王珊珊

中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司

Aspen Flare System Analyzer在火炬管網(wǎng)設(shè)計(jì)與分析中的具體應(yīng)用

王珊珊

中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司

火炬氣的排放系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，涉及到各泄放點(diǎn)的背壓與管路馬赫數(shù)的計(jì)算。介紹了Aspen Flare System Analyzer模擬軟件的特點(diǎn)及應(yīng)用方法，該軟件遵循API的規(guī)范要求，通過計(jì)算火炬管網(wǎng)中各管段始末點(diǎn)的壓力、溫度、流速等參數(shù)，可有效發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的不合理管徑并進(jìn)行修改。以中東某油田地面工程項(xiàng)目為例，闡述了在工程實(shí)際中如何通過該軟件進(jìn)行火炬管網(wǎng)核算。高壓火炬管網(wǎng)的核算結(jié)果顯示，部分安全閥尾管背壓和馬赫數(shù)過大，經(jīng)軟件修改后的尺寸在實(shí)際運(yùn)行中可滿足火炬氣的排放要求，保證了系統(tǒng)安全。表明了該軟件在安全閥的選型和火炬管網(wǎng)的設(shè)計(jì)工作中的應(yīng)用價(jià)值。

Aspen Flare System Analyzer 火炬管網(wǎng) 泄放系統(tǒng) 馬赫數(shù)

在油田的地面處理設(shè)施中都設(shè)有火炬系統(tǒng)，將生產(chǎn)中無法處理的有毒氣體或生產(chǎn)設(shè)備中泄放出的氣體在火炬上燒掉,以保證安全生產(chǎn)。通常，火炬系統(tǒng)由安全泄放裝置、火炬管網(wǎng)以及火炬裝置3部分組成[1]。目前,國內(nèi)外對(duì)火炬系統(tǒng)的研究多集中于安全泄放裝置和火炬裝置，對(duì)火炬管網(wǎng)的研究比較薄弱,沒有形成系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)流程[2-3]。以往的火炬管網(wǎng)設(shè)計(jì)多采用簡(jiǎn)化的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行人工計(jì)算，主要集中于管網(wǎng)的壓降計(jì)算和單個(gè)安全泄放裝置背壓的校核，沒有進(jìn)行多點(diǎn)組合泄放的情況分析。當(dāng)多個(gè)泄放閥同時(shí)泄放時(shí)，形成的附加背壓是變化的，并且由于排放氣體的可壓縮性，其密度和流速在流動(dòng)中也是很難用函數(shù)公式計(jì)算的。Aspen Flare System Analyzer(以下簡(jiǎn)稱Flare-net)是進(jìn)行火炬和泄放管網(wǎng)水力設(shè)計(jì)與分析的專業(yè)軟件，可以模擬火炬系統(tǒng)，并根據(jù)用戶定義的約束條件計(jì)算、核算從泄放點(diǎn)到火炬頭的匯管系統(tǒng)，在石油化工領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。

1 軟件特點(diǎn)

Flare-net具備了直觀的工藝流程圖的操作環(huán)境，可以清晰、精確地呈現(xiàn)整個(gè)火炬網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)典型的火炬或放空系統(tǒng)會(huì)由幾十甚至上百個(gè)相互連接的部分組成，其中包括：泄壓閥、控制閥、管道、連接器(包括擴(kuò)徑、縮徑、三通等)、分離器和火炬頭[4]。Flare-net確保模型盡可能簡(jiǎn)單有效，并具有以下特點(diǎn)：

①執(zhí)行API-RP-520/521標(biāo)準(zhǔn)。

②可計(jì)算工藝流程的過程參數(shù)(例如壓力、流量、馬赫數(shù)、噪音等)。

③設(shè)計(jì)了出錯(cuò)報(bào)告，可以總結(jié)超出設(shè)計(jì)限制的情況。

④可進(jìn)行溫度跟蹤、氣體屬性跟蹤。

⑤可輸入單一分子量或從Aspen HYSYS模型導(dǎo)入組分?jǐn)?shù)據(jù)，建立全組分分析。

⑥可定義多種工況：緊急關(guān)斷、火災(zāi)、電源或冷卻失效、單個(gè)設(shè)備關(guān)斷等。

⑦管道等級(jí)允許定義標(biāo)準(zhǔn)尺寸，執(zhí)行項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)。

