陳文峰,戴 磊,付子文,王 濤
(海洋石油工程股份有限公司,天津 300451)
安全泄放裝置的主要功能是防止由于火災(zāi)、操作故障等原因,導(dǎo)致分離器、鍋爐超壓而發(fā)生爆炸事故[1]。海上生產(chǎn)平臺(tái)的油氣集輸設(shè)備、電氣設(shè)備等集中在一個(gè)非常狹小的區(qū)域里,因此海上生產(chǎn)平臺(tái)的安全生產(chǎn)至關(guān)重要[2]。安全泄放裝置是海上平臺(tái)生產(chǎn)分離器安全工作運(yùn)行的重要安全保障之一。因此,安全泄放裝置的設(shè)計(jì)是工程項(xiàng)目中非常重要的內(nèi)容之一。
在海上生產(chǎn)平臺(tái)上,安全閥被廣泛應(yīng)用在生產(chǎn)分離器上,而在安全閥的設(shè)計(jì)工作中,被保護(hù)設(shè)備的最大泄放量是關(guān)鍵參數(shù)之一。但是在海上平臺(tái)生產(chǎn)分離器的火災(zāi)工況中,計(jì)算其最大泄放量并不容易,尤其是對于像原油這樣的復(fù)雜的多組分物系,隨著容器不斷吸收熱量,蒸氣不斷的泄放,容器內(nèi)液位不斷變化,導(dǎo)致分離器內(nèi)的閃蒸氣及液體組成不斷發(fā)生變化,流體溫度和潛熱值也在不斷發(fā)生變化,需求泄放量不僅取決于熱量的吸收,還取決于分離器內(nèi)部物系的實(shí)際組成,在這種多變量的情況下,計(jì)算出分離器的最大泄放量是非常繁瑣復(fù)雜的[3]。
HYSYS Safety Analysis中的半動(dòng)態(tài)(Semi-Dynamic Flash)方法是假設(shè)壓力容器中的流體組分在泄壓的過程中保持密度的恒定,并且在壓力容器泄壓過程中一直保持氣液兩相的狀態(tài)。如果壓力容器在泄放條件下存在氣液兩種相態(tài),那么隨著時(shí)間的推移,熱量不斷輸入,液相的溫度會(huì)逐漸升高,液體在泄放壓力條件下會(huì)進(jìn)行閃蒸過程,每一次閃蒸的濕面積、熱量吸收速率、氣體性質(zhì)都隨著時(shí)間不斷變化。根據(jù)每次閃蒸相對應(yīng)的濕面積、吸收熱速率、流體性質(zhì)進(jìn)行泄放量的計(jì)算。
當(dāng)海上生產(chǎn)平臺(tái)發(fā)生池火時(shí),分離器的外表面被火焰包圍,這時(shí)吸收熱量的有效面積是分離器內(nèi)部的液體潤濕面積。確定潤濕面積是非常重要的, 半動(dòng)態(tài)(Semi-Dynamic Flash)方法中用式(1)估算其熱吸收[4]。
(1)
再根據(jù)閃蒸需要的實(shí)際熱量Qflash,利用公式(2)計(jì)算間隔時(shí)間Dt。
(2)
半動(dòng)態(tài)(Semi-Dynamic Flash)方法原理示意圖如圖1。目前該方法可以實(shí)現(xiàn)至多100次的閃蒸計(jì)算,高效地提高了閃蒸就算次數(shù),實(shí)現(xiàn)近似動(dòng)態(tài)模擬計(jì)算的過程,這樣的模擬方法使得整個(gè)計(jì)算過程與真實(shí)的泄放過程更為接近,提高了計(jì)算精度。
圖1 Semi-Dynamic Flash方法示意圖Fig.1 Schernatic diagram of Semi-Dynamic Flash method
HYSYS Safety Analysis環(huán)境下能夠自動(dòng)計(jì)算流體處于臨界狀態(tài)還是亞臨界狀態(tài),根據(jù)其狀態(tài)采用相應(yīng)的公式。
在閥嘴處達(dá)到聲速的壓力(Pcf)與入口壓力(P1)的絕對壓力之比稱為臨界壓比,Pcf是臨界流動(dòng)壓力[5]。絕對壓力表示的臨界流動(dòng)壓力比可以用理想氣體關(guān)系式的方程(式(3))得到。
(3)
式中:Pcf——噴嘴臨界流動(dòng)壓力,psia;P1——上游泄放壓力,psia;K——理想氣體的比熱。
蒸氣或氣體泄放的安全閥煩的尺寸計(jì)算有兩種類型,根據(jù)流體是臨界流動(dòng)還是亞臨界流動(dòng)選用不同的公式。如果閥嘴下游壓力小于或等于臨界流動(dòng)壓力Pcf,將會(huì)產(chǎn)生臨界流動(dòng)[5]。根據(jù)API 520,其尺寸計(jì)算可以公式(4)計(jì)算:
