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(tái)設(shè)備布置緊湊、空間狹小，可燃?xì)怏w泄漏會(huì)導(dǎo)致重大的人員傷害、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染[1-2]，對(duì)此API521建議設(shè)計(jì)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(shí)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(dòng)態(tài)變化中，泄放量計(jì)算存在困難，行業(yè)內(nèi)常借助HYSYS軟件模擬動(dòng)態(tài)泄放過程[4-10]。目前HYSYS提供了Depressing和Blowdown兩種計(jì)算方法，文章從泄放計(jì)算原理和工程實(shí)例比較等方面對(duì)兩種方法進(jìn)行對(duì)比分析，為后續(xù)工程項(xiàng)目中減壓泄放計(jì)算提供借鑒。

1 泄放計(jì)算原理

泄放計(jì)算包括需泄放蒸氣產(chǎn)生量的計(jì)算和孔板流通能力的計(jì)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(jì)算和液體閃蒸計(jì)算根據(jù)HYSYS自帶的狀態(tài)方程可以計(jì)算得出。

1.1 需泄放蒸氣產(chǎn)生量的計(jì)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(jì)算方法，當(dāng)容器表面暴露于火災(zāi)中時(shí)，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(shí)，只考慮容器內(nèi)部液體濕潤部分。

計(jì)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(tái)未發(fā)生火災(zāi)，但需要進(jìn)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(tái)計(jì)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(gè)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(jìn)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(qiáng)制對(duì)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(shí)，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(duì)流體的加熱或冷卻會(huì)導(dǎo)致流體流動(dòng)，由于對(duì)流的存在傳熱過程變得復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)表明區(qū)域1中自然對(duì)流是熱傳遞的主要方式。自然對(duì)流傳熱過程由于流動(dòng)狀態(tài)直接相關(guān)，當(dāng)流體處于層流或湍流時(shí)，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(shí)驗(yàn)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(qiáng)制對(duì)流傳熱。此外，隨著壓力下降，較輕的液體會(huì)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(jì)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(dòng)為可逆的加速過程，從喉部流向下游區(qū)域?yàn)椴豢赡娴臏p速過程。根據(jù)孔板壓差，流動(dòng)過程分為臨界流動(dòng)和非臨界流動(dòng)。

(1)臨界流動(dòng)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(huì)“堵塞”，這時(shí)流體在最窄處加速到最大速度。對(duì)于單相氣體流，最大速度是聲速。

(2)非臨界流動(dòng)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(dòng)處于非臨界狀態(tài)。Depressing工具中，通常考慮泄放過程為臨界流動(dòng)。

2 Depressing和Blowdown的應(yīng)用對(duì)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(duì)比。Blowdown在簡化熱輸入時(shí)，規(guī)定初始狀態(tài)單位面積吸熱速率作為后續(xù)計(jì)算單位面積吸熱速速率的固定值：

(2)

每個(gè)時(shí)刻的實(shí)際吸熱速率：

(3)

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

文章以某項(xiàng)目一級(jí)分離器的設(shè)計(jì)參數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)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(shí)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(jí)分離器設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameter of primary separator

從圖1、圖2可以看出，隨泄放時(shí)間的延長，Depressing計(jì)算的液位高度逐漸降低，吸熱速率基本保持不變；Blowdown計(jì)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(jì)算結(jié)果更貼近實(shí)際工況。

圖2 Depressing中吸熱速率和液位高度隨泄放時(shí)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(shí)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(shí)際的受火面積，如圖4，實(shí)際受火面積考慮的液位高度為：

圖4 考慮液位高度容器實(shí)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(shí)需要將管線和設(shè)備的尺寸折算為一個(gè)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(huì)導(dǎo)致液相沾濕面積與實(shí)際不同，造成誤差。

文章同樣以某項(xiàng)目一級(jí)分離器的設(shè)計(jì)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(jìn)行折算，計(jì)算結(jié)果如表2。在Depressing中折算為臥式容器。

表2 沾濕面積計(jì)算對(duì)比Tab.2 Comparison of wetted area calculation

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

(3)泄放狀態(tài)比較

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

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

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

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

表4 Depressing和Blowdown計(jì)算泄放孔板尺寸對(duì)比Tab.4 Comparison of discharge orifice size calculated by Depressing and Blowdown

2.2 Depressing和Blowdown在工程實(shí)例中的計(jì)算結(jié)果對(duì)比

文章以某項(xiàng)目段塞流補(bǔ)集器設(shè)計(jì)參數(shù)為基礎(chǔ)，對(duì)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(jìn)行對(duì)比分析，如表5。

表5 Depressing和Blowdown的計(jì)算結(jié)果對(duì)比Tab.5 Comparison of calculation results of Depressing and Blowdown

從表5計(jì)算結(jié)果可以看出：

(1)在火災(zāi)和冷態(tài)泄放工況下，Blowdown計(jì)算的泄放量和孔板尺寸大于Depressing計(jì)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(dòng)狀態(tài)，造成泄放后期孔板流通量計(jì)算值偏大，因此選取的孔板較小，初始瞬時(shí)泄放量偏小。

(2)在冷態(tài)泄放工況下，Blowdown計(jì)算的泄放孔板下游的流體和管線溫度要低于Depressing的計(jì)算結(jié)果，而Blowdown計(jì)算的容器壁和罐內(nèi)液體的溫度要高于Depressing的計(jì)算結(jié)果。根據(jù)前面泄放計(jì)算原理的介紹，主要是由于Blowdown在整個(gè)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(shí)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(jì)算方法，減壓泄放計(jì)算僅是其中一個(gè)功能，在泄放模型處理方面并不精細(xì)，計(jì)算結(jié)果存在一定誤差，但Depressing運(yùn)算速度快，運(yùn)行過程不易出現(xiàn)錯(cuò)誤，適合項(xiàng)目前期的初算或試算，如概念設(shè)計(jì)。Blowdown是專門針對(duì)減壓泄放計(jì)算的方法，有大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為支撐，計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確，適合項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)階段，如詳細(xì)設(shè)計(jì)，但Blowdown在處理含水量較大或假組分較多的情況時(shí)，需要考慮采用別的組分替換，計(jì)算準(zhǔn)確度下降，有待進(jìn)一步研究開發(fā)。