⑧具備Excel、 Access等接口輸出，可導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

2 計(jì)算模式

在軟件里,提供了以下3種計(jì)算模式。

(1) 設(shè)計(jì)模式：用于設(shè)計(jì)新的火炬管網(wǎng)系統(tǒng)，根據(jù)約束條件(例如管道流速、安全閥的最大允許背壓等)來確定系統(tǒng)中所有管道的尺寸。

(2) 核算模式：依據(jù)現(xiàn)有管徑和泄放量核算該主管系統(tǒng)的壓力降和溫度。

(3) 脫瓶頸模式：對(duì)于用戶指定的管網(wǎng)區(qū)域，進(jìn)行管徑的重新計(jì)算以解決在管網(wǎng)中出現(xiàn)的背離設(shè)計(jì)原則的瓶頸問題[5]。

3 應(yīng)用范圍

火炬排放工況很復(fù)雜,有可能是單一氣相排放,也可能是氣液排放，軟件對(duì)單相流和多相流分別提供了熱力學(xué)和壓降的計(jì)算方法[5]。

3.1 氣液平衡計(jì)算

對(duì)于最初的設(shè)計(jì)模式，使用Compressible Gas方程，可提供一種較快速的計(jì)算。對(duì)于兩相流或核算模式，切換到Peng-Robinson方程，提高準(zhǔn)確性。

3.2 壓力降計(jì)算

3.2.1 單相流模型

單相氣體有Isothermal和Adiabatic兩種流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型。

3.2.2 氣液兩相流模型

Beggs and Brill也是一種適用于氣液兩相流壓降計(jì)算的方法,是可以用于水平、垂直和任意傾斜氣液兩相管流計(jì)算的常用方法，推薦使用Beggs and Brill(Homogenous)。

4 管網(wǎng)模型的建立步驟

使用Flare-net搭建火炬管網(wǎng)模型，首先要按照裝置的布局情況，搭建火炬總管、各級(jí)支管、尾管和安全閥。管道的長度，高程差，大小頭、彎頭等管件數(shù)量需由配管專業(yè)提供[6]。

建立需要模擬的工況，給定設(shè)計(jì)約束值，如馬赫數(shù)、流速、噪音等。然后，設(shè)置泄放源，輸入各泄放點(diǎn)的分子組成、壓力、溫度等基本參數(shù)，以及定義管道的基本參數(shù)，但管道尺寸在初始計(jì)算之前不用給出。其中，安全閥的出口溫度可由軟件自動(dòng)估算一個(gè)數(shù)值，計(jì)算完畢后使用Refresh Source Temperature工具，更新初始估計(jì)溫度。

完成這些最基本的定義之后，可由軟件根據(jù)各工況下安全閥的泄放量進(jìn)行計(jì)算，得出整個(gè)火炬管網(wǎng)的管路尺寸。也可根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)先給定一個(gè)較為合理的尺寸，由軟件進(jìn)行核算。如果根據(jù)給定尺寸校核出的背壓超出安全閥的最大允許背壓，或者管道內(nèi)介質(zhì)流速超過規(guī)定的馬赫數(shù)，管路會(huì)自動(dòng)出現(xiàn)紅色的報(bào)警。此時(shí)，則需要使用“去瓶頸模式”重新計(jì)算管徑，直到計(jì)算的馬赫數(shù)、背壓、噪音等小于規(guī)定的約束值為止。

在定義管道時(shí)，需要注意尾管和總管的區(qū)別。總管中介質(zhì)流量是按照各安全閥的實(shí)際排量進(jìn)行計(jì)算，尾管則是按照安全閥的額定排量進(jìn)行計(jì)算，一般將安全閥后管道定義為尾管[6]。