(4)
(5)
若是下游的壓力大于臨界流動(dòng)壓力Pcf,則會(huì)產(chǎn)生亞臨界流動(dòng)[5],其尺寸根據(jù)公式(6)計(jì)算:
(6)
(7)
上述式(4)~式(7)中:W——需要泄放量,kg/h;P1——上游泄放壓力,kPaA;P2——出口總背壓,kPaA;Kd——出口效率;不同介質(zhì)效率不同;Kb——背壓校正系數(shù),該數(shù)值可以從制造商處獲得;Kc——組合系數(shù),當(dāng)安裝爆破片時(shí),默認(rèn)值為0.9,當(dāng)無爆破片時(shí),默認(rèn)值為1;T——進(jìn)口泄放溫度,K;Z——壓縮系數(shù),真實(shí)氣體與理想氣體的偏差;M——相對分子質(zhì)量;A——計(jì)算出的排除面積,mm2;k——比熱比;C——泄放溫度下的有效排除系數(shù);F2——超臨界流體系數(shù);r——P2/P1。
以某項(xiàng)目的三相分離器(V-2020)的安全閥(PSV-2041A/B)計(jì)算為例。三相分離器V-2020)處理能力為845 Sm3/h(GAS)/42 m3/h(CRUDE OIL)/50 m3/h(WATER)。V-2020設(shè)備基本信息如表1所示。V-2020進(jìn)口物流組成信息見表2。
表1 V-2020基礎(chǔ)信息Tab.1 Basic information of V-2020
表2 2020進(jìn)口物流組分信息Tab.2 2020 import logistics cornponent information
Safety Analysis環(huán)境下,輸入設(shè)備信息,選用半動(dòng)態(tài)(Semi-Dynamic Flash)方法。以閃蒸50次為例,通過計(jì)算得到泄放量為4 663 kg/h。
Safety Analysis環(huán)境下提供了vapor,liquid,HEM等7種方法計(jì)算有效泄放面積,最后根據(jù)有效泄放面積選擇標(biāo)準(zhǔn)孔口面積。該案例中選擇Vapor方法計(jì)算有效泄放面積,輸入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后計(jì)算出有效泄放面積為2.26 cm2,選擇3.254(G)標(biāo)準(zhǔn)孔徑。對比工程案例中的詳細(xì)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù),如表3所示。
表3 V-2020泄放量結(jié)果對比Tab.3 Comparison of discharge volume results of V-2020
應(yīng)用半動(dòng)態(tài)(Semi-Dynamic Flash)方法分別進(jìn)行10次~100次閃蒸,得到的泄放量數(shù)據(jù)如圖2與圖3所示。理論上閃蒸次數(shù)增加可以提高泄放量計(jì)算精度,但在50次閃蒸計(jì)算后峰值泄放量以及峰值出現(xiàn)時(shí)氣化率都越來越緩和。說明在一定的閃蒸次數(shù)計(jì)算后結(jié)果趨于穩(wěn)定,案例通過50次閃蒸計(jì)算可以比較精準(zhǔn)地計(jì)算出最大泄放量。對于實(shí)際情況,Safety Analysis雖然可以快速計(jì)算出不同閃蒸次數(shù)下的最大泄放量,但通過選擇最合理的閃蒸次數(shù)可以縮短計(jì)算時(shí)長,提高設(shè)計(jì)效率。
圖2 最大泄放量隨閃蒸次數(shù)增加的變化Fig.2 Variation of maximum discharge capacity with the increase of flash number
圖3 泄放峰值出現(xiàn)時(shí)間,峰值氣化率隨閃蒸次數(shù)增加的變化Fig.3 The peak time of venting and the peak gasification rate with the increase of flash number
