ASPEN PLUS在安全阀计算中的应用

孙义峰

（天津市化工设计院，天津300193）



·计算机应用·

ASPEN PLUS在安全阀计算中的应用

孙义峰

（天津市化工设计院，天津300193）

摘要：超压泄放系统是石油化工装置不可缺少的安全配套设施。由于安全阀计算涉及物性参数较多，计算量较大，使其选型成为一个比较复杂的问题。本文介绍了流程模拟软件——Aspen Plus，及其在安全阀泄放量和选型计算中应用。

关键词：Aspen Plus，安全阀计算

在石油化工装置的设计工作中，安全生产是首要考虑因素。依据我国现行标准要求，标准适用范围内的容器在操作过程中可能出现超压时，应按该标准要求配备超压泄放装置［1］（泄放装置包括安全阀、爆破片及安全阀与爆破片组合装置，本文仅以安全阀为例介绍）。超压是由于物料和能量的正常流动出现不平衡或异常造成的，超压将引起物料或能量，或者二者在系统某部分积聚［2］。在石油化工生产过程中，为了防止由于其它事故，造成生产系统压力超过容器和管道的设计压力，而发生爆炸事故，应在容器或管道上设置安全阀［3］。

化工流程模拟软件可分为稳态模拟和动态模拟两种，通常所说的化工流程模拟软件多指稳态模拟。由于稳态模拟软件应用的普遍性，以及设计思维的一贯性，本文并未讨论动态模拟软件计算安全阀的方法。

1　Aspen Plus软件简介

Aspen Plus是一个生产装置设计、稳态模拟和优化的大型通用流程模拟系统，其具有强大的物性数据库资源，自身拥有两个通用的数据库Aspen CD （Aspen Tech公司自己开发的数据库）和DIPPR（美国化工协会物性数据设计院的数据库），还有多个专用数据库。Aspen Plus同时有美国国家标准与技术研究院（NIST）及德国德西玛-化学工程与技术协会（DECHEMA）数据库的合作支持。Aspen Plus是唯一获准与DECHEMA数据库接口的软件，该数据库收集了世界上最完备的气液平衡和液液平衡数据。Aspen Plus拥有50多种单元操作模块，用于模拟各种操作过程，通过这些模块和模型的组合可以模拟用户所需要的流程。

2　安全阀计算

安全阀的选型计算可参照原化工部发布的行业标准HG/T 20570-95《工艺系统工程设计技术规定》的第2部分HG/T 20570.2-95《安全阀的设置和选用》。还可借鉴的国外标准有美国API标准（API RP521《泄压和减压系统指南》；API RP520《炼油厂压力泄放装置的尺寸确定、选择和安装》）

安全阀的选型为石油化工企业安全生产的必要保障，也是最后一道保障，安全阀的选型计算的准确性，同样应该引起高度重视。安全阀的选型计算，应先求出设备或管道在各种可能产生超压的工况下的泄放量，然后根据算出的单一工况计最大泄放量求出最小泄放面积，以最小泄放面积作为依据，进行安全阀的选型，使所选安全阀的实际排放面积等于或大于计算所需面积。整个计算过程需要很多工艺参数，设计参数的取值需要应用繁琐的经验公式，或直接采用经验值，这样增加了安全阀选型的不确定性和生产操作的危险性。而利用模拟软件对工艺过程进行模拟，从中调取工艺参数，则可减小工艺参数计算偏差，节省计算时间。

2.1泄放量的计算

一般造成超压的原因有三种，应对火灾、操作、设备三类事故状态的分析，确定其可能发生的几种事故状态，对每个安全阀分别进行几种事故状态下的最大排放量计算，并比较出一种具有最大排放量的工况，它就是该安全阀的排放工况及其排放量。手册及标准中列举了安全泄放装置的各种超压工况，并指出了各种工况下确定泄放量的一般性原则和计算方法。《石油化工设计手册第4卷工艺和系统设计》在借鉴美国API标准的前提下，充分考虑了工程处理和我国相关规范，提出了更为安全的推荐方法。本文仅对几个限定工况的计算方法进行讨论，不涉及完整的选型过程。

2.1.1塔顶回流故障工况

以《石油化工设计手册第4卷工艺和系统设计》中例5.5-5为例，例题要求计算催化裂化装置汽油稳定塔在塔顶回流故障时的安全阀泄放量。在此工况下的排放量是在正常温度下第一块塔板处产生的蒸汽量，手册在设置一定假设的情况下对该塔顶部进行物料衡算和能量衡算，最后得出泄放量。当前设计行业，流程模拟软件的应用已经非常广泛，该汽油稳定塔流程在安全阀选型前一般已计算收敛，在相应模块中引出该塔板的虚拟物流即可。以Aspen Plus中RadFrac模块为例，塔设备中增加一个虚拟物流，在Report-Pseudo Streams表页设置虚拟物流连接位置Intermal stream stage为2（如RadFrac未配置冷凝器，则该选项设置为1），相态Phase设置为Vapor，如图1所示。

