周 興

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

在石油化工生產(chǎn)裝置中，當(dāng)系統(tǒng)中的物質(zhì)和能量出現(xiàn)不平衡或異常時(shí)，將引起物質(zhì)或能量在系統(tǒng)局部積聚，隨之可能產(chǎn)生超壓。為保證石油化工裝置的安全生產(chǎn)和操作人員的人身安全，避免壓力容器和壓力管道超壓，需設(shè)置安全泄放裝置(安全閥和爆破片等，本文以安全閥為例)作為保護(hù)措施?？紤]到安全閥的重要性，在設(shè)計(jì)中應(yīng)確保安全閥滿足泄放要求。但過(guò)猶不及，常規(guī)的安全閥泄放量計(jì)算方法通常較為保守，常導(dǎo)致安全閥及火炬系統(tǒng)的尺寸過(guò)大。API 521中提出，可以采用動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算安全閥的泄放量，在足夠保守的前提下兼顧經(jīng)濟(jì)性。近年來(lái)，動(dòng)態(tài)模擬已越來(lái)越多地應(yīng)用于安全閥泄放量的計(jì)算，吳梁紅等人采用動(dòng)態(tài)模擬的方法進(jìn)行火災(zāi)工況下安全閥的泄放量計(jì)算[1]；楊曉凌等人采用動(dòng)態(tài)模擬的方法進(jìn)行換熱管破裂工況下安全閥的泄放量計(jì)算[2]；鄒弋采用動(dòng)態(tài)模擬的方法進(jìn)行水、電中斷工況下精餾塔安全閥的泄放工況分析[3]；目前就火災(zāi)、換熱管破裂等工況的泄放量計(jì)算已經(jīng)比較成熟。但采用動(dòng)態(tài)模擬針對(duì)高壓氣體穿透工況的泄放量計(jì)算還未見諸報(bào)道。根據(jù)API 521描述，氣體穿透工況是控制閥故障工況中特殊的一種，當(dāng)下游容器入口的閥門由于故障全開后，上游容器液位耗盡，導(dǎo)致其中的高壓氣體通過(guò)控制閥竄入下游容器，引發(fā)下游容器迅速超壓，后果嚴(yán)重[4]。目前現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)該工況缺乏有效的計(jì)算手段，HG/T 20570中提供了一種通過(guò)固定CV值閥門的氣體流量計(jì)算公式，但按此公式計(jì)算，工況設(shè)定過(guò)于簡(jiǎn)單，且泄放量過(guò)大，因此本文擬嘗試使用動(dòng)態(tài)模擬的方法對(duì)氣體穿透工況下的安全閥泄放量進(jìn)行計(jì)算。

1 氣體穿透工況建模

1.1 模擬案例的工藝流程圖

模擬案例取自酸性氣體脫除流程，吸收塔中的富液通過(guò)閥門減壓后進(jìn)入閃蒸塔。其中吸收塔的操作壓力約為5.4MPaG，而閃蒸塔的壓力僅為0.9MPaG，兩塔的壓差較大。當(dāng)閥門故障全開時(shí)，吸收塔的液位將持續(xù)降低，當(dāng)液位耗盡后高壓的原料氣將通過(guò)閥門竄入閃蒸塔，導(dǎo)致閃蒸塔迅速超壓，具體的工藝流程如圖1所示。該工藝流程的關(guān)鍵物性參數(shù)如表1所示。

圖1 氣體穿透工藝流程圖 表1 關(guān)鍵物性參數(shù)

1.2 動(dòng)態(tài)建模

動(dòng)態(tài)模擬軟件采用的是SIMSCI公司開發(fā)的DYNSIM軟件5.3.2版，該軟件基于嚴(yán)格的熱力學(xué)和流體力學(xué)模型，使動(dòng)態(tài)過(guò)程模擬計(jì)算具有超群的魯棒性和準(zhǔn)確性，適應(yīng)于多組分，多變化、有化學(xué)反應(yīng)的復(fù)雜體系。按照上述工藝流程搭建的動(dòng)態(tài)模型如圖2所示，物性參數(shù)按表1設(shè)定，熱力學(xué)方法選擇適合酸性氣體吸收的PSRK模型。

圖2 氣體穿透的動(dòng)態(tài)模型。

2 計(jì)算分析

2.1 泄放動(dòng)態(tài)曲線分析

將模型運(yùn)行至穩(wěn)態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)中的流量、溫度、壓力、閥門閥位等各項(xiàng)參數(shù)均保持穩(wěn)定。在0時(shí)刻，將閥門V1設(shè)置為故障，其開度瞬間增大至100%。此后的閃蒸塔C2的壓力及安全閥的泄放量曲線如圖3所示。

