三相分離器安全閥火災泄放模擬計算研究

海洋石油工程股份有限公司設計院

安全閥作為石油化工設備最后一級安全保護設施，其泄放量的大小往往決定火炬管網和火炬系統的設計能力。通常情況下，需要考慮在火災事故下對石油化工設備進行安全保護，因此石化設備的安全閥設計和使用要考慮火災事故的泄放工況并對泄放量進行精確計算。

三相分離器處理的原油是一種多沸點的多元混合物，發生火災時，原油中組分由沸點從低到高逐漸氣化[1]，汽化潛熱不斷變化，需要建立汽化潛熱與泄放時間的模型進行計算。其安全閥定尺模擬常用方法有穩態迭代模擬計算法，PSV Plus 半動態（Semi-Dynamic）閃蒸法。由于這兩種方法采用近似動態模擬方法，存在迭代次數限制，可能出現泄放峰值錯峰和削峰現象，為此，本文基于HYSYS動態模擬技術[1-8]，開發出一種三相分離器安全閥動態模擬方法，該方法無迭代步長限制，可實時記錄安全閥泄放量、壓力、液位等參數隨時間的變化趨勢，模擬結果更接近于實際情況。

1 采油平臺工況

某海上采油平臺三相分離器直徑為5.5 m，長度為14 m，操作溫度56 ℃，操作壓力1 100 kPa(G)，設計溫度90 ℃，設計壓力1 550 kPa(G)。原油處理量為130 m3/h，含水率為95%(體積分數)，氣油比11，根據氣液分離要求，分離器內液相液位比例為50%，考慮油水停留時間要求，水相液位比例為10%。當火災工況發生時，設備周圍的火氣探頭將觸發報警并進行生產關停，關閉分離器進出口關斷閥，所以火災工況下模擬考慮對該設備隔離并持續加熱。

2 模擬計算方法

2.1 穩態迭代模擬計算法

穩態迭代模擬法是一種近似模擬方法，迭代計算模型見圖1。模擬中物流的流量需要忽略時間變量，由于該方法需要人為設定閃蒸步長，容易出現泄放峰值削平現象，模擬步驟如下：

（1）初始化氣液兩相物流。拷貝分離器出口油氣水三相出口物流組分、操作狀態，重新定義物流，使物流的實際體積流量為分離器氣、液的初始體積，混合三股物流得到分離器操作狀態的氣液體積，通過balance和adjust調整物流達到泄放狀態的壓力和溫度。

（2）建立溫升閃蒸模型。由于液相濕面積的影響，容器會不斷從外界吸熱，容器內的流體從泄放初始狀態加熱到升溫后的安全閥設定壓力，模擬要保證罐內氣液的實際體積之和V1與初始體積V初始一致，則從出口VENT-1讀出第一次閃蒸泄放質量m(kg)，分離器剩余的混合氣液物流進行第二次閃蒸操作。通過模擬讀出溫升所需的熱量Q(kJ)，根據分離器出口液相體積V液計算罐內液相沾濕面積，根據q=43200FA0.82算出在該條件下容器受熱所吸收的熱量流量q，則第一次閃蒸所用時間，該時間內安全閥泄放的平均質量流量W=m/t(kg/h)。

（3）重復步驟（2），進行第2 到n次閃蒸計算，為找到最大泄放量，在泄放峰值區域，需要逐漸減少溫升步長（減至0.5 ℃）。

（4）泄放產生流動為氣相臨界流動，根據相應規范公式（1），計算安全閥喉徑。

式中：A為所需泄放喉徑，mm2；W為所需泄放量，kg/h；c為比熱比系數；Kd為泄放系數；Kb為背壓修正系數；Kc合并系數；p1積聚泄放壓力，kPa；T為泄放溫度，℃；Z為壓縮因子；M為摩爾分子質量。

2.2 PSV Plus半動態閃蒸法

PSV Plus 半動態閃蒸法類似于穩態迭代計算，但是計算閃蒸步長更小，可以將閃蒸次數增加至100次。模擬過程如下：

（1）根據穩態迭代模擬計算法步驟（1）初始化物流后，進入Safety Analysis 環境，輸入設備的設計壓力、溫度，建立火災工況，選擇Semi-Dynamic Flash計算方法，輸入分離器尺寸、液位高度等數據。

（2）建立閃蒸模型。閃蒸模型近似于穩態模型（圖2）。根據HYSYS確定容器的潤濕表面面積，應用q=43 200FA0.82算出在該條件下容器受熱所吸收的熱量流量q，求出閃蒸時間，則蒸汽產生速率為。

（3）根據物料進出平衡，液相減少的質量等于氣相閃蒸質量，且閃蒸出的氣體需要補充液相體積的減少，所以實際泄放量修正為

圖1 穩態迭代計算模型Fig.1 Steady iterative calculation model

（4）運用公式（1），計算安全閥喉徑。

圖2 PSV Plus半動態閃蒸法模型Fig.2 PSV Plus semi-dynamic flash model

2.3 HYSYS動態模擬法

該方法基于HYSYS動態模型，模型見圖3。在模型中建立火災吸熱自動計算表格，可實時反映安全閥泄放量、壓力、溫度、氣相比率、密度等各個參數隨時間的變化情況。動態模型建立的主要過程如下：

