緊急放空系統(tǒng)限流孔板孔徑HYSYS模擬計算

緊急放空系統(tǒng)限流孔板孔徑HYSYS模擬計算陳俊文;陳慶;湯曉勇;邊云燕【摘要】緊急泄放系統(tǒng)為油氣集輸站場中設(shè)備和管道提供安全保障，尤其火災(zāi)工況下,帶壓介質(zhì)必須盡快泄放,以防止由于容器受熱后強度降低弓I起的破裂或爆炸.限流孔板孔徑是影響泄放速率的主要因素，值得深入研究，以滿足極端工況的泄放要求.基于限流孔板尺寸計算方法現(xiàn)狀和火災(zāi)工況特點，分析了現(xiàn)行算法在火災(zāi)工況下的適應(yīng)性，并建立HYSYS動態(tài)模擬，計算了火災(zāi)工況下緊急放空系統(tǒng)限流孔板孔徑.結(jié)果表明，目前的限流孔板尺寸算法無法合理考慮火災(zāi)工況泄放過程中液相介質(zhì)揮發(fā)和氣相組分升溫等情況;容器中的輕質(zhì)液相組分在火災(zāi)工況下將大量揮發(fā)，常規(guī)算法得出的泄放元件尺寸無法滿足此種情況下緊急泄壓的需求;建立的動態(tài)泄放模型能夠進一步模擬真實情況.研究成果為集輸站場緊急放空系統(tǒng)的限流孔板合理設(shè)計提供了參考與借鑒.【期刊名稱】《石油與天然氣化工》【年(卷)，期】2016(045)006【總頁數(shù)】6頁(P93-98)【關(guān)鍵詞】集輸站場;緊急放空;限流孔板;HYSYS動態(tài)模擬【作者】陳俊文;陳慶;湯曉勇;邊云燕【作者單位】中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司;中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司;中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司;中國石油集團工程設(shè)計有限責(zé)任公司西南分公司【正文語種】中文【中圖分類】TE88緊急放空系統(tǒng)作為集輸站場緊急截斷系統(tǒng)(ESD)的后續(xù)保護程序，起到了保障系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備和容器安全的關(guān)鍵作用［1-4］。根據(jù)規(guī)范要求，集輸系統(tǒng)緊急截斷區(qū)間內(nèi)的介質(zhì)應(yīng)通過緊急放空。在火災(zāi)情況下，緊急放空量按對所有處理烴類設(shè)備在15min內(nèi)將壓力(G)降至690kPa或降至50%容器設(shè)計壓力計，取其中較低值［5］。遇火情況下，設(shè)備鋼材強度將降低，若不及時啟動緊急泄壓，極有可能無法承受其內(nèi)壓，導(dǎo)致設(shè)備破裂，引起更大規(guī)模的事故。緊急放空系統(tǒng)的設(shè)計核心在于額定泄放時間下的最大泄放速率預(yù)測與限流孔板孔徑選擇。過小的孔徑可能造成實際泄放速度降低，泄壓時間延長；過大的孔徑則使最大瞬間泄放量增大，需提高放空系統(tǒng)處理規(guī)模，造成投資浪費。此前，諸多機構(gòu)與學(xué)者對泄放系統(tǒng)放空速率和限流孔板的尺寸計算進行了深入研究［6-10］，形成了多種限流孔板尺寸計算方法。然而，火災(zāi)工況下容器內(nèi)介質(zhì)將發(fā)生升溫、相變等復(fù)雜變化［11-13］，影響對限流孔板計算的輸入條件。因此，有必要進一步研究該復(fù)雜系統(tǒng)工況下限流孔板的計算，形成一套更為可靠的動態(tài)計算方法。本研究將根據(jù)限流孔板泄放原理，基于火災(zāi)工況下容器內(nèi)介質(zhì)特點，完善并優(yōu)化限流孔板尺寸的計算方法。限流孔板為一同心銳孔板［14］，安裝在緊急泄放閥后起限流作用，主要原理為［7］:流體通過孔板會產(chǎn)生壓力降，通過孔板的流量隨壓力降的增大而增大，當(dāng)壓力降達到臨界流動狀態(tài)時，其流量不受孔板前壓力影響，以達到限流目的。