劉 茜，李春磊

(1.勝利石油管理局 科技處，山東 東營(yíng)257001;2.勝利油田勝利勘察設(shè)計(jì)研究院，山東 東營(yíng)257026)

壓力容器在事故工況下最大泄放量是安全閥選型的關(guān)鍵參數(shù)，通常情況下，容器出口堵塞工況和火災(zāi)工況引起的安全閥泄放量往往達(dá)到最大值。對(duì)于容器出口堵塞工況，安全閥所需要的泄放量等于入口流體的流量。而在火災(zāi)工況下，對(duì)于像原油這樣的多組分物質(zhì)，其最大泄放量的計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜。本文結(jié)合埕島油田中心三號(hào)平臺(tái)三相分離器的安全閥計(jì)算，探討安全閥在火災(zāi)工況下最大泄放量的計(jì)算方法。

1 火災(zāi)工況最大泄放量的計(jì)算方法

1.1 圖解法

火災(zāi)工況下，安全閥的最大泄放量可以利用式(1)［1］進(jìn)行計(jì)算。

式中:F——環(huán)境系數(shù)，在不保溫的情況取1.0;當(dāng)保溫層厚度為30 mm時(shí)，取0.4;當(dāng)保溫層厚度為50 mm時(shí)，取0.3;當(dāng)保溫層厚度為80 mm時(shí)，取0.2;當(dāng)保溫層厚度大于100 mm，取0.1;

A——沾濕面積，按容器內(nèi)液位高度等于正常液位的沾濕面積考慮，m2;

Hl——液體的汽化潛熱，kJ/kg。

圖解法的關(guān)鍵在于汽化潛熱Hl的確定。采用圖解法查取如異構(gòu)烴、芳香烴和環(huán)烷烴混合物的汽化潛熱的圖，利用計(jì)算的泄放溫度和泄放壓力就可以從圖中查出潛熱［2］。

1.2 HYSYS動(dòng)態(tài)模擬法

利用HYSYS軟件動(dòng)態(tài)模擬分離器在火災(zāi)工況下的整個(gè)泄放過(guò)程，大致步驟如下。

1)在HYSYS中建立起壓力容器泄壓模型，利用調(diào)節(jié)閥來(lái)模擬安全閥泄放。

2)根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)定好容器、閥門(mén)以及物流的各種參數(shù)值，利用HYSYS中的電子表格計(jì)算火災(zāi)輸入熱量并加給容器。

3)在動(dòng)態(tài)分析圖表中加入容器出口氣體的質(zhì)量流量、絕熱指數(shù)、壓縮因子、相對(duì)分子量、泄放壓力、泄放溫度等參數(shù)，然后運(yùn)行模型，查看這些參數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系。

4)選取容器出口氣體最大泄放流量以及該流量對(duì)應(yīng)的氣體溫度、壓縮因子、絕熱指數(shù)、分子量等參數(shù)作為安全閥泄放面積的計(jì)算基礎(chǔ)參數(shù)。

HYSYS動(dòng)態(tài)模型見(jiàn)圖1。

圖1 HYSYS動(dòng)態(tài)模型

1.3 HYSYS靜態(tài)模擬法

使用HYSYS軟件進(jìn)行靜態(tài)模擬的基本思路是控制進(jìn)入分離器的油、氣、水的總?cè)莘e為實(shí)際使用容器的容積，計(jì)算出加熱的熱量，并將熱量加給容器。然后給定一個(gè)時(shí)間段(如10 min)，此時(shí)可以得出從容器泄放出的氣體量，依次類推，可以計(jì)算出以后無(wú)數(shù)個(gè)10 min內(nèi)泄放出的氣體量，選在10 min內(nèi)泄放氣體體積最多的一段，再分成更小的時(shí)間段(如1 min)求出最大值，即認(rèn)為1 min內(nèi)的平均值為安全閥的最大泄放量。

HYSYS靜態(tài)模型見(jiàn)圖2。

圖2 HYSYS靜態(tài)模型

2 安全閥火災(zāi)工況下最大泄放量

2.1 計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1)勝利油田埕島中心三號(hào)平臺(tái)三相分離器為臥式，直徑4 m，長(zhǎng)度16 m，容積200 m3，分離器中正常操作液位2 m，操作壓力350 kPa，操作溫度為40℃，安全閥設(shè)定壓力為700 kPa。

