三相分离器安全阀火灾泄放模拟计算研究

2021-01-20

油气田地面工程 2021年1期

海洋石油工程股份有限公司设计院

安全阀作为石油化工设备最后一级安全保护设施，其泄放量的大小往往决定火炬管网和火炬系统的设计能力。通常情况下，需要考虑在火灾事故下对石油化工设备进行安全保护，因此石化设备的安全阀设计和使用要考虑火灾事故的泄放工况并对泄放量进行精确计算。

三相分离器处理的原油是一种多沸点的多元混合物，发生火灾时，原油中组分由沸点从低到高逐渐气化[1]，汽化潜热不断变化，需要建立汽化潜热与泄放时间的模型进行计算。其安全阀定尺模拟常用方法有稳态迭代模拟计算法，PSV Plus 半动态（Semi-Dynamic）闪蒸法。由于这两种方法采用近似动态模拟方法，存在迭代次数限制，可能出现泄放峰值错峰和削峰现象，为此，本文基于HYSYS动态模拟技术[1-8]，开发出一种三相分离器安全阀动态模拟方法，该方法无迭代步长限制，可实时记录安全阀泄放量、压力、液位等参数随时间的变化趋势，模拟结果更接近于实际情况。

1 采油平台工况

某海上采油平台三相分离器直径为5.5 m，长度为14 m，操作温度56 ℃，操作压力1 100 kPa(G)，设计温度90 ℃，设计压力1 550 kPa(G)。原油处理量为130 m3/h，含水率为95%(体积分数)，气油比11，根据气液分离要求，分离器内液相液位比例为50%，考虑油水停留时间要求，水相液位比例为10%。当火灾工况发生时，设备周围的火气探头将触发报警并进行生产关停，关闭分离器进出口关断阀，所以火灾工况下模拟考虑对该设备隔离并持续加热。

2 模拟计算方法

2.1 稳态迭代模拟计算法

稳态迭代模拟法是一种近似模拟方法，迭代计算模型见图1。模拟中物流的流量需要忽略时间变量，由于该方法需要人为设定闪蒸步长，容易出现泄放峰值削平现象，模拟步骤如下：

（1）初始化气液两相物流。拷贝分离器出口油气水三相出口物流组分、操作状态，重新定义物流，使物流的实际体积流量为分离器气、液的初始体积，混合三股物流得到分离器操作状态的气液体积，通过balance和adjust调整物流达到泄放状态的压力和温度。

（2）建立温升闪蒸模型。由于液相湿面积的影响，容器会不断从外界吸热，容器内的流体从泄放初始状态加热到升温后的安全阀设定压力，模拟要保证罐内气液的实际体积之和V1与初始体积V初始一致，则从出口VENT-1读出第一次闪蒸泄放质量m(kg)，分离器剩余的混合气液物流进行第二次闪蒸操作。通过模拟读出温升所需的热量Q(kJ)，根据分离器出口液相体积V液计算罐内液相沾湿面积，根据q=43200FA0.82算出在该条件下容器受热所吸收的热量流量q，则第一次闪蒸所用时间，该时间内安全阀泄放的平均质量流量W=m/t(kg/h)。

（3）重复步骤（2），进行第2 到n次闪蒸计算，为找到最大泄放量，在泄放峰值区域，需要逐渐减少温升步长（减至0.5 ℃）。

（4）泄放产生流动为气相临界流动，根据相应规范公式（1），计算安全阀喉径。

式中：A为所需泄放喉径，mm2；W为所需泄放量，kg/h；c为比热比系数；Kd为泄放系数；Kb为背压修正系数；Kc合并系数；p1积聚泄放压力，kPa；T为泄放温度，℃；Z为压缩因子；M为摩尔分子质量。

2.2 PSV Plus半动态闪蒸法

PSV Plus 半动态闪蒸法类似于稳态迭代计算，但是计算闪蒸步长更小，可以将闪蒸次数增加至100次。模拟过程如下：

（1）根据稳态迭代模拟计算法步骤（1）初始化物流后，进入Safety Analysis 环境，输入设备的设计压力、温度，建立火灾工况，选择Semi-Dynamic Flash计算方法，输入分离器尺寸、液位高度等数据。

（2）建立闪蒸模型。闪蒸模型近似于稳态模型（图2）。根据HYSYS确定容器的润湿表面面积，应用q=43 200FA0.82算出在该条件下容器受热所吸收的热量流量q，求出闪蒸时间，则蒸汽产生速率为。

（3）根据物料进出平衡，液相减少的质量等于气相闪蒸质量，且闪蒸出的气体需要补充液相体积的减少，所以实际泄放量修正为

图1 稳态迭代计算模型Fig.1 Steady iterative calculation model

（4）运用公式（1），计算安全阀喉径。

图2 PSV Plus半动态闪蒸法模型Fig.2 PSV Plus semi-dynamic flash model

2.3 HYSYS动态模拟法

该方法基于HYSYS动态模型，模型见图3。在模型中建立火灾吸热自动计算表格，可实时反映安全阀泄放量、压力、温度、气相比率、密度等各个参数随时间的变化情况。动态模型建立的主要过程如下：

（1）建立三相分离稳态模型。分别设立PIC控制入口和气相出口压力，LIC 控制水相和油相压力，根据工艺参数输入设备参数、调节阀和安全阀参数，PIC和LIC控制参数。

（2）设置初始边界条件。恒定分离器入口及出口流量，运行模型至稳定。

（3）利用Spread-Sheet，根据公式计算分离器的吸热量，建立火灾工况Event Scheduler 事故逻辑控制，在火灾工况发生时关闭分离器入口、气相和液相出口，并将火灾热量传至分离器，进行闪蒸计算。

图3 HYSYS动态模型Fig.3 HYSYS dynamic model

（4）利用Strip Chart 监测记录分离器温度、压力、液位、安全阀开度、质量流量等数据。

3 三种模拟计算结果

3.1 稳态迭代模拟计算结果

稳态迭代模拟计算结果见图4。随着泄放时间、泄放量逐渐增加，12 h 达到最大泄放量5 429 kg/h，泄放温度为212 ℃，所需喉径为H。由于每一次闪蒸都需要建立一个闪蒸模型，为了找到最大峰值，需要将温升步长调整为1 ℃甚至是0.5 ℃，每次闪蒸计算需要建立20～30 个闪蒸模型，建模和计算工作量较大，且只能得到泄放量、泄放温度、泄放气体组分数据。

图4 HYSYS稳态模拟结果Fig.4 Simulation result of HYSYS steady

3.2 PSV Plus计算结果

PSV Plus 计算结果见图5，从图中看出在17 h达到最大泄放量5 274 kg/h，此时的泄放温度为212 ℃，此后泄放量逐渐减小。在26 h泄放量又开始增大，在28 h时泄放温度达到设备最大承受壁温593 ℃，此后设备有破损风险，安全阀已无保护意义，计算自动停止。该方法计算所需喉径也为H，计算结果仅有泄放量、泄放温度、泄放气体物性数据。