節(jié)流閥、安全閥的泄放原理與限流孔板較為接近，其區(qū)別在于閥門限流元件是否存在開度控制；安全閥只能用于超壓放空，當(dāng)壓力下降到回座壓力后，流道關(guān)閉，泄放停止；緊急泄放系統(tǒng)選擇全通徑閥與限流孔板進行組合，既能在緊急情況下限制流量，也能避免調(diào)節(jié)閥失效（鎖死）弓I起的事故。集輸站場通常設(shè)置了上游管道來氣的匯集和分離處理裝置。站內(nèi)設(shè)備處除管道和管件外，通常設(shè)有容積較大的分離器。在緊急情況下，進出站或關(guān)鍵設(shè)備上下游的ESD閥門關(guān)閉，隔離各種事故對生產(chǎn)系統(tǒng)的影響，并迅速泄放帶壓介質(zhì)，降低系統(tǒng)壓力［15-17］。一般通過人為操作、氣體檢測或火焰探測器，啟動緊急泄放系統(tǒng)，對站內(nèi)設(shè)備內(nèi)的介質(zhì)（主要是可壓縮的氣相）進行緊急泄放，在規(guī)定時間泄放至規(guī)定的安全壓力。緊急泄放工況可大致分為無火災(zāi)工況和火災(zāi)工況?；馂?zāi)工況均會有外界熱源輸入設(shè)備（即設(shè)備著火）。非火災(zāi)工況下，其內(nèi)部壓力、瞬時排放速率、介質(zhì)溫度隨泄放時間而降低，是一種常規(guī)定容泄放過程。典型火災(zāi)工況下，熱源對含有液相的分離器外表面進行熱量輸入，API521-2014《Pressure-relievingandDepressuringSystems》推薦的含有液相介質(zhì)的未隔熱罐體熱量吸收公式見式（1）。式中：Q為總系熱量，W;F為環(huán)境系數(shù)，1;Aws為總體濕潤面積，m2。液相揮發(fā)的速度可通過式（1）與液相蒸發(fā)潛熱關(guān)聯(lián)計算。受熱容器中液相組分揮發(fā)將增大容器內(nèi)介質(zhì)的壓力，泄放時，可能出現(xiàn)系統(tǒng)泄壓引起的壓力降低和液相揮發(fā)造成的壓力升高協(xié)同效應(yīng)，從而影響泄壓速率、排放壓力以及實際泄放時間。同時，火災(zāi)引起的液相揮發(fā)使氣相含量不斷增高，這相當(dāng)于增大了額定時間需要排出的氣體體積。鑒于泄放工況的特點，分析目前常用限流孔板計算方法的適應(yīng)性，并進一步優(yōu)化計算方法。目前，限流孔板的孔徑計算主要參考《煉油裝置工藝管道安裝設(shè)計手冊（下冊）》、《Perry’sChemicalEngineers'Handbook》和ISO5167.2-2003《Measurementoffluidflowbymeansofpressuredifferentialdevicesinsertedincircularcross-sectionconduitsrunningfull-Part2:Orificeplates》所列公式，通過泄放質(zhì)量流量、限流孔板前壓力以及部分流動參數(shù)，計算孔徑。若已知最大泄放速率、孔板前溫度、壓力及孔板后壓力等參數(shù)，則可由上述文獻推薦的方法直接計算出孔板孔徑?！稛捰脱b置工藝管道安裝設(shè)計手冊(下冊)》介紹的限流孔板計算公式較為常用，如式(2):式中：q為流體的質(zhì)量流量，kg/h;a為孔板流量系數(shù)；￡為流體膨脹系數(shù)；d為銳孔直徑，mm;p為操作條件下流體密度，kg/m3;Ap為孔板前后的壓力降，MPa。式(2)的輸入?yún)?shù)主要為孔板前后壓差和恒定流量，因此主要應(yīng)用于解決定量限壓流動問題。若選擇式(2)應(yīng)用于定容緊急泄放過程，則必須合理選取并確定極端工況下的最大質(zhì)量流量，而選擇最大質(zhì)量流量的過程則需通過其他方法完成，例如動態(tài)模擬。