5 工程實(shí)例

5.1 設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

油田共建立高壓和低壓兩套火炬系統(tǒng)，高壓火炬系統(tǒng)是用于處理通過安全閥和緊急泄壓閥泄放的氣體，低壓火炬系統(tǒng)處理通過調(diào)節(jié)閥泄放的氣體，在此只討論安全閥泄放工況。根據(jù)總圖布置確定與高壓火炬系統(tǒng)相連的裝置，搭建模型。

5.2 輸入數(shù)據(jù)

已經(jīng)根據(jù)API-RP-521計(jì)算得出[7]:火炬筒體尺寸24 inch(1 inch = 2.54 cm)，火炬分液罐直徑2.8 m。

Flare-net是根據(jù)API-RP-520的標(biāo)準(zhǔn)編制的，其中常規(guī)安全閥的最大允許背壓為整定壓力的10%，平衡式安全閥的為30%～50%。阻塞工況的泄放壓力為整定壓力的110%，火災(zāi)工況的為121%[8]。安全閥的尺寸已根據(jù)安全閥 Plus計(jì)算出，尾管尺寸與閥門出口尺寸保持一致(見表1)。

表1 各獨(dú)立安全閥的泄放數(shù)據(jù)Table1 DataofeachseparatePSVs安裝安全閥的設(shè)備泄放量/(kg·h-1)整定壓力/bar(G)操作壓力/bar(G)泄放溫度/℃安全閥型式最大允許背壓/bar(G)高壓壓縮機(jī)出口1761576054105平衡式18.0燃?xì)庀礈炱?9078403547平衡式12.0三甘醇再生塔11443.51.1110平衡式1.05氣舉壓縮機(jī)89078135129116.5常規(guī)型13.5一級(jí)分離器129000105.940.6平衡式3.0二級(jí)分離器15200103.464.3平衡式3.0 注:1bar=0.1MPa。

對(duì)于火炬總管的馬赫數(shù)一般要求小于0.5，低壓火炬的則一般為0.2，火炬尾管的可以比總管略高，但一般不超過 0.7[9-10]。

根據(jù)總圖布局確定火炬管網(wǎng)的走向、管路間的連接方式，測(cè)量各放空管路長度。根據(jù)氣相管線設(shè)計(jì)基本原則估算放空管線的初步尺寸(見表2)。

表2 火炬管網(wǎng)的管路數(shù)據(jù)Table2 Pipingdataofflare-net管路初步估算尺寸/inch當(dāng)量長度/m高壓火炬筒體2466主管1(管線11)2420主管2(管線9)2415主管3(管線13)2450主管4(管線17)24100主管5(管線22)24200主管6(管線21)24295高壓壓縮機(jī)安全閥尾管(管線2/3/5/7)4/4/4/450/50/50/50高壓壓縮機(jī)分匯管(管線1/4/6/24)12/24/24/2427/27/27/27氣舉壓縮機(jī)安全閥尾管(管線14/15)6/630/30氣舉壓縮機(jī)分匯管(管線16)2452燃?xì)庀礈炱靼踩y尾管(管線10)321三甘醇再生塔安全閥尾管(管線12)327一級(jí)分離器安全閥尾管(管線18)1030二級(jí)分離器安全閥尾管(管線19)618分離器區(qū)域分匯管(管線8/20)24/2430/182 注:1inch=2.54cm。

5.3 搭建模型

高壓火炬管網(wǎng)采用Flare-net 模擬的流程圖見圖1。

5.4 工況分析

對(duì)于安全閥泄放，應(yīng)考慮以下4種工況。

(1) 所有高壓壓縮機(jī)的安全閥泄放：當(dāng)壓縮機(jī)出口堵塞，350 000 m3/d的氣體要通過安全閥泄放，這時(shí)管網(wǎng)中的泄放量是最大的，為控制工況。