（1）建立三相分離穩態模型。分別設立PIC控制入口和氣相出口壓力，LIC 控制水相和油相壓力，根據工藝參數輸入設備參數、調節閥和安全閥參數，PIC和LIC控制參數。

（2）設置初始邊界條件。恒定分離器入口及出口流量，運行模型至穩定。

（3）利用Spread-Sheet，根據公式計算分離器的吸熱量，建立火災工況Event Scheduler 事故邏輯控制，在火災工況發生時關閉分離器入口、氣相和液相出口，并將火災熱量傳至分離器，進行閃蒸計算。

圖3 HYSYS動態模型Fig.3 HYSYS dynamic model

（4）利用Strip Chart 監測記錄分離器溫度、壓力、液位、安全閥開度、質量流量等數據。

3 三種模擬計算結果

3.1 穩態迭代模擬計算結果

穩態迭代模擬計算結果見圖4。隨著泄放時間、泄放量逐漸增加，12 h 達到最大泄放量5 429 kg/h，泄放溫度為212 ℃，所需喉徑為H。由于每一次閃蒸都需要建立一個閃蒸模型，為了找到最大峰值，需要將溫升步長調整為1 ℃甚至是0.5 ℃，每次閃蒸計算需要建立20～30 個閃蒸模型，建模和計算工作量較大，且只能得到泄放量、泄放溫度、泄放氣體組分數據。

圖4 HYSYS穩態模擬結果Fig.4 Simulation result of HYSYS steady

3.2 PSV Plus計算結果

PSV Plus 計算結果見圖5，從圖中看出在17 h達到最大泄放量5 274 kg/h，此時的泄放溫度為212 ℃，此后泄放量逐漸減小。在26 h泄放量又開始增大，在28 h時泄放溫度達到設備最大承受壁溫593 ℃，此后設備有破損風險，安全閥已無保護意義，計算自動停止。該方法計算所需喉徑也為H，計算結果僅有泄放量、泄放溫度、泄放氣體物性數據。

圖5 PSV Plus半動態閃蒸計算結果Fig.5 Calculation result of PSV Plus semi-dynamic flash

3.3 HYSYS動態模擬結果

選擇G、H、J三個喉徑進行安全閥定尺試算，結果見圖6～圖8。從圖中看出，該方法能實時記錄泄放溫度、泄放量、安全閥開度、罐內液位高度、泄放壓力等數據，且泄放峰值反映及時準確。

在泄放10 h 時，壓力和泄放量出現第一個峰值，在35 h左右出現第二個峰值，此時的泄放溫度達到630 ℃左右，設備可能出現破損，安全閥失去保護意義，所以選擇第一個峰值量作為火災泄放量。

G喉徑下，安全閥在8～11 h達到全開，全開時最大壓力達到2 230 kPa(G)，超過了罐體最大承壓，安全閥失去保護作用，所以G喉徑不滿足安全泄放要求。

H喉徑下，在10 h 出現峰值壓力為1 848 kPa(G)，小于罐體最大承壓，此時安全閥開度為95%，基本達到全開狀態，峰值泄放量為5 248 kg/h，對應的泄放溫度為211 ℃。

圖6 G 喉徑下HYSYS動態模擬結果Fig.6 HYSYS dynamic result at G type nozzle throat

圖7 H 喉徑下HYSYS動態模擬結果Fig.7 HYSYS dynamic result at H type nozzle throat

圖8 J 喉徑下HYSYS動態模擬結果Fig.8 HYSYS dynamic result at J type nozzle throat

表1 三種模擬計算結果對比Tab.1 Comparison of three simulation&calculation results

J喉徑下，10 h 時峰值壓力和泄放量分為1 686 kPa(G)、5 335 kg/h，此時安全閥開度也達到最大，為65%，安全閥尺寸選擇明顯過大。

3.4 三種方法的對比分析

對比三種計算方法結果（表1）可以看出：①三種方法得出的最大泄放量、泄放溫度、安全閥尺寸上基本相同；②由于HYSYS 穩態和PSV Plus計算閃蒸迭代次數的限制，在泄放峰值附近數據較少且不連續，得出的最大峰值可能出現錯峰現象，并且導致最大峰值出現的時間不準確。

4 結論

由于安全閥火災泄放常用兩種計算方法（穩態迭代模擬計算法、PSV Plus半動態閃蒸法）存在一些缺點，開發了一種三相分離器HYSYS 動態模擬法，并對這三種計算方法進行對比分析，得出如下結論：

（1）從安全閥尺寸上，三種方法計算結果相同，均為H喉徑。

（2）從閃蒸次數上，HYSYS 動態模擬＞PSV Plus半動態閃蒸＞穩態迭代模擬計算，HYSYS動態模擬無次數限制，避免人為設定閃蒸單元造成的錯峰和峰值削平現象，結果最精確。

（3）動態模擬方法可以實時反應泄放過程中工藝參數變化過程，模擬參數最為接近實際泄放狀態，因此在工程設計中推薦使用HYSYS 動態模擬方法進行安全閥火災泄放計算。