目前，定容泄放過程主要參考《GasConditioningandProcessing》(equation10.51)推薦的定容泄放孔板尺寸計算公式(式(3)，以下簡稱泄放公式)。式(3)所需的參數(shù)為泄放起始和終了的壓力、溫度等，可直接獲取。式中：t為泄放時間，s;B為常數(shù)，0.09;V為實際系統(tǒng)體積，m3;Cd為閥門泄放系數(shù)；Av為泄放面積，m2;Z為氣體平均壓縮因子；T為氣體平均溫度，K;pl為泄放初始系統(tǒng)壓力，kPa;p2為泄放終了系統(tǒng)壓力，kPa;Rd為氣體相對密度。如前所述，在火災(zāi)工況下，由于外界熱量持續(xù)對系統(tǒng)進行熱量輸入，式(3)無法估算熱量輸入對泄放過程的影響。由此可見，式(1)在使用中需要借助其他手段獲取緊急泄放過程中的最大泄放量；式(2)無法考慮火災(zāi)工況下泄放過程中熱量輸入的影響。目前，一些商用軟件都為用戶提供了實現(xiàn)流程動態(tài)模擬功能的平臺，這為本研究進行動態(tài)優(yōu)化計算和分析提供了支撐。其中，HYSYS軟件在油氣儲運設(shè)計中的運用較為廣泛，此軟件具有強大的穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)模擬功能。HYSYS基于基本狀態(tài)方程、水力模型、熱力模型等模塊，通過用戶自行設(shè)計、搭建流程模型、設(shè)置事件時間軸，可完成多種工況的動態(tài)模擬。在模擬中對過程數(shù)據(jù)實時記錄，滿足結(jié)果分析要求。因此，基于HYSYS軟件的動態(tài)模擬，可綜合考慮外界熱量輸入、容器內(nèi)組分相態(tài)變化［18］，以實現(xiàn)火災(zāi)工況下系統(tǒng)泄壓的實時監(jiān)控，能夠較為合理地預(yù)測泄放過程，可作為復(fù)雜工況下限流孔板計算的一種方法。4.1模型建立4.1.1模型組成根據(jù)工藝流程，借助HYSYS軟件建立以氣液分離器為主要設(shè)備的模擬流程（見圖1）。其中，在靜態(tài)模擬環(huán)境下分別建立入口物流、入口截斷閥、兩相分離器、氣相出口截斷閥、氣相出口物流、液相出口截斷閥、液相出口物流等物流、設(shè)備和閥門；同時，添加緊急泄放系統(tǒng)（緊急泄放閥和限流孔板）。4.1.2邊界條件設(shè)置入口物流的組分、壓力和溫度；設(shè)置兩相分離器的尺寸、穩(wěn)定液位高度和傳熱模型；設(shè)置限流孔板后物流的初始壓力（緊急泄放工況下，設(shè)置為690kPa）。4.1.3火災(zāi)熱量輸入建立關(guān)聯(lián)分離器液位L與濕潤面積A的計算表，利用式（1）將計算的濕潤面積換算為火災(zāi)熱量輸入后添加至氣液分離器。4.2計算步驟（1）在穩(wěn)態(tài)模擬環(huán)境中，設(shè)置緊急泄放閥開度為0，按照正常生產(chǎn)流程運行模型，對氣液分離器液位進行設(shè)置。轉(zhuǎn)入動態(tài)模擬環(huán)境并暫停計算，關(guān)閉入口截斷閥、氣相出口截斷閥和液相出口截斷閥。賦予限流孔板孔徑初始值。⑷將熱量添加至分離器，模擬火災(zāi)發(fā)生時的熱量輸入。打開緊急截斷閥門。開始動態(tài)模擬計算，調(diào)入數(shù)據(jù)記錄表和變量-時間圖，觀察變化結(jié)果。⑺根據(jù)壓力-時間變化結(jié)果調(diào)整步驟(3)中的限流孔板孔徑初始值，重新進行步驟⑷?步驟(7),直至滿足15min內(nèi)將系統(tǒng)壓力泄放至690kPa。4.3算例分析為驗證HYSYS模型對緊急泄放工況的適用性，并比對前述〃泄放公式”(簡稱〃方法1”)與本研究建立的動態(tài)模型(簡稱〃方法2”)計算結(jié)果，引入算例進行計算與分析。4.3.1算例某集氣站操作壓力為7MPa、操作溫度為60°C,氣體處理量為300x104m3/d;設(shè)置有匯管、一套測試分離器(DN1800x4500)和出口管道；進出站設(shè)置ESD截斷閥；全站設(shè)置了緊急泄放系統(tǒng)。