圖3 氣體穿透工況下閃蒸塔C2的壓力及安全閥的泄放量曲線

由圖3可知，自閥門V1開度異常，閃蒸塔C2的壓力逐漸增高，這是由于進(jìn)入閃蒸塔C2的富液增多，塔內(nèi)閃蒸的氣相增多，但此時(shí)的壓力尚未達(dá)到安全閥起跳壓力。當(dāng)富液持續(xù)通過(guò)閥門V1過(guò)量地送往閃蒸塔C2，一段時(shí)間后吸收塔C1液位耗盡，此后吸收塔C1的氣體直接通過(guò)閥門V1竄至閃蒸塔C2，造成閃蒸塔C2的壓力急劇上升，當(dāng)達(dá)到安全閥起跳壓力后，安全閥迅速開啟泄壓，此時(shí)對(duì)應(yīng)圖3中泄放量的峰值。隨著安全閥的開啟，閃蒸塔C2的壓力趨于穩(wěn)定，而由于吸收塔C1輸入的原料氣量小于泄放量峰值，隨著吸收塔C1內(nèi)積存的氣體耗盡后，安全閥的泄放量逐漸下降，并趨于穩(wěn)定。該趨勢(shì)與API 521 第4.4.8.3節(jié)中對(duì)高壓氣體穿透時(shí)安全閥的泄放說(shuō)明吻合。

2.2 閥門CV值對(duì)泄放量的影響

為研究閥門V1的CV值對(duì)泄放量的影響，將其CV分別調(diào)整為200和400，之后進(jìn)行泄放工況分析，并與原始CV值時(shí)的泄放曲線進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比情況如圖4所示。

圖4 氣體穿透工況下不同閥門CV的泄放量曲線

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)閥門V1的CV值與安全閥的泄放量呈正相關(guān)，當(dāng)閥門CV值的增大，安全閥泄放量峰值隨之增加。此外，隨著CV值的增大，吸收塔C1液位耗盡的時(shí)間越早，即發(fā)生安全閥泄放的時(shí)間越早，人工進(jìn)行干預(yù)的難度也隨之增大。因此在流通量滿足要求的情況下，應(yīng)盡量減小閥門V1的尺寸。

2.3 進(jìn)出系統(tǒng)物流對(duì)泄放量的影響

從圖3可知，本系統(tǒng)氣體穿透工況下的泄放量峰值為103071 kg/s，而采用HG/T 20570.2-1995中 7.05式計(jì)算得到的泄放量為1314334 kg/s[5]，采用動(dòng)態(tài)模擬法計(jì)算得到的泄放量顯著小于HG/T 20570.2-1995計(jì)算得到的泄放量。究其原因，主要是HG/T 20570提供的公式僅針對(duì)通過(guò)閥門的氣相量，沒有將整個(gè)系統(tǒng)中其它的進(jìn)出物流的影響納入考慮。而在動(dòng)態(tài)模型中，首先保留有閃蒸塔C2頂部的閥門V2，該閥門在閥門V1故障時(shí)，仍保持原先開度，可承擔(dān)一部分氣相泄放能力。此外，另一個(gè)重要原因是吸收塔C1持續(xù)有液相吸收劑補(bǔ)入，而根據(jù)模擬結(jié)果，通過(guò)閥門V1的介質(zhì)并非純氣相，其氣相摩爾分率僅為28%，其余通過(guò)閥門V1的介質(zhì)是液相吸收劑，這導(dǎo)致安全閥的實(shí)際泄放量顯著減少。

2.4 下游容器容積對(duì)泄放量的影響

從圖3可發(fā)現(xiàn)，泄放量峰值的形狀較尖銳，初步考慮是由于閃蒸塔C2的容積較小，氣相緩沖能力較差引起的。為進(jìn)一步研究下游容器容積對(duì)泄放量的影響，將模型中的閃蒸塔C2容積分別增大100%和200%，之后進(jìn)行泄放工況分析，并與原始容積時(shí)的泄放曲線進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比情況如圖5所示。

圖5 氣體穿透工況下不同下游容器容積的泄放量曲線

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)下游容器容積增大，泄放量峰值隨之降低，并且泄放曲線也更加平緩。筆者認(rèn)為當(dāng)下游容積進(jìn)一步增大時(shí)，泄放量將持續(xù)減小，甚至極限情況下，閥門下游可視為大氣，下游不會(huì)出現(xiàn)超壓，此時(shí)安全閥不起跳，泄放量為零。

3 結(jié)論

(1)利用動(dòng)態(tài)模擬可對(duì)氣體穿透工況進(jìn)行有效模擬，獲得的泄放趨勢(shì)與API 521的第4.4.8.3節(jié)安全閥的泄放說(shuō)明吻合。

(2)根據(jù)模擬結(jié)果，被穿透閥門的CV值與安全閥泄放量呈正相關(guān)，因此設(shè)計(jì)時(shí)在滿足流通量的前提下，該閥門應(yīng)按尺寸下限選擇。

(3)利用動(dòng)態(tài)模型模擬穿透工況時(shí)，應(yīng)按照流程實(shí)際情況，囊括所有進(jìn)出系統(tǒng)的物流。相比HG20570.2-1995中的7.05式，動(dòng)態(tài)模擬獲得的穿透工況泄放量更貼合實(shí)際。

(4)下游容積尺寸越大，發(fā)生氣體穿透時(shí)獲得的緩沖越強(qiáng)，安全閥泄放量也越小。