(2) 一二級(jí)分離器的安全閥泄放：當(dāng)總電源故障，下游電脫鹽撬關(guān)斷，導(dǎo)致上游分離器超壓。

(3) 燃?xì)庀礈炱骱腿蚀荚偕陌踩y泄放：供燃料氣管路堵塞，導(dǎo)致上游洗滌器及三甘醇裝置超壓。

(4) 氣舉壓縮機(jī)緊急關(guān)斷時(shí)的安全閥泄放。

5.5 核算結(jié)果及修改

工況1：高壓壓縮機(jī)的安全閥尾管背壓14.04 bar(G)超過整定壓力的10%，但沒有超過整定壓力60 bar(G)的30%，所以安全閥需要使用平衡式安全閥。且尾管的馬赫數(shù)為1.0，超過馬赫數(shù)為0.7的要求，運(yùn)用“脫瓶頸模式”重新計(jì)算，尾管尺寸由4 inch變?yōu)? inch。

工況2：一二級(jí)分離器的安全閥尾管背壓2.68 bar(G)超過整定壓力的10%，但小于30%，所以安全閥需要使用平衡式安全閥。

工況3：燃?xì)庀礈炱鞯陌踩y尾管背壓2.8 bar(G)沒有超過整定壓力40 bar(G)的10%，所以安全閥可以使用常規(guī)型安全閥。但尾管的馬赫數(shù)為1.0，超過馬赫數(shù)為0.7的要求，運(yùn)用“脫瓶頸模式”重新計(jì)算，尾管尺寸由3 inch變?yōu)?0 inch。

工況4：氣舉壓縮機(jī)的安全閥尾管背壓4.6 bar(G)沒有超過整定壓力135 bar(G)的10%，所以安全閥可以使用常規(guī)型安全閥。但尾管的馬赫數(shù)為1.0，超過馬赫數(shù)為0.7的要求，運(yùn)用“脫瓶頸模式”重新計(jì)算，尾管尺寸由 6 inch變?yōu)?0 inch。

6 結(jié) 語

(1) 通過運(yùn)用Flare-net對(duì)該高壓放空管網(wǎng)整體核算，以及對(duì)部分管線尺寸進(jìn)行修改，保障了高壓火炬系統(tǒng)的安全性，且裝置近一年的投產(chǎn)運(yùn)行情況良好，也顯示了即使在緊急泄放工況時(shí)，火炬管網(wǎng)也能完全滿足系統(tǒng)的安全泄壓要求，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

(2) 在火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，借助Flare-net計(jì)算出的火炬管線尺寸和安全閥的型式能夠符合設(shè)計(jì)要求，不僅能提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確度，還能對(duì)系統(tǒng)的綜合分析提出安全可靠的技術(shù)方案。

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Application of Aspen Flare System Analyzer in the design and analysis of flare-net

Wang Shanshan

ChinaPetroleumEngineeringCo.,Ltd,BeijingCompany,Beijing,China

Design of flare gas relieving system is a very complicated process, involving the calculation of each pipe back pressure and Mach number. This paper introduced the characteristics and application of Aspen Flare System Analyzer simulation software. Following the API specification requirements, the software can calculate the parameters such as pressure, temperature and flow rate at the beginning and the end of each pipe sections in flare system, so as to facilitate the identification and modification of the unreasonable design of the pipe diameters. In this paper, how to apply this software to review the flare system in an engineering project was demonstrated by taking an oil field surface facilities development project in the Middle East as an example. Calculation results of high pressure flare system showed that the back pressure and Mach number of some pressure safety valves’ tailpipe were too high. With the modification advised by software, the pipe sizes can satisfy the relieving gas requirements in operation, which ensures security of the system. Result indicates the value of this software in pressure safety valve selection and flare-net design.

Aspen, Flare System Analyzer， flare-net, relieving system, Mach number

王珊珊(1989-)，女，河北滄州人，工程師，2011年畢業(yè)于北京化工大學(xué)化學(xué)工程與工藝專業(yè)，大學(xué)學(xué)歷(工學(xué)學(xué)士)，現(xiàn)就職于中國石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司，從事油氣田地面工程的工藝設(shè)計(jì)工作。E-mail:wangshanshan@cpebj.com

TE687

A

10.3969/j.issn.1007-3426.2017.01.022

2016-07-04；編輯：鐘國利