2)平臺(tái)原油的基本物性見(jiàn)表1。

表1 原油基本物性表

2.2 計(jì)算結(jié)果

分別采用圖解法、HYSYS靜態(tài)模擬法、HYSYS動(dòng)態(tài)模擬法計(jì)算安全閥的泄放量，安全閥型號(hào)為1.5G2和1.5F2，結(jié)果見(jiàn)表2。

2.3 計(jì)算分析

1)采用圖解法得到的最大泄放量遠(yuǎn)大于采用HYSYS動(dòng)態(tài)或靜態(tài)模擬結(jié)果，這主要是因?yàn)椴捎脠D解法求解時(shí)，假定分離器中的液體為異構(gòu)烴、芳香烴以及環(huán)狀烴或組分分子質(zhì)量差別不大的烷烴混合物。然而，分離器中實(shí)際流體的物性與假定的流體物性有較大的差別。例如，水在泄放壓力和泄放溫度下的汽化潛熱是2 206 kJ/kg，而根據(jù)圖解法得到的液體混合物汽化潛熱為280 kJ/kg，兩者差值很大，從而造成計(jì)算得到的最大泄放量差別很大。

表2 三種方法的模擬計(jì)算結(jié)果

2)采用HYSYS動(dòng)態(tài)模擬和靜態(tài)模擬都能夠模擬出最大泄放量下的氣體分子量M值以及氣體的絕熱指數(shù)K值，然而圖解法則無(wú)法獲得這些參數(shù)。

3)從HYSYS動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果還可以看出，對(duì)于像分離器等油氣水處理設(shè)備來(lái)說(shuō)，在發(fā)生火災(zāi)的過(guò)程中，氣體泄放量可能存在兩個(gè)峰值。第一個(gè)峰值是水大量氣化時(shí)對(duì)應(yīng)的峰值，第二個(gè)是原油大量氣化時(shí)對(duì)應(yīng)的峰值，且兩者之間的時(shí)間間隔較長(zhǎng)。這主要是因?yàn)樗姆悬c(diǎn)遠(yuǎn)低于原油的平均沸點(diǎn)，因此，首先大量汽化的是水而不是原油，原油則需要在此之后較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到泄放峰值。

3 結(jié)論

1)對(duì)于容器中介質(zhì)為異構(gòu)烴、芳香烴和環(huán)烷烴混合物或組分分子質(zhì)量差別不大的烷烴混合物以及純單組份(如液化天然氣、乙炔等)液態(tài)烴時(shí)，推薦采用圖解法進(jìn)行求解。而對(duì)于含水原油容器火災(zāi)工況的計(jì)算，圖解法不太合適，計(jì)算得到的安全閥泄放面積偏大，不經(jīng)濟(jì)。

2)HYSYS靜態(tài)模擬也能夠近似地模擬出火災(zāi)工況下的最大泄放量等參數(shù)，但該方法的工作量很大，且有時(shí)候很難找到真正的最大泄放量，因此不建議只使用該方法進(jìn)行壓力容器火災(zāi)工況下的安全閥計(jì)算，應(yīng)采用其它方法進(jìn)行校核。

3)使用HYSYS動(dòng)態(tài)模擬方法能夠準(zhǔn)確地模擬出壓力容器火災(zāi)工況下各種參數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系，從而為安全閥泄放面積的計(jì)算提供準(zhǔn)確的基礎(chǔ)參數(shù)。因此，對(duì)于像三相分離器等油水處理設(shè)備，建議采用HYSYS動(dòng)態(tài)模擬的方法進(jìn)行模擬計(jì)算。

4)在進(jìn)行壓力容器火災(zāi)工況安全閥估算時(shí)，對(duì)于容器中原油含水較多(大于10%)的情況，可近似地取泄放工況下水的汽化潛熱、分子量、絕熱指數(shù)等參數(shù)作為安全閥泄放面積計(jì)算的基礎(chǔ)參數(shù)，這樣可以大大簡(jiǎn)化模擬和計(jì)算過(guò)程，同時(shí)還能夠得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

［1］中國(guó)海洋石油總公司中海石油研究中心開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)院.SY/T 10044-2002煉油廠壓力泄放裝置的尺寸確定、選擇和安裝的推薦作法［S］.北京:石油工業(yè)出版社，2003.

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