其中，罐體正常生產(chǎn)液位為30%內(nèi)徑。罐內(nèi)介質(zhì)組分見表1。擬計算滿足緊急泄放要求的限流孔板尺寸。4.3.1.1容器未著火的緊急泄放采用方法1,可計算孔板孔徑為11.31mm時，能夠滿足泄放要求。若以此孔徑作為方法2的輸入值，在其他條件不變的情況下，約870s就能滿足泄壓要求。通過試算，方法2滿足900s(15min)泄壓速度的最小孔徑為10.98mm。由此可見，以動態(tài)泄放為基礎(chǔ)的方法2，其計算結(jié)果略小于基于經(jīng)驗公式的方法1。由于方法2考慮了泄放過程中泄放速率、壓力和密度等的動態(tài)變化，因此其結(jié)果較方法1更接近實際。方法1的計算結(jié)果雖然稍大，但誤差范圍小于10%，仍可作為工程初期進行管件尺寸估算的一種快速方法。因此，選擇孔徑為11mm的限流孔板可滿足此工況的泄放要求。4.3.1.2容器著火的緊急泄放如前所述，方法1無法輸入熱量值，故難以完成此類計算。方法2引入以濕潤面積為函數(shù)的熱量輸入值，模擬實際泄放過程中熱量輸入對泄放過程的影響。同時，為進一步說明火災(zāi)工況下有無考慮熱量輸入的定容泄放對泄放時間的差別（某些商用軟件提供絕熱泄放模塊），增加了絕熱泄放模擬，模擬結(jié)果見圖2。由圖2可見，選定孔徑為11mm的限流孔板后，對于火災(zāi)泄放工況，絕熱泄放計算得到的泄放時間（泄壓至690kPa）仍為900s；而熱量輸入泄放的計算結(jié)果顯示，達到滿足泄放壓力的時間約為1050s，這表明孔徑為11mm的限流孔板無法滿足火災(zāi)工況下的泄放速率要求，在熱量輸入工況下增大了泄放速率。通過試算，滿足著火工況下泄放要求的孔板孔徑應(yīng)為13mm。4.3.2數(shù)據(jù)分析針對上述案例計算結(jié)果，進行數(shù)據(jù)分析，以進一步揭示HYSYS動態(tài)模型對非火災(zāi)與火災(zāi)工況（絕熱泄放和熱量輸入泄放）的廣泛適應(yīng)性。通過泄放過程中溫度變化的模擬結(jié)果可知，泄放起始時刻溫度均為60°C,在熱量輸入模型中，泄放終了時刻的罐內(nèi)介質(zhì)溫度為75C,而絕熱泄放終了時刻的罐內(nèi)介質(zhì)溫度為56°C。這一方面說明，雖然在絕熱過程中介質(zhì)溫度隨壓力降低而下降，但在著火狀態(tài)下，熱量輸入對升溫的貢獻大于泄壓引起的溫度降低；另一方面，泄放上游介質(zhì)溫度的模擬結(jié)果也證明了著火工況下，由于緊急截斷和緊急泄放系統(tǒng)快速反應(yīng)和動作，介質(zhì)溫升不大。根據(jù)熱量輸入和絕熱過程泄放的溫度變化規(guī)律可知，由于案例中的介質(zhì)為凝析氣，故在分離器中積存的液相組分中含有部分凝析油，這些組分在系統(tǒng)壓力降低或溫度升高的過程中會持續(xù)揮發(fā)，實際泄放氣體質(zhì)量大于初始狀態(tài)，故在限流孔板孔徑一定的情況下，熱量輸入泄放所需時間大于絕熱過程泄放。另外，假設(shè)介質(zhì)只含有C1和H2O，分離器液相中幾乎不含有輕質(zhì)可揮發(fā)組分，無論熱量輸入還是絕熱過程泄放，液相(H2O)在泄放時間內(nèi)雖然溫度上升，但幾乎不發(fā)生氣化相變。根據(jù)動態(tài)模型可定量計算，驗證分析結(jié)果如下。綜上可知，火災(zāi)工況的熱量輸入對含有輕質(zhì)液相組分介質(zhì)泄放的作用非常重要，將直接影響泄放總量和泄放時間。本研究建立的HYSYS動態(tài)模型既能夠模擬火災(zāi)工況下介質(zhì)的泄放過程，也能在非火災(zāi)工況下與現(xiàn)有計算方法結(jié)果吻合。同時，以HYSYS為基礎(chǔ)的動態(tài)泄放模型，可輸出泄放任意時刻的諸多工藝參數(shù)?？梢哉J為，本研究建立的HYSYS動態(tài)模型更具有多工況下緊急泄放模擬的普遍適應(yīng)性。