图1　虚拟物流设置

再次运行收敛后，查看相应的物流结果即可看到泄放量。笔者认为实际设计时，还应考虑设计负荷的裕量系数，以确定该工况的最终泄放量。

2.1.2火灾工况

以《石油化工设计手册第4卷工艺和系统设计》中例5.5-1为例，例题要求计算一个卧式丙烷贮罐，在火灾工况下的泄放量。贮罐外壁不保温，有良好的消防系统保护，附近有良好的下水系统。根据已知条件可知应安全阀所需排放量计算公式为：

式中 G——安全阀所需的泄放量，kg/h；

F——容器外壁校正系数；

A——容器湿表面积，m2；

L——液体在泄压工况湿的气化潜热，kJ/kg。

图2　气化潜热计算流程示意图

其中参数F可根据标准、手册进行取值，参数A可根据标准、手册的计算方法进行计算。参数L为流体的物性参数，若流体为单质，可在相关物性手册中查询，略为简便；若流体为混合物，则根据需要相关手册中推荐的计算公式进行计算。利用模拟软件可通过简单的设置即可得到准确的结果，以Aspen Plus为例，输入组分并设置适当的热力学模型后，建立如图2所示流程。流程共设置两个闪蒸罐模型和五个流股，流股F可根据罐内的操作条件设置，流量可设置为1kg/h。FLASH1模型设置压力为安全阀的入口压力，手册中计算值为2.112MPaG，另设置闪蒸罐的气化分率为0；FLASH2模型同样设置压力为安全阀的入口压力，另设置闪蒸罐的气化分率为1，如图3、图4所示。运行收敛后，查看FLASH2模型计算结果，Results-Summary表页中Heat duty项的显示的数值即为气化潜热（在物流F流量设置为1kg/h，Heat duty单位设置为kJ/h的前提下）。这样，泄放量计算公式涉及参数已全部确定，经简单计算即可得到结果。

图3　模型FLASH1设置示意图

图4　模型FLASH2设置示意图

2.2最小泄放面积的计算

以计算泄放气体介质的安全阀为例，气体通过安全阀喷嘴时，其速度和比容随下游压力的减小而增大，一直增大到极限速度为止，此极限速度即为该气体的声速，相当于极限速度的相应流率称为临界流率。计算安全阀最小泄放面积，首先应对流动状态进行辨别，如果背压满足下式即为临界流动，否则为亚临界流动。

式中P0---安全阀背压力（MPa）

Pf----安全阀的泄放压力（MPa）

k----气体的绝热指数

临界流动状态下最小泄放面积计算公式为：

式中 A---安全阀需要的最小泄放面积（mm2）

G---安全阀的排放量（kg／h）

Z---气体压缩系数（kg/h）

Tf----安全阀的泄放温度（K）

K----安全阀的泄放系数

Pf----安全阀的泄放压力（MPa）

M---气体相对分子质量

C---气体特性系数，或按下式求取：

以上两个公式的各项参数中，气体绝热指数k、气体压缩系数Z、安全阀的泄放温度Tf、气体相对分子质量M等参数，对于混合物而言，一般需要查询物性手册取得单质物性参数，并利用混合物参数的计算公式进行计算，过程繁琐容易出错，而采用模拟软件相对简单易得。式中涉及的其他参数一般可在相关标准、手册中查得，这里不再赘述。

以液化烃贮罐为例计算泄放面积，同样采用图2示意的流程，参照2.1.2中的模型参数设置方法，物流F的数据可按泄放源的操作条件和组成进行输入。在Aspen Plus中，流股的结果并不体现气体绝热指数、压缩系数等参数，需要在Properties/Prop-Sets项中新建一个物性集，并加入如图5所示的性质参数。其中CPCVMX对应气体绝热指数，ZMX对应气体压缩系数，TBUB对应泡点温度（对液化烃而言，泄放压力下的泡点温度即为泄放温度），MWMX对应相对分子质量。设置完毕后，还需在Setup/Re⁃port Options/Stream表中，将新设定的物性集添加到运行结果显示中。这样，在运行收敛后，在物流V1的计算结果中可直接读取计算最小泄放面积所需的各个物性参数。

图5　物性集设置示意图

亚临界流动状态下最小泄放面积计算公式为本文不予讨论，可参考上述方法使用。本文未涉及到的安全阀系统设计内容请参考相关标准、手册［1～4］。本文并不涉及详细的模拟软件使用过程，如有需要可参考相关书籍［5，6］进行设置。

3 结论

在安全阀的选型计算中，借助成熟可靠的流程模拟软件进行取值计算，不仅缩短了选型计算的时间与人力，大大提高了工作效率，而且提高了设计的准确度，充分保证安全阀的正常工作，为安全生产更添一份保障。

参考文献：

［1］GB 150-2011压力容器［S］.

［2］API520 Sizing，selection and installation of pressure-relieving de⁃vices in refinerier［S］.

［3］王松汉.石油化工设计手册第4卷工艺和系统设计［M］.北京：化学工业出版社，2002.403～443.

［4］API521 Guide for pressure-relievingand depressuringsystems［S］.

［5］孙兰义.化工流程模拟实训——Aspen plus教程［M］.北京：化学工业出版社，2012.

［6］包宗宏，武文良.化工计算与软件应用［M］.北京：化学工业出版社，2013.

doi：10.3969/j.issn.1008-1267.2016.01.019

中图分类号：TP319

文献标志码：B

文章编号：1008-1267（2016）01-0055-04

收稿日期：2015-09-02