目前設(shè)計(jì)中,確定分離器火災(zāi)工況下需求泄放量主要是應(yīng)用靜態(tài)逐級(jí)閃蒸模擬的計(jì)算方法,該方法模擬真實(shí)泄放過程,氣液實(shí)際體積流率總是容器的實(shí)際體積,每次吸熱產(chǎn)生的多出的蒸氣都由VENT排放出去。需要人工逐級(jí)搭建模型,人工計(jì)算吸收熱、濕面積,閃蒸級(jí)數(shù)等。靜態(tài)逐級(jí)閃蒸原理示意圖如圖4。
圖4 靜態(tài)逐級(jí)閃蒸原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of static step by step flash
常規(guī)靜態(tài)逐級(jí)閃蒸模擬計(jì)算與半動(dòng)態(tài)(Semi-Dynamic Flash)方法的內(nèi)核是具有一致性,但結(jié)果有所差別,利用計(jì)算得到的閃蒸數(shù)據(jù),可以得到泄放量隨時(shí)間變化的擬合曲線圖,如圖5所示。常規(guī)逐級(jí)閃蒸模擬方法,模擬出整個(gè)泄放過程存在1個(gè)泄放高峰。而應(yīng)用Semi-Dynamic Flash方法進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí),無論是5次閃蒸模擬,還是50次閃蒸模擬,都模擬出兩個(gè)泄放高峰。
圖5 兩種計(jì)算方法最大泄放量隨時(shí)間增加的變化Fig.5 The change of maximum discharge capacity with time in two kinds of calculation method
案例中原油含水量約29%,C4以下組分約27%,C7以上組分占比約26%,C11以上原油占6.2%,這種油水體系下,油與水氣化的過程比較復(fù)雜,案例中含水原油體系泄放過程大致可以分為含水輕烴泄放為主,含水較重原油泄放兩個(gè)階段。根據(jù)圖5所示,半動(dòng)態(tài)(Semi-Dynamic Flash)方法計(jì)算結(jié)果比較符合實(shí)際泄放過程,首先是在泄放條件下,輕烴與水蒸汽的泄放,案例中輕烴與水摩爾占比約60%,在整個(gè)火災(zāi)工況泄放初期形成了第一個(gè)泄放高峰,泄放流體密度較?。欢笙鄬^重原油與水繼續(xù)氣化泄放,形成第二個(gè)泄放高峰,泄放流體密度較大。
而常規(guī)靜態(tài)逐級(jí)閃蒸方法僅粗糙的模擬出了一個(gè)峰值。由于常規(guī)靜態(tài)逐級(jí)閃蒸需要人工計(jì)算吸收熱,限制了閃蒸計(jì)算次數(shù),閃蒸計(jì)算模擬的時(shí)間間隔長,每次閃蒸模擬的組分、流體物性等參數(shù)都會(huì)與實(shí)際情況存在一定偏差,隨著模擬的火災(zāi)時(shí)間越來越長,計(jì)算結(jié)果的偏差也會(huì)逐漸增大,這使得常規(guī)方法需求泄放量的計(jì)算不夠準(zhǔn)確,可能從而影響了海上平臺(tái)火炬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
1)目前工程項(xiàng)目常規(guī)采用的計(jì)算火災(zāi)工況寫放量的方法需要逐級(jí)搭建模型,人工計(jì)算吸收熱、濕面積,閃蒸級(jí)數(shù)受到限制,計(jì)算耗時(shí)耗力計(jì)算精度卻一般;而半動(dòng)態(tài)(Semi-Dynamic Flash)不僅自動(dòng)計(jì)算、輸入簡單、效率高,而且最大閃蒸次數(shù)高達(dá)100次,計(jì)算精度高。
2)半動(dòng)態(tài)(Semi-Dynamic Flash)閃蒸級(jí)數(shù)在50次以上能得到較精準(zhǔn)泄放數(shù)據(jù),在應(yīng)用時(shí)推薦采用至少50次閃蒸。
3)半動(dòng)態(tài)(Semi-Dynamic Flash)模擬技術(shù)與常規(guī)的泄放模擬技術(shù)相比,無論計(jì)算精度,還是計(jì)算效率,都有大幅度提高。該方法可以有的效解決分離器火災(zāi)工況安全泄放計(jì)算中出現(xiàn)的計(jì)算繁瑣、效率低下、精度差的問題。該方法的應(yīng)用為海上平臺(tái)精細(xì)化設(shè)計(jì)提供了良好的方案,為海上平臺(tái)火炬系統(tǒng)優(yōu)化提高重要的數(shù)據(jù)支撐。