液体缓冲罐火灾工况安全泄放分析

中石化宁波工程有限公司上海分公司 上海 200030

石油化工装置中，安全阀是压力容器以及压力管道上一种重要的安全保护设施。选择合适的安全阀对装置安全生产至关重要。国外规范API521[1]上详细介绍了装置运行过程中可能出现的各种使安全阀泄放的工况。API520[2]和HG/T20570.2《安全阀的设置和选用》[3]中详述了在各种工况下压力容器所需泄放量以及所需安全阀喉径面积的计算方法，计算过程中需要湿润面积、环境系数及气化潜热等参数，其中湿润面积、环境系数容易获得，然而泄放状态下介质汽化潜热很难得到，因为泄放过程中压力容器内的压力和温度是时刻变化的，这使计算得到的泄放量与实际存在偏差，给安全阀选型带来困难。近年来，流程模拟软件对化工过程动态模拟日益成熟，借助流程模拟软件对压力容器所需泄放量以及所需安全阀喉径面积进行模拟计算，是一种可行又高效的方法。

以某装置缓冲罐上的安全阀为例，使用Aspen Plus软件中Safety Analysis工具模拟计算火灾工况下安全阀的泄放量并且对安全阀进行辅助选型设计，用Aspen Plus中Pres Relief模块模拟该缓冲罐上安全阀在火灾工况下的动态泄放过程。

1 安全阀泄放量及选型

1.1 模型建立

以某装置缓冲罐上的安全阀为例进行火灾工况模拟计算。一般情况下，发生火灾时，为了减少火势进一步蔓延，防止可燃液体的溢流，操作工或紧急停车系统会将容器隔离，例如切断缓冲罐上下游的隔离阀[4]。本文假定缓冲罐上下游的切断阀已关闭，缓冲罐模拟流程见图1。

图1 缓冲罐模拟流程

缓冲罐内液体组分为：水66.7%(wt)、甲基丙烯酸甲酯(MMA)3.5%(wt)、甲醇24%(wt)和丙酮5.8%(wt)。

操作条件：缓冲罐为立式罐，直径2.5m，筒体切线高度2.5m，液位54%；操作压力：微正压；操作温度：18.7℃；安全阀设定压力0.3MPa(G)，背压：0.03MPa(G)。缓冲罐外部未设隔热层。火灾发生时，缓冲罐筒体下封头切线高于着火平面1.35m，完全被火焰包围，并且现场没有良好的消防设施以及排放系统。

1.2泄放量计算及选型

根据以上操作条件，通过Safety Analysis模块模拟计算，其中缓冲罐的泄放量是根据API-520[2]中，对于没有足够的消防保护措施和良好的排液系统时的公式：

式中，W为质量泄放量，kg/h；H为在泄放状态下液化气体的气化潜热，kJ/kg；A为润湿面积，m2；F为容器外壁校正系数。

其中泄放状态下液体气化过程采用半动态闪蒸算法；因缓冲罐为裸罐，F因子为1；着火时，缓冲罐内液体距离火源均小于7.62m，润湿面积为20.7m2。

经过模拟计算得到该缓冲罐在火灾工况下所需的泄放量为2478kg/h，所需安全阀最小喉径面积为8 cm2；实际选择喉径代号为K的安全阀，额定泄放量为3671kg/h，有67.5%余量，火灾工况下泄放量及安全阀选型参数见表1。

表1 火灾工况下泄放量及安全阀选型

2 安全阀动态模拟

2.1 模型建立

基于以上Safety Analysis工具模拟计算结果，采用Aspen Plus里的Pres Relief模块对所选的安全阀进行动态模拟，火灾工况关键参数设置为：安全阀起跳压力0.3MPa(G)，火灾工况下允许超压21%，缓冲罐高于着火平面1.35m，罐内初始液位1.35m，进口管线尺寸4"，出口管线尺寸6"，火灾持续时间6h。

2.2 动态模拟分析

Pres Relief中计算明火加热方案有三个标准：NFPA-30、API-520[2]、API-2000。此处选择API-520标准，其输入能量的公式为[2]：

Q=(creditfactor)*34500*Area0.82

选用喉径代号为K的安全阀，图2、图3、图4分别为压力、温度以及液相组分随着火时间的变化曲线。由图可知，当外界发生火灾后，随热量不断输入缓冲罐，罐内压力和温度迅速上升，当持续63min时，压力达到安全阀设定值0.3MPa(G)，安全阀开启，罐内轻组分先汽化排出，压力下降至回座压力0.28MPa(G)，安全阀关闭，随外部热量继续输入缓冲罐，罐内压力又开始上升，至设定压力，安全阀开启，这样反复开启、关闭，使缓冲罐压力保持在允许范围内，成功保护了该缓冲罐。此过程中，罐内液相中甲醇和丙酮的含量不断减小，重组分水和MMA含量不断增加，温度上升速度减缓。着火持续5h后，罐内液相中甲醇和丙酮含量几乎为零，仅剩1%(mol)的MMA和99%(mol)的水，罐内温度随时间增加几乎不再升高。

图2 压力随时间的变化

图3 温度随时间的变化

图4 液相组分随时间的变化

2.3 安全阀选型动态验证

分别选用F，J，K，L四种喉径的安全阀，利用Pres Relief模块模拟这四种安全阀在火灾工况中的动态泄放过程，当罐内达到最大压力时的相关参数见表2。

表2 不同安全阀动态泄放参数对比表

由以上模拟结果可知，火灾工况最大允许工作压力0.3MPa(G)，所需泄放量 2478kg/h。由表2可知，选用F型或J型的安全阀时，罐内最高压力分别达到了1.27MPa(G)和0.365MPa(G)，都超出了该缓冲罐最大允许工作压力的121%，排放能力不能满足缓冲罐排放量要求。选用喉径代号为K型或L型安全阀时，罐内最高压力均为0.3MPa(G)，能满足泄放要求，使缓冲罐暴露在火灾中而不炸裂。

动态模拟验证结果与表1通过Aspen Plus中Safety Analysis模块选型结果一致。

3 结语

通过上述分析，得出以下结论：

(1)使用Aspen Plus中Safety Analysis工具模拟计算得到火灾工况下安全阀所需的泄放量为2478kg/h，并且对安全阀进行辅助选型，选择K型安全阀。

(2)采用Aspen Plus中Pres Relief模块模拟缓冲罐上选定安全阀在火灾工况下的动态泄放过程。随外部热量持续输入，当压力达到0.3MPa(G)后，安全阀开启，之后罐内压力下降至回座压力，安全阀关闭，过程中安全阀反复开启、关闭，使罐内压力保持在允许范围内，同时罐内温度持续上升，液相轻组分不断减少，重组分含量不断增加。着火持续5h后，罐内液相轻组分含量几乎为零，温度随时间变化几乎不再升高。成功保护了该缓冲罐。

(3)用Aspen Plus中Pres Relief模块模拟，对比选用不同喉径安全阀时，K型或L型安全阀最大压力均达到0.3MPa(G)，额定泄放量分别为3671kg/h和5698kg/h，满足泄放要求；F型或J型的安全阀最大压力分别达到1.27MPa(G)和0.365MPa(G)，额定泄放量分别为613kg/h和2570kg/h，不能满足泄放要求。这个结论进一步验证了使用Aspen Plus中Safety Analysis工具选型所选择的安全阀的合理性，也为化工设计和安全生产提供了重要的依据。