另外，對于本研究提及的式(3)，其計算輸入所需的最大泄放量可從HYSYS動態(tài)模型中讀出，并由此計算限流孔板孔徑。經(jīng)計算，滿足4.3.1節(jié)的無火災(zāi)泄放和火災(zāi)泄放要求的限流孔板孔徑分別為10.1mm和11mm，與HYSYS模型計算結(jié)果的誤差小于10%，與相關(guān)文獻報道的結(jié)果較為吻合［14］。同時，這也說明HYSYS動態(tài)模擬的計算結(jié)果可靠性較高。通過分析限流孔板泄放原理，探討了目前常用限流孔板孔徑計算方法在定容泄放系統(tǒng)中的適用性，重點解釋了火災(zāi)工況熱量對泄放過程的影響。建立了HYSYS動態(tài)計算模型，算例分析了非火災(zāi)工況和火災(zāi)工況下常用的計算方法(方法1)與本文建立的動態(tài)模型(方法2)的計算結(jié)果，同時利用動態(tài)模型模擬結(jié)果驗證了《煉油裝置工藝管道安裝設(shè)計手冊(下冊)》推薦公式的計算結(jié)果。得出如下結(jié)論：泄放公式在非火災(zāi)緊急泄放工況下的限流孔板孔徑計算結(jié)果與動態(tài)分析誤差在可以接受的范圍，可作為初步估算階段使用。但在火災(zāi)工況下，由于初始溫度值不發(fā)生變化，因此泄放公式計算結(jié)果與非火災(zāi)工況相同，表明該公式不適用于火災(zāi)受熱工況。HYSYS動態(tài)模型考慮了泄放過程中泄放速率、壓力和密度等的動態(tài)變化，其結(jié)果更具有真實性和可信度。HYSYS動態(tài)模型能夠考慮火災(zāi)工況下的熱量輸入，模擬結(jié)果反映了熱量對介質(zhì)溫度和泄放時間的影響；且對于相同孔徑的限流孔板，其模擬的含有輕質(zhì)、易揮發(fā)介質(zhì)泄放時間較絕熱過程泄放更長，模擬的不含輕質(zhì)、易揮發(fā)介質(zhì)泄放時間與絕熱泄放過程幾乎相同。HYSYS動態(tài)模型計算結(jié)果與式(2)較為接近，進一步說明計算結(jié)果可靠性較高。動態(tài)模型能夠較準(zhǔn)確地模擬火災(zāi)和非火災(zāi)工況下的動態(tài)泄放過程，且具有可擴展性，推薦作為站場放空系統(tǒng)模擬、泄放元件選擇和風(fēng)險評價的主要工具與方法。【相關(guān)文獻】何英勇，葛華，賈靜,等.天然氣集輸井站安全系統(tǒng)設(shè)置[J].天然氣工業(yè),2008，28(10):105-106.余洋,黃靜,陳杰,等.天然氣站場放空系統(tǒng)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的解讀及應(yīng)用[J].天然氣與石油，2011，29(5):11-14.劉偉,李朋,張哲,等.天然氣放空管道選材分析[J].石油與天然氣化工,2015,44(2):113-117.卜祥軍,胡穎,張宏亮.輸氣管道工程放空系統(tǒng)設(shè)置現(xiàn)狀及改進建議[J].天然氣與石油，2014，32(5):91-94.GuideforPressure-RelievingandDepressuringSystems:API521-2014[S].2014.煉油裝置工藝管線安裝設(shè)計手冊編寫組.煉油裝置工藝管線安裝設(shè)計手冊(下冊)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1978.DONALDWG.Perry’sChemicalEngineers'Handbook[M].UnitedStatesofAmerica:McGraw-HillCompanies,Inc.,2008:6-15.Measurementoffluidflowbymeansofpressuredifferentialdevicesinsertedincircularcross-se