泄放流量為1 600 kPa、60℃下的氣體質(zhì)量流量，相關(guān)氣體物性為該壓力溫度下的物性。

1.2 對(duì)于火災(zāi)工況

（1）三相分離器周圍著火，進(jìn)出口閥門自動(dòng)關(guān)斷，外部火焰對(duì)一個(gè)孤立的容器進(jìn)行持續(xù)加熱。

（2）進(jìn)出口閥門不能有效關(guān)閉。外部火焰輸入的熱量不斷隨液體轉(zhuǎn)移出容器，液相產(chǎn)生的蒸汽量會(huì)小于前一種工況。但這種操作危險(xiǎn)性也極高，可能會(huì)造成火災(zāi)的擴(kuò)散，一般不允許這種操作。

針對(duì)此工況，PSVPlus的設(shè)計(jì)方法考慮工況（1）分離器與外界的聯(lián)系被切斷，安全閥的泄放壓力為1 600 kPa，容器內(nèi)允許超壓1 936 kPa，氣體的泄放流量可依據(jù)公式（1）求得

式中W為氣體泄放流量（kg/h）；F為環(huán)境系數(shù)；A為總濕潤(rùn)面積（m2）；H1為泄放條件下的液相氣化潛熱（kJ/kg）。

選擇合適的泄放溫度和壓力來(lái)確定泄放氣體的物性是很關(guān)鍵的，這是由于在加熱的過(guò)程中液體的氣化潛熱和氣相的摩爾質(zhì)量、比容等參數(shù)是不斷變化的。如圖1所示，通過(guò)HYSYS模擬發(fā)現(xiàn)在1600kPa、120℃左右時(shí)分離器入口物流的實(shí)際氣體體積流量將大于1 100 kPa、60℃時(shí)實(shí)際氣體體積流量，因此采用120℃作為泄放溫度。氣化潛熱為1 600 kPa、120℃下氣體的氣化潛熱，可以利用氣體的摩爾質(zhì)量從參考文獻(xiàn)[1]表A.1或直接從HYSYS中讀取。

圖1 實(shí)際氣體體積流量與溫度壓力的關(guān)系

2HYSYS動(dòng)態(tài)模擬

分別建立堵塞工況和火災(zāi)兩種工況的HYSYS動(dòng)態(tài)模型，設(shè)置不同的標(biāo)準(zhǔn)安全閥喉部直徑，并進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，得到合適的喉部直徑。

2.1 建立堵塞工況的HYSYS模型

（1）首先在HYSYS的Static State Model中建立穩(wěn)態(tài)模型。將三相分離器簡(jiǎn)化成二相分離器，LIC控制液相出口閥，PIC控制氣相出口閥，利用分配器引出另一條去PSV的物流，PSV開(kāi)啟壓力1600kPa，完全開(kāi)啟壓力1 760 kPa。

（2）設(shè)置初始邊界條件。分離器入口流量恒定，氣相出口壓力50 kPa，液相出口壓力800 kPa，分離器壓力控制在1 100 kPa，液位控制在50%的位置。

（3）將HYSYS轉(zhuǎn)化到Dynamic Model，設(shè)置PSV閥出口質(zhì)量流量、分離器壓力、溫度和安全閥開(kāi)度為監(jiān)控對(duì)象，運(yùn)行模型。

（4）待分離器壓力和液位穩(wěn)定后，分離器壓力為1 100 kPa，安全閥出口氣體流量為0。暫停Solver，刪除PIC，將壓力控制閥PV開(kāi)度改成0，運(yùn)行Solver。此時(shí)由于PV關(guān)閉，分離器內(nèi)壓力持續(xù)升高，直到達(dá)到PSV的設(shè)定值1 600 kPa，PSV開(kāi)啟。

堵塞工況的HYSYS模型見(jiàn)圖2。

圖2 堵塞工況的HYSYS動(dòng)態(tài)模型

2.2 建立火災(zāi)工況的HYSYS模型

（1）建立與堵塞工況相同的穩(wěn)態(tài)模型，PSV閥的完全開(kāi)啟壓力設(shè)成1 936 kPa，增添計(jì)算分離器吸熱量的電子表格和熱量物流。

（2）邊界條件與堵塞工況一致，增加潤(rùn)濕面積、安全閥入口氣化潛熱兩個(gè)監(jiān)控對(duì)象。

（3）在Dynamic Model中，首先運(yùn)行模型，待分離器壓力和液位穩(wěn)定后暫停Solver，刪除PIC和LIC，將PV閥和LV閥的開(kāi)度改成0，入口氣液流量變成0，將熱量物流引入分離器。運(yùn)行Solver，此時(shí)由于熱量的輸入，分離器內(nèi)的液相不斷氣化，容器內(nèi)壓力升高，潤(rùn)濕面積不斷變化，氣相空間達(dá)到設(shè)定壓力1 600 kPa時(shí)安全閥開(kāi)啟。

