趙方生，陳文峰，張春娥，陳 賓，白宏喬

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海洋平臺設(shè)備布置緊湊、空間狹小，可燃?xì)怏w泄漏會導(dǎo)致重大的人員傷害、財產(chǎn)損失和環(huán)境污染[1-2]，對此API521建議設(shè)計壓力在1 700 kPa以上的油氣處理設(shè)施設(shè)置減壓泄放系統(tǒng)以降低容器內(nèi)部壓力，減緩或避免容器破裂[3]。

減壓泄放時容器壓力變化導(dǎo)致容器內(nèi)液相汽化及氣相密度變化等，泄放過程一直處于動態(tài)變化中，泄放量計算存在困難，行業(yè)內(nèi)常借助HYSYS軟件模擬動態(tài)泄放過程[4-10]。目前HYSYS提供了Depressing和Blowdown兩種計算方法，文章從泄放計算原理和工程實例比較等方面對兩種方法進行對比分析，為后續(xù)工程項目中減壓泄放計算提供借鑒。

1 泄放計算原理

泄放計算包括需泄放蒸氣產(chǎn)生量的計算和孔板流通能力的計算兩部分。需泄放蒸氣產(chǎn)生量包括：由外界熱輸入導(dǎo)致液體氣化產(chǎn)生的蒸氣；容器內(nèi)部壓力降低導(dǎo)致的氣體膨脹；容器內(nèi)部壓力降低導(dǎo)致的液體閃蒸。容器內(nèi)部壓力降低導(dǎo)致的氣體膨脹計算和液體閃蒸計算根據(jù)HYSYS自帶的狀態(tài)方程可以計算得出。

1.1 需泄放蒸氣產(chǎn)生量的計算

1.1.1 火災(zāi)泄放工況

在火災(zāi)工況下，Depressing和Blowdown熱輸入原理采用API 521中給出的計算方法，當(dāng)容器表面暴露于火災(zāi)中時，容器內(nèi)液體濕潤的表面是產(chǎn)生蒸汽的有效面積，確定產(chǎn)生的蒸氣時，只考慮容器內(nèi)部液體濕潤部分。

計算公式：

Eq=21 000FA0.82

(1)

式中：Eq——濕潤表面積總吸熱量；F——環(huán)境系數(shù)；A——總濕潤面積。

1.1.2 冷態(tài)泄放工況

冷態(tài)泄放是指平臺未發(fā)生火災(zāi)，但需要進行泄放的情況，如可燃?xì)怏w濃度超標(biāo)導(dǎo)致觸發(fā)、設(shè)備維修、平臺計劃停產(chǎn)等。在冷態(tài)泄放過程中，容器氣相和液相區(qū)域的傳熱速率有很大差異，但每個區(qū)域的間壁傳熱原理相同。泄放過程中熱量通過容器壁和隔熱層與周圍的環(huán)境進行傳遞，不同區(qū)域的流體之間也存在熱量傳遞。熱傳遞示意圖如圖1。

圖1 熱傳導(dǎo)示意圖Fig.1 Heat conduction diagram

(1)容器壁內(nèi)傳熱。容器壁、涂層和保溫層區(qū)域的熱傳遞方式主要為熱傳導(dǎo)，利用熱傳導(dǎo)方程可以確定容器壁各區(qū)域的熱通量和保溫性能。

(2)容器壁與周圍的環(huán)境傳熱。從容器壁到周圍環(huán)境的傳熱取決于環(huán)境。通常情況下，傳熱將由自然和強制對流的結(jié)合決定。

(3)氣相與容器壁傳熱。在區(qū)域1，當(dāng)流體靜止時，流體以傳導(dǎo)方式將熱量傳給壁面，傳熱過程與容器壁內(nèi)傳熱相同。但壁面對流體的加熱或冷卻會導(dǎo)致流體流動，由于對流的存在傳熱過程變得復(fù)雜，實驗表明區(qū)域1中自然對流是熱傳遞的主要方式。自然對流傳熱過程由于流動狀態(tài)直接相關(guān)，當(dāng)流體處于層流或湍流時，壁面附近的溫度梯度不同，熱流密度也相差很大。

