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        三相分離器安全閥火災(zāi)泄放模擬計算研究

        2021-01-20 13:45:54
        油氣田地面工程 2021年1期
        關(guān)鍵詞:模擬計算閃蒸安全閥

        海洋石油工程股份有限公司設(shè)計院

        安全閥作為石油化工設(shè)備最后一級安全保護(hù)設(shè)施,其泄放量的大小往往決定火炬管網(wǎng)和火炬系統(tǒng)的設(shè)計能力。通常情況下,需要考慮在火災(zāi)事故下對石油化工設(shè)備進(jìn)行安全保護(hù),因此石化設(shè)備的安全閥設(shè)計和使用要考慮火災(zāi)事故的泄放工況并對泄放量進(jìn)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(fā)生火災(zāi)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(jìn)行計算。其安全閥定尺模擬常用方法有穩(wěn)態(tài)迭代模擬計算法,PSV Plus 半動態(tài)(Semi-Dynamic)閃蒸法。由于這兩種方法采用近似動態(tài)模擬方法,存在迭代次數(shù)限制,可能出現(xiàn)泄放峰值錯峰和削峰現(xiàn)象,為此,本文基于HYSYS動態(tài)模擬技術(shù)[1-8],開發(fā)出一種三相分離器安全閥動態(tài)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(shù)隨時間的變化趨勢,模擬結(jié)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(shè)計溫度90 ℃,設(shè)計壓力1 550 kPa(G)。原油處理量為130 m3/h,含水率為95%(體積分?jǐn)?shù)),氣油比11,根據(jù)氣液分離要求,分離器內(nèi)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(dāng)火災(zāi)工況發(fā)生時,設(shè)備周圍的火氣探頭將觸發(fā)報警并進(jìn)行生產(chǎn)關(guān)停,關(guān)閉分離器進(jìn)出口關(guān)斷閥,所以火災(zāi)工況下模擬考慮對該設(shè)備隔離并持續(xù)加熱。

        2 模擬計算方法

        2.1 穩(wěn)態(tài)迭代模擬計算法

        穩(wěn)態(tài)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(shè)定閃蒸步長,容易出現(xiàn)泄放峰值削平現(xiàn)象,模擬步驟如下:

        (1)初始化氣液兩相物流??截惙蛛x器出口油氣水三相出口物流組分、操作狀態(tài),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(tài)的氣液體積,通過balance和adjust調(diào)整物流達(dá)到泄放狀態(tài)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(nèi)的流體從泄放初始狀態(tài)加熱到升溫后的安全閥設(shè)定壓力,模擬要保證罐內(nèi)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(zhì)量m(kg),分離器剩余的混合氣液物流進(jìn)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(jù)分離器出口液相體積V液計算罐內(nèi)液相沾濕面積,根據(jù)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(nèi)安全閥泄放的平均質(zhì)量流量W=m/t(kg/h)。

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

        (4)泄放產(chǎn)生流動為氣相臨界流動,根據(jù)相應(yīng)規(guī)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(shù);Kd為泄放系數(shù);Kb為背壓修正系數(shù);Kc合并系數(shù);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(zhì)量。

        2.2 PSV Plus半動態(tài)閃蒸法

        PSV Plus 半動態(tài)閃蒸法類似于穩(wěn)態(tài)迭代計算,但是計算閃蒸步長更小,可以將閃蒸次數(shù)增加至100次。模擬過程如下:

        (1)根據(jù)穩(wěn)態(tài)迭代模擬計算法步驟(1)初始化物流后,進(jìn)入Safety Analysis 環(huán)境,輸入設(shè)備的設(shè)計壓力、溫度,建立火災(zāi)工況,選擇Semi-Dynamic Flash計算方法,輸入分離器尺寸、液位高度等數(shù)據(jù)。

        (2)建立閃蒸模型。閃蒸模型近似于穩(wěn)態(tài)模型(圖2)。根據(jù)HYSYS確定容器的潤濕表面面積,應(yīng)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(chǎn)生速率為。

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

        圖1 穩(wěn)態(tài)迭代計算模型Fig.1 Steady iterative calculation model

        (4)運(yùn)用公式(1),計算安全閥喉徑。

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

        2.3 HYSYS動態(tài)模擬法

        該方法基于HYSYS動態(tài)模型,模型見圖3。在模型中建立火災(zāi)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(shù)隨時間的變化情況。動態(tài)模型建立的主要過程如下:

        (1)建立三相分離穩(wěn)態(tài)模型。分別設(shè)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(jù)工藝參數(shù)輸入設(shè)備參數(shù)、調(diào)節(jié)閥和安全閥參數(shù),PIC和LIC控制參數(shù)。

        (2)設(shè)置初始邊界條件。恒定分離器入口及出口流量,運(yùn)行模型至穩(wěn)定。

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

        圖3 HYSYS動態(tài)模型Fig.3 HYSYS dynamic model

        (4)利用Strip Chart 監(jiān)測記錄分離器溫度、壓力、液位、安全閥開度、質(zhì)量流量等數(shù)據(jù)。

        3 三種模擬計算結(jié)果

        3.1 穩(wěn)態(tài)迭代模擬計算結(jié)果

        穩(wěn)態(tài)迭代模擬計算結(jié)果見圖4。隨著泄放時間、泄放量逐漸增加,12 h 達(dá)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(diào)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?jǐn)?shù)據(jù)。

        圖4 HYSYS穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果Fig.4 Simulation result of HYSYS steady

        3.2 PSV Plus計算結(jié)果

        PSV Plus 計算結(jié)果見圖5,從圖中看出在17 h達(dá)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(dá)到設(shè)備最大承受壁溫593 ℃,此后設(shè)備有破損風(fēng)險,安全閥已無保護(hù)意義,計算自動停止。該方法計算所需喉徑也為H,計算結(jié)果僅有泄放量、泄放溫度、泄放氣體物性數(shù)據(jù)。

        圖5 PSV Plus半動態(tài)閃蒸計算結(jié)果Fig.5 Calculation result of PSV Plus semi-dynamic flash

        3.3 HYSYS動態(tài)模擬結(jié)果

        選擇G、H、J三個喉徑進(jìn)行安全閥定尺試算,結(jié)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(nèi)液位高度、泄放壓力等數(shù)據(jù),且泄放峰值反映及時準(zhǔn)確。

        在泄放10 h 時,壓力和泄放量出現(xiàn)第一個峰值,在35 h左右出現(xiàn)第二個峰值,此時的泄放溫度達(dá)到630 ℃左右,設(shè)備可能出現(xiàn)破損,安全閥失去保護(hù)意義,所以選擇第一個峰值量作為火災(zāi)泄放量。

        G喉徑下,安全閥在8~11 h達(dá)到全開,全開時最大壓力達(dá)到2 230 kPa(G),超過了罐體最大承壓,安全閥失去保護(hù)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(xiàn)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(dá)到全開狀態(tài),峰值泄放量為5 248 kg/h,對應(yīng)的泄放溫度為211 ℃。

        圖6 G 喉徑下HYSYS動態(tài)模擬結(jié)果Fig.6 HYSYS dynamic result at G type nozzle throat

        圖7 H 喉徑下HYSYS動態(tài)模擬結(jié)果Fig.7 HYSYS dynamic result at H type nozzle throat

        圖8 J 喉徑下HYSYS動態(tài)模擬結(jié)果Fig.8 HYSYS dynamic result at J type nozzle throat

        表1 三種模擬計算結(jié)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(dá)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(jié)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(wěn)態(tài)和PSV Plus計算閃蒸迭代次數(shù)的限制,在泄放峰值附近數(shù)據(jù)較少且不連續(xù),得出的最大峰值可能出現(xiàn)錯峰現(xiàn)象,并且導(dǎo)致最大峰值出現(xiàn)的時間不準(zhǔn)確。

        4 結(jié)論

        由于安全閥火災(zāi)泄放常用兩種計算方法(穩(wěn)態(tài)迭代模擬計算法、PSV Plus半動態(tài)閃蒸法)存在一些缺點,開發(fā)了一種三相分離器HYSYS 動態(tài)模擬法,并對這三種計算方法進(jìn)行對比分析,得出如下結(jié)論:

        (1)從安全閥尺寸上,三種方法計算結(jié)果相同,均為H喉徑。

        (2)從閃蒸次數(shù)上,HYSYS 動態(tài)模擬>PSV Plus半動態(tài)閃蒸>穩(wěn)態(tài)迭代模擬計算,HYSYS動態(tài)模擬無次數(shù)限制,避免人為設(shè)定閃蒸單元造成的錯峰和峰值削平現(xiàn)象,結(jié)果最精確。

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

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