火災(zāi)工況的HYSYS模型見(jiàn)圖3。

圖3 火災(zāi)工況的HYSYS動(dòng)態(tài)模型

3 結(jié)果對(duì)比分析

（1）堵塞工況下，分離器內(nèi)的壓力與安全閥（N型安全閥）泄放氣體質(zhì)量流量隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖4。在44 min時(shí)氣體出口閥關(guān)閉，分離器內(nèi)的壓力迅速升高，約2 min中后達(dá)到安全閥的泄放壓力1 600 kPa；隨著安全閥開(kāi)度的增加，泄放量不斷增加，直到達(dá)到一個(gè)最大值（36 220 kg/h），此時(shí)分離器壓力和安全閥開(kāi)度也達(dá)到最大值；在1 756 kPa的壓力下，分離器入口的氣體質(zhì)量流量為35 022.5 kg/h，顯然這個(gè)流量不能維持安全閥瞬時(shí)的最大泄放量36 220 kg/h，因此泄放量會(huì)逐漸下降，最終趨于穩(wěn)定，直至和入口氣體流量相同，此時(shí)分離器內(nèi)壓力為1 704 kPa。

圖4 堵塞工況下的泄放量與分離器壓力

（2）火災(zāi)工況下，分離器內(nèi)的壓力與安全閥（J型安全閥）泄放氣體質(zhì)量流量隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖5。在18 min時(shí)外部火焰開(kāi)始加熱容器，120 min時(shí)分離器內(nèi)的壓力達(dá)到安全閥的開(kāi)啟壓力1 600 kPa，此時(shí)泄放溫度為118℃；安全閥開(kāi)啟后，容器內(nèi)壓力緩慢升高，在426 min時(shí)，壓力和泄放量達(dá)到第一個(gè)峰值1 775 kPa、7 116 kg/h，此時(shí)容器內(nèi)溫度為203℃，這個(gè)峰值的右側(cè)原油中的水全部汽化。水蒸氣通過(guò)安全閥泄放后，容器內(nèi)壓力降低，安全閥開(kāi)度逐漸減小，氣體泄放量也隨之減少，隨著外部火焰的加熱，容器內(nèi)壓力慢慢回升，原油中的重組分被加熱約400 min后不斷氣化，分離器的壓力和安全閥泄放量達(dá)到第二個(gè)峰值1 775 kPa、16 780 kg/h。

圖5 火災(zāi)工況下的泄放量與分離器壓力

HYSYS動(dòng)態(tài)模擬三相分離器堵塞工況和火災(zāi)工況計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，PSVPlus計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表1HYSYS動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算結(jié)果

通過(guò)表1、2可以看出，對(duì)于堵塞工況，利用HYSYS動(dòng)態(tài)模擬的方法選用N型的安全閥可以滿足分離器泄放要求，PSVPlus的計(jì)算結(jié)果也是選用N型安全閥，HYSYS動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果和PSVPlus的計(jì)算結(jié)果一致。

表2PSVPlus計(jì)算結(jié)果

對(duì)于火災(zāi)工況，由于查表法得到的氣化潛熱要小于HYSYS中的模擬值，因此PSVPlus計(jì)算得到兩種不同的安全閥尺寸：K型和M型，K型安全閥尺寸要小于M型。通過(guò)HYSYS動(dòng)態(tài)模擬發(fā)現(xiàn)，原油被持續(xù)加熱過(guò)程中剩余的液體部分氣化潛熱不斷升高，揮發(fā)出氣相的速度逐漸減少，氣相中重組分也越來(lái)越多，對(duì)應(yīng)的氣化潛熱也不斷增加。HYSYS動(dòng)態(tài)模擬得到安全閥類型為J型，要小于PSVPlus得到的K型安全閥。

4 結(jié)論

（1）在堵塞工況下，氣體不斷在分離器內(nèi)積聚直到安全閥開(kāi)啟，在安全閥泄放量和分離器的氣體進(jìn)入量達(dá)到平衡之前分離器內(nèi)的壓力會(huì)達(dá)到一個(gè)最大值，安全閥開(kāi)度一定時(shí)，泄放流量與安全閥前后的壓差成正比關(guān)系，因此泄放流量也會(huì)存在一個(gè)峰值。堵塞工況的HYSYS動(dòng)態(tài)模擬和PSVPlus計(jì)算結(jié)果接近，動(dòng)態(tài)模擬很好地反映了分離器憋壓和安全閥泄放時(shí)容器內(nèi)的壓力和安全閥泄放流量變化。

（2）火災(zāi)工況下含水原油的氣化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，HYSYS動(dòng)態(tài)模擬發(fā)現(xiàn)安全閥的泄放流量存在兩個(gè)峰值，第一個(gè)是水相氣化產(chǎn)生的，第二個(gè)是原油氣化產(chǎn)生的，劉茜[2]等在模擬時(shí)也發(fā)現(xiàn)類似的過(guò)程。

（3）加熱過(guò)程中原油剩余的液體部分氣化潛熱不斷升高，揮發(fā)出氣相的速度逐漸減少，PSVPlus的計(jì)算結(jié)果較為保守，HYSYS模擬的結(jié)果更接近實(shí)際。安全閥是保護(hù)容器的最后措施，設(shè)計(jì)者需要在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)模擬的基礎(chǔ)上綜合考量，合理選擇安全閥尺寸。

[1]API Standard 521(5th ed.),Pressure Relieving and Depressuring Systems[S].1220 L Street,N.W.,Washington,D.C.20005.API Publishing Services,2007.

[2]劉茜，李春磊．海洋平臺(tái)壓力容器安全閥最大泄放量的確定[J]．船海工程．2013，06（3）：182-187.

（欄目主持張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.5.011