液體緩沖罐火災工況安全泄放分析

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石油化工裝置中，安全閥是壓力容器以及壓力管道上一種重要的安全保護設施。選擇合適的安全閥對裝置安全生產至關重要。國外規范API521[1]上詳細介紹了裝置運行過程中可能出現的各種使安全閥泄放的工況。API520[2]和HG/T20570.2《安全閥的設置和選用》[3]中詳述了在各種工況下壓力容器所需泄放量以及所需安全閥喉徑面積的計算方法，計算過程中需要濕潤面積、環境系數及氣化潛熱等參數，其中濕潤面積、環境系數容易獲得，然而泄放狀態下介質汽化潛熱很難得到，因為泄放過程中壓力容器內的壓力和溫度是時刻變化的，這使計算得到的泄放量與實際存在偏差，給安全閥選型帶來困難。近年來，流程模擬軟件對化工過程動態模擬日益成熟，借助流程模擬軟件對壓力容器所需泄放量以及所需安全閥喉徑面積進行模擬計算，是一種可行又高效的方法。

以某裝置緩沖罐上的安全閥為例，使用Aspen Plus軟件中Safety Analysis工具模擬計算火災工況下安全閥的泄放量并且對安全閥進行輔助選型設計，用Aspen Plus中Pres Relief模塊模擬該緩沖罐上安全閥在火災工況下的動態泄放過程。

1 安全閥泄放量及選型

1.1 模型建立

以某裝置緩沖罐上的安全閥為例進行火災工況模擬計算。一般情況下，發生火災時，為了減少火勢進一步蔓延，防止可燃液體的溢流，操作工或緊急停車系統會將容器隔離，例如切斷緩沖罐上下游的隔離閥[4]。本文假定緩沖罐上下游的切斷閥已關閉，緩沖罐模擬流程見圖1。

圖1 緩沖罐模擬流程

緩沖罐內液體組分為：水66.7%(wt)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)3.5%(wt)、甲醇24%(wt)和丙酮5.8%(wt)。

操作條件：緩沖罐為立式罐，直徑2.5m，筒體切線高度2.5m，液位54%；操作壓力：微正壓；操作溫度：18.7℃；安全閥設定壓力0.3MPa(G)，背壓：0.03MPa(G)。緩沖罐外部未設隔熱層。火災發生時，緩沖罐筒體下封頭切線高于著火平面1.35m，完全被火焰包圍，并且現場沒有良好的消防設施以及排放系統。

1.2泄放量計算及選型

根據以上操作條件，通過Safety Analysis模塊模擬計算，其中緩沖罐的泄放量是根據API-520[2]中，對于沒有足夠的消防保護措施和良好的排液系統時的公式：

式中，W為質量泄放量，kg/h；H為在泄放狀態下液化氣體的氣化潛熱，kJ/kg；A為潤濕面積，m2；F為容器外壁校正系數。

其中泄放狀態下液體氣化過程采用半動態閃蒸算法；因緩沖罐為裸罐，F因子為1；著火時，緩沖罐內液體距離火源均小于7.62m，潤濕面積為20.7m2。

經過模擬計算得到該緩沖罐在火災工況下所需的泄放量為2478kg/h，所需安全閥最小喉徑面積為8 cm2；實際選擇喉徑代號為K的安全閥，額定泄放量為3671kg/h，有67.5%余量，火災工況下泄放量及安全閥選型參數見表1。

表1 火災工況下泄放量及安全閥選型

2 安全閥動態模擬

2.1 模型建立

基于以上Safety Analysis工具模擬計算結果，采用Aspen Plus里的Pres Relief模塊對所選的安全閥進行動態模擬，火災工況關鍵參數設置為：安全閥起跳壓力0.3MPa(G)，火災工況下允許超壓21%，緩沖罐高于著火平面1.35m，罐內初始液位1.35m，進口管線尺寸4"，出口管線尺寸6"，火災持續時間6h。

2.2 動態模擬分析

Pres Relief中計算明火加熱方案有三個標準：NFPA-30、API-520[2]、API-2000。此處選擇API-520標準，其輸入能量的公式為[2]：

Q=(creditfactor)*34500*Area0.82

選用喉徑代號為K的安全閥，圖2、圖3、圖4分別為壓力、溫度以及液相組分隨著火時間的變化曲線。由圖可知，當外界發生火災后，隨熱量不斷輸入緩沖罐，罐內壓力和溫度迅速上升，當持續63min時，壓力達到安全閥設定值0.3MPa(G)，安全閥開啟，罐內輕組分先汽化排出，壓力下降至回座壓力0.28MPa(G)，安全閥關閉，隨外部熱量繼續輸入緩沖罐，罐內壓力又開始上升，至設定壓力，安全閥開啟，這樣反復開啟、關閉，使緩沖罐壓力保持在允許范圍內，成功保護了該緩沖罐。此過程中，罐內液相中甲醇和丙酮的含量不斷減小，重組分水和MMA含量不斷增加，溫度上升速度減緩。著火持續5h后，罐內液相中甲醇和丙酮含量幾乎為零，僅剩1%(mol)的MMA和99%(mol)的水，罐內溫度隨時間增加幾乎不再升高。

圖2 壓力隨時間的變化

圖3 溫度隨時間的變化

圖4 液相組分隨時間的變化

2.3 安全閥選型動態驗證

分別選用F，J，K，L四種喉徑的安全閥，利用Pres Relief模塊模擬這四種安全閥在火災工況中的動態泄放過程，當罐內達到最大壓力時的相關參數見表2。

表2 不同安全閥動態泄放參數對比表

由以上模擬結果可知，火災工況最大允許工作壓力0.3MPa(G)，所需泄放量 2478kg/h。由表2可知，選用F型或J型的安全閥時，罐內最高壓力分別達到了1.27MPa(G)和0.365MPa(G)，都超出了該緩沖罐最大允許工作壓力的121%，排放能力不能滿足緩沖罐排放量要求。選用喉徑代號為K型或L型安全閥時，罐內最高壓力均為0.3MPa(G)，能滿足泄放要求，使緩沖罐暴露在火災中而不炸裂。

動態模擬驗證結果與表1通過Aspen Plus中Safety Analysis模塊選型結果一致。

3 結語

通過上述分析，得出以下結論：

(1)使用Aspen Plus中Safety Analysis工具模擬計算得到火災工況下安全閥所需的泄放量為2478kg/h，并且對安全閥進行輔助選型，選擇K型安全閥。

(2)采用Aspen Plus中Pres Relief模塊模擬緩沖罐上選定安全閥在火災工況下的動態泄放過程。隨外部熱量持續輸入，當壓力達到0.3MPa(G)后，安全閥開啟，之后罐內壓力下降至回座壓力，安全閥關閉，過程中安全閥反復開啟、關閉，使罐內壓力保持在允許范圍內，同時罐內溫度持續上升，液相輕組分不斷減少，重組分含量不斷增加。著火持續5h后，罐內液相輕組分含量幾乎為零，溫度隨時間變化幾乎不再升高。成功保護了該緩沖罐。

(3)用Aspen Plus中Pres Relief模塊模擬，對比選用不同喉徑安全閥時，K型或L型安全閥最大壓力均達到0.3MPa(G)，額定泄放量分別為3671kg/h和5698kg/h，滿足泄放要求；F型或J型的安全閥最大壓力分別達到1.27MPa(G)和0.365MPa(G)，額定泄放量分別為613kg/h和2570kg/h，不能滿足泄放要求。這個結論進一步驗證了使用Aspen Plus中Safety Analysis工具選型所選擇的安全閥的合理性，也為化工設計和安全生產提供了重要的依據。