(4)液相與容器壁傳熱。實驗表明，沸騰傳熱是從壁面到烴類液體傳熱的主要方式。

(5)氣相和液相之間的傳熱。在蒸汽和液體區(qū)域之間通過自然和強制對流傳熱。此外，隨著壓力下降，較輕的液體會蒸發(fā)，較重的氣態(tài)碳?xì)浠衔镫S著溫度下降而凝結(jié)。這一過程將導(dǎo)致在不同區(qū)域之間產(chǎn)生額外的熱量傳遞。

1.2 孔板流通能力計算

流體流過孔板一般近似為絕熱過程。流體從孔口的上游到孔板最窄部分的流動為可逆的加速過程，從喉部流向下游區(qū)域為不可逆的減速過程。根據(jù)孔板壓差，流動過程分為臨界流動和非臨界流動。

(1)臨界流動狀態(tài)。如果孔板的上游和下游壓力壓差足夠大，那么通過孔口的流量就會“堵塞”，這時流體在最窄處加速到最大速度。對于單相氣體流，最大速度是聲速。

(2)非臨界流動狀態(tài)。如果孔口的上游和下游之間的壓力差很小，比如接近泄放過程的末期，那么通過孔板的流動處于非臨界狀態(tài)。Depressing工具中，通?？紤]泄放過程為臨界流動。

2 Depressing和Blowdown的應(yīng)用對比

2.1 Depressing和Blowdown泄放模型的不同

(1)火災(zāi)工況熱輸入簡化方法對比。Blowdown在簡化熱輸入時，規(guī)定初始狀態(tài)單位面積吸熱速率作為后續(xù)計算單位面積吸熱速速率的固定值：

(2)

每個時刻的實際吸熱速率：

(3)

Depressing默認(rèn)每個時刻的吸熱速率和初始時刻相同。因此Depressing單位時間的熱輸入和蒸發(fā)量高于Blowdown，但Blowdown的計算結(jié)果更貼近實際。

文章以某項目一級分離器的設(shè)計參數(shù)為基礎(chǔ)，對兩種工具的熱輸入簡化方法的比較如表1、圖2、圖3。

圖3 Blowdown中吸熱速率和液位高度隨泄放時間的變化趨勢Fig.3 Variation trend of heat absorption rate and liquid level height with discharge time in blowdown

表1 一級分離器設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameter of primary separator

從圖1、圖2可以看出，隨泄放時間的延長，Depressing計算的液位高度逐漸降低，吸熱速率基本保持不變；Blowdown計算的液位高度和吸熱速率都逐漸降低，趨勢一致。由于液位降低導(dǎo)致沾濕面積減小，因此吸熱速率應(yīng)隨液位的變化而變化，Blowdown的計算結(jié)果更貼近實際工況。

圖2 Depressing中吸熱速率和液位高度隨泄放時間的變化趨勢Fig.2 Variation trend of heat absorption rate and liquid level height with discharge time in depression

(2)沾濕面積比較

Blowdown可分別輸入管線和容器的尺寸、含液量等數(shù)據(jù)，盡量與工程實際保持一致，且可以根據(jù)受火設(shè)備的具體形式和安裝高度，判斷容器實際的受火面積，如圖4，實際受火面積考慮的液位高度為：

圖4 考慮液位高度容器實際的受火面積Fig.4 Considering the liquid level height, the actual fire area of the vessal

L,ifL+h≤fh

fh-h,ifL+h>fh&h

0,ifh≥fh

式中：L代表容器中液位的高度，基于容器底部，含封頭；h代表容器距離池火底部的高度；fh代表最大火焰高度，API推薦值為7.6 m。

Depressing在應(yīng)用時需要將管線和設(shè)備的尺寸折算為一個立式或臥式容器，且默認(rèn)容器安裝位置為基準(zhǔn)面(h=0)。由于折算主要采用了總體積和總面積當(dāng)量，會導(dǎo)致液相沾濕面積與實際不同，造成誤差。

