HYSYS動態模擬方法進行安全閥尺寸分析

李 濤 李 昱 江蘇敏遲大煒魏彥海中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司

HYSYS動態模擬方法進行安全閥尺寸分析

李 濤 李 昱 江蘇敏遲大煒魏彥海中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司

以原油處理站三相分離器為例討論了堵塞和火災兩種工況下HYSYS計算安全閥尺寸的方法，并與另一種安全閥計算軟件PSVPlus的計算結果進行了對比。HYSYS動態模擬很好地反映了分離器憋壓和安全閥泄放流量變化過程；堵塞工況HYSYS動態模擬方法與PSVPlus計算結果一致；火災工況動態模擬方法的計算結果要小于PSVPlus計算結果。

安全閥；堵塞和火災；HYSYS；設計；流量；壓力

在原油處理站場，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管線或容器設備不超過允許的最高工作壓力。安全閥尺寸的計算需要泄放介質的物性參數和泄放流量等參數，穩態設計方法可參照API521[1]，API521中提到合理利用動態的模擬方法計算結果可以更接近實際。本文利用HYSYS動態模擬了三相分離器堵塞與火災兩種工況，并與一種穩態軟件PSVPlus計算得到的結果進行了對比分析。

1 工況分析

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

1.1 對于堵塞工況

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

（2）三相分離器的液相和氣相出口管線同時誤關。入口管線持續輸入油氣水混合物，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，而且會出現安全閥氣液兩相泄放。在設計安全閥時這種工況不予考慮。

針對此工況，PSVPlus的設計方法只考慮（1）中情形，此時認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℃下的氣體質量流量，相關氣體物性為該壓力溫度下的物性。

1.2 對于火災工況

（1）三相分離器周圍著火，進出口閥門自動關斷，外部火焰對一個孤立的容器進行持續加熱。

（2）進出口閥門不能有效關閉。外部火焰輸入的熱量不斷隨液體轉移出容器，液相產生的蒸汽量會小于前一種工況。但這種操作危險性也極高，可能會造成火災的擴散，一般不允許這種操作。

針對此工況，PSVPlus的設計方法考慮工況（1）分離器與外界的聯系被切斷，安全閥的泄放壓力為1 600 kPa，容器內允許超壓1 936 kPa，氣體的泄放流量可依據公式（1）求得

式中W為氣體泄放流量（kg/h）；F為環境系數；A為總濕潤面積（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確定泄放氣體的物性是很關鍵的，這是由于在加熱的過程中液體的氣化潛熱和氣相的摩爾質量、比容等參數是不斷變化的。如圖1所示，通過HYSYS模擬發現在1600kPa、120℃左右時分離器入口物流的實際氣體體積流量將大于1 100 kPa、60℃時實際氣體體積流量，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量從參考文獻[1]表A.1或直接從HYSYS中讀取。

圖1 實際氣體體積流量與溫度壓力的關系

2HYSYS動態模擬

分別建立堵塞工況和火災兩種工況的HYSYS動態模型，設置不同的標準安全閥喉部直徑，并進行對比計算，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中建立穩態模型。將三相分離器簡化成二相分離器，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開啟壓力1600kPa，完全開啟壓力1 760 kPa。

（2）設置初始邊界條件。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轉化到Dynamic Model，設置PSV閥出口質量流量、分離器壓力、溫度和安全閥開度為監控對象，運行模型。

（4）待分離器壓力和液位穩定后，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開度改成0，運行Solver。此時由于PV關閉，分離器內壓力持續升高，直到達到PSV的設定值1 600 kPa，PSV開啟。

堵塞工況的HYSYS模型見圖2。

圖2 堵塞工況的HYSYS動態模型

2.2 建立火災工況的HYSYS模型

（1）建立與堵塞工況相同的穩態模型，PSV閥的完全開啟壓力設成1 936 kPa，增添計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，增加潤濕面積、安全閥入口氣化潛熱兩個監控對象。

（3）在Dynamic Model中，首先運行模型，待分離器壓力和液位穩定后暫停Solver，刪除PIC和LIC，將PV閥和LV閥的開度改成0，入口氣液流量變成0，將熱量物流引入分離器。運行Solver，此時由于熱量的輸入，分離器內的液相不斷氣化，容器內壓力升高，潤濕面積不斷變化，氣相空間達到設定壓力1 600 kPa時安全閥開啟。

火災工況的HYSYS模型見圖3。

圖3 火災工況的HYSYS動態模型

3 結果對比分析

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

圖4 堵塞工況下的泄放量與分離器壓力

（2）火災工況下，分離器內的壓力與安全閥（J型安全閥）泄放氣體質量流量隨時間的變化曲線見圖5。在18 min時外部火焰開始加熱容器，120 min時分離器內的壓力達到安全閥的開啟壓力1 600 kPa，此時泄放溫度為118℃；安全閥開啟后，容器內壓力緩慢升高，在426 min時，壓力和泄放量達到第一個峰值1 775 kPa、7 116 kg/h，此時容器內溫度為203℃，這個峰值的右側原油中的水全部汽化。水蒸氣通過安全閥泄放后，容器內壓力降低，安全閥開度逐漸減小，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到第二個峰值1 775 kPa、16 780 kg/h。

圖5 火災工況下的泄放量與分離器壓力

HYSYS動態模擬三相分離器堵塞工況和火災工況計算結果見表1，PSVPlus計算結果見表2。

表1HYSYS動態模擬計算結果

通過表1、2可以看出，對于堵塞工況，利用HYSYS動態模擬的方法選用N型的安全閥可以滿足分離器泄放要求，PSVPlus的計算結果也是選用N型安全閥，HYSYS動態模擬結果和PSVPlus的計算結果一致。

表2PSVPlus計算結果

對于火災工況，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HYSYS動態模擬發現，原油被持續加熱過程中剩余的液體部分氣化潛熱不斷升高，揮發出氣相的速度逐漸減少，氣相中重組分也越來越多，對應的氣化潛熱也不斷增加。HYSYS動態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 結論

（1）在堵塞工況下，氣體不斷在分離器內積聚直到安全閥開啟，在安全閥泄放量和分離器的氣體進入量達到平衡之前分離器內的壓力會達到一個最大值，安全閥開度一定時，泄放流量與安全閥前后的壓差成正比關系，因此泄放流量也會存在一個峰值。堵塞工況的HYSYS動態模擬和PSVPlus計算結果接近，動態模擬很好地反映了分離器憋壓和安全閥泄放時容器內的壓力和安全閥泄放流量變化。

（2）火災工況下含水原油的氣化是一個復雜的過程，HYSYS動態模擬發現安全閥的泄放流量存在兩個峰值，第一個是水相氣化產生的，第二個是原油氣化產生的，劉茜[2]等在模擬時也發現類似的過程。

（3）加熱過程中原油剩余的液體部分氣化潛熱不斷升高，揮發出氣相的速度逐漸減少，PSVPlus的計算結果較為保守，HYSYS模擬的結果更接近實際。安全閥是保護容器的最后措施，設計者需要在動態和靜態模擬的基礎上綜合考量，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