安全閥火災工況下泄放量靜態模擬計算

許 凱

(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101)

石油化工行業所用的分離器設備，均為壓力容器，多處理的具有寬沸點范圍的多元混合物[1]。多組分介質火災狀況下安全閥的計算采用常規方法，其安全閥的最大泄放量很難確定的，馮傳令等[2-3]介紹了國外公司的一種近似模擬方法，只介紹了方法原理，可操作性不強。羅娜[4]也介紹了多組份多級閃蒸的方法，理解困難且實用性不足。本文通過一個實例，詳細的介紹一種利用HYSYS軟件的靜態模擬方法來計算火災工況下的安全閥泄放量，此方法并已在工程中得到實際運用。

1 方法介紹

HYSYS靜態下模擬安全閥泄放量的基本思路：每次閃蒸時保證進入容器內混合物流的實際體積流量始終為常量即容器的總容積。然后給定一溫度段(如5℃)，計算出加熱的熱量，并將熱量加給分離器，此時可得出從分離器泄放出的氣體。重復上述閃蒸步驟，直到找到最大釋放量為止。并假設分離器內高液位或高高液位作為火災釋放時的初始液位。

2 模型參數

表1、表2是某海外項目天然氣處理廠用的天然氣壓縮機二級壓縮系統中，入口分離器及其分離后物料的工藝數據。

表1 入口分離器工藝尺寸和工藝數據

表2 分離后氣液兩相摩爾組成 (mol)

3 模擬過程描述和分析

由于閃蒸次數較多，圖1僅舉例表示HYSYS 模擬火災過程靜態泄放前兩次示意圖，具體模擬過程如下：

(1)初始化氣液兩相物流。從HYSYS模型中，拷貝入口分離器氣液兩相出口物流，通過Adjust運算，使氣液物流的實際體積流量為表1分離器氣、液的初始體積；將其混合得到操作條件下的物流L-OP。

(2)實現容器內的流體從操作條件(P,T)過渡到PSV閥的設定條件(P,T)：

a．加Balance邏輯運算，將L-OP物流的mole和heat參數傳到物流L-SET(其壓力為PSV的設定壓力)；,L-OP物流對應的初始沾濕面積，根據公式q=21000FA0.82算出在該條件下容器受熱所吸收的熱量；

b．加Adjust邏輯運算，調整L-SP物流的溫度使得L-SP物流的實際體積流量與L-OP物流的實際體積流量的差值為0；

c．給Balance邏輯運算器增加能量物流Q-1，HYSYS會自動計算其值；即可得到流體從操作條件到設定條件所需的時間t=Q1/q；

(3)隨著熱量的進一步輸入，容器內流體從設定條件過渡到PSV閥的釋放條件L-ACC，此時，流體開始釋放。實現方法與計算同步驟2。

(4)開始進行第一次閃蒸計算。根據沾濕面積算出容器吸收的熱量q3，利用Set邏輯運算定義V-1閃蒸氣相出口溫度比入口物流高5℃，需要的熱量Q3由HYSYS自動計算。經過閃蒸計算后，氣相出口物流分割成兩個物流：GG2與從PSV閥釋放出的流量Vent 1，調整GG2摩爾流量使進入下一級V-2的入口物流量與L-ACC相同。然后混合GG2物流和LL1物流混合后進入第2次閃蒸。

在得到流體從釋放條件到第一次閃蒸所經歷的時間t1=Q3/q3后，就可以算出閃蒸后通過PSV閥實際的釋放量M1=m/t1；其中m為Vent 1物流中流體的質量；

(5)開始第2次閃蒸計算，重復步驟4，直到找到最大釋放量為止。

圖1 從操作條件開始的火災工況模擬

4 計算結果

根據以上模擬過程，利用表3制作火災泄放量計算書。

表3 泄放量計算書

圖2 泄放量隨泄放時間的變化

從圖2可以看出：分離器經過多級的閃蒸計算,在設定的累積壓力下，溫度以5℃的溫差不斷升高，由于介質中各組分的沸點均不同，隨著溫度的提升，低沸點的組分先氣化，從液體中釋放出來，到累積壓力通過安全閥泄放出去。但容器內氣液兩相的總體積是不變的，介質組分還將繼續氣化，因此泄放量也是變化的。

從泄放開始到2.68 h泄放量是逐漸增加，2.68 h后實際泄放量在不斷下降。開始泄放2.68 h時泄放量最大為3786.4 kg/h。此方法從工程實際應用時，得出的泄放量較為保守，可直接用于安全閥的選型計算。

5 結論

涉及多組分液體分離器火災工況安全閥釋放量的計算，無法用公式直接計算得出釋放量?，F在動態模擬被廣泛運用，某些軟件可很方便得到泄放量。但在設計院實際運用中由于無法得到此方法的計算過程，給校審工作帶來很大困難。本文使用的靜態模擬方法，可以相對精確的計算出火災工況下安全閥的泄放量，其計算過程實際就是安全閥的泄放過程，運算易于理解，該方法在國外同行中廣泛使用。盡管計算過程看似繁瑣，但實際應用時利用目前計算軟件還是很方便的。

[1]陳文峰,劉培林,郭 洲,等.復雜物系壓力容器安全閥泄放過程的HYSYS動態模擬[J].天然氣與石油,2010,28(6): 55-57.

[2]馮傳令,楊 勇.原油容器安全閥火災工況泄放量動態模擬[J].石油工程建設,2006,32(6):9-12.

[3]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,2013,42(3):182-187.

[4]羅 娜.多組分液體容器安全閥外部火災工況下釋放量的計算[J].化工設計,2014,24(2):8-11.