文章同樣以某項目一級分離器的設(shè)計參數(shù)為基礎(chǔ)，并考慮氣相出口5 m管線，液相出口5 m管線，并在Depressing中將設(shè)備和管線的尺寸進行折算，計算結(jié)果如表2。在Depressing中折算為臥式容器。

表2 沾濕面積計算對比Tab.2 Comparison of wetted area calculation

從表2看出，Depressing采用的折算方法與實際工況相比會存在誤差，Blowdown的計算更加準(zhǔn)確。

(3)泄放狀態(tài)比較

Blowdown工具進行泄放量計算時，會根據(jù)瞬時泄放狀態(tài)判斷是否處于臨界流動?？紤]孔板前后可以根據(jù)每個時刻的上下游壓差選擇泄放量計算公式。Depressing 工具中，孔板模型只能進行手動選擇，通常選擇Supersonic，該模型考慮泄放過程為臨界流動但是在接近泄壓過程的末期，Depressing 工具不能實現(xiàn)計算方法的自動轉(zhuǎn)化，仍然采用臨界狀態(tài)的計算方法，會高估孔板的實際流通能力。

文章以某項目段塞流補集器、燃料氣入口滌氣罐的設(shè)計參數(shù)為基礎(chǔ)，且僅對冷態(tài)泄放工況進行比較，避免火災(zāi)工況下不同泄放模型影響對比效果。如表3、表4。

從表3、表4可以看出，Depressing計算的泄放孔板尺寸小于Blowdown，計算過程中高估了孔板的實際流通能力。

表3 設(shè)計參數(shù)Tab.3 Design parameters

表4 Depressing和Blowdown計算泄放孔板尺寸對比Tab.4 Comparison of discharge orifice size calculated by Depressing and Blowdown

2.2 Depressing和Blowdown在工程實例中的計算結(jié)果對比

文章以某項目段塞流補集器設(shè)計參數(shù)為基礎(chǔ)，對火災(zāi)泄放工況和冷態(tài)泄放工況條件下的泄放量、泄放孔板尺寸、泄放流體的溫度和壓力容器的壁溫等數(shù)據(jù)進行對比分析，如表5。

表5 Depressing和Blowdown的計算結(jié)果對比Tab.5 Comparison of calculation results of Depressing and Blowdown

從表5計算結(jié)果可以看出：

(1)在火災(zāi)和冷態(tài)泄放工況下，Blowdown計算的泄放量和孔板尺寸大于Depressing計算結(jié)果，主要是Depressing在泄放過程中假設(shè)流體處于臨界流動狀態(tài)，造成泄放后期孔板流通量計算值偏大，因此選取的孔板較小，初始瞬時泄放量偏小。

(2)在冷態(tài)泄放工況下，Blowdown計算的泄放孔板下游的流體和管線溫度要低于Depressing的計算結(jié)果，而Blowdown計算的容器壁和罐內(nèi)液體的溫度要高于Depressing的計算結(jié)果。根據(jù)前面泄放計算原理的介紹，主要是由于Blowdown在整個泄放過程中考慮了氣相、液相和金屬壁之間熱量傳遞速率，而Depressing假設(shè)氣液兩相是瞬時達(dá)到平衡狀態(tài)。

3 結(jié)語

Depressing是一種多用途的泄放過程計算方法，減壓泄放計算僅是其中一個功能，在泄放模型處理方面并不精細(xì)，計算結(jié)果存在一定誤差，但Depressing運算速度快，運行過程不易出現(xiàn)錯誤，適合項目前期的初算或試算，如概念設(shè)計。Blowdown是專門針對減壓泄放計算的方法，有大量的實驗數(shù)據(jù)作為支撐，計算結(jié)果更加準(zhǔn)確，適合項目工程設(shè)計階段，如詳細(xì)設(shè)計，但Blowdown在處理含水量較大或假組分較多的情況時，需要考慮采用別的組分替換，計算準(zhǔn)確度下降，有待進一步研究開發(fā)。