安全阀火灾工况下泄放量静态模拟计算

许 凯

(中海油石化工程有限公司，山东 青岛 266101)

石油化工行业所用的分离器设备，均为压力容器，多处理的具有宽沸点范围的多元混合物[1]。多组分介质火灾状况下安全阀的计算采用常规方法，其安全阀的最大泄放量很难确定的，冯传令等[2-3]介绍了国外公司的一种近似模拟方法，只介绍了方法原理，可操作性不强。罗娜[4]也介绍了多组份多级闪蒸的方法，理解困难且实用性不足。本文通过一个实例，详细的介绍一种利用HYSYS软件的静态模拟方法来计算火灾工况下的安全阀泄放量，此方法并已在工程中得到实际运用。

1 方法介绍

HYSYS静态下模拟安全阀泄放量的基本思路：每次闪蒸时保证进入容器内混合物流的实际体积流量始终为常量即容器的总容积。然后给定一温度段(如5℃)，计算出加热的热量，并将热量加给分离器，此时可得出从分离器泄放出的气体。重复上述闪蒸步骤，直到找到最大释放量为止。并假设分离器内高液位或高高液位作为火灾释放时的初始液位。

2 模型参数

表1、表2是某海外项目天然气处理厂用的天然气压缩机二级压缩系统中，入口分离器及其分离后物料的工艺数据。

表1 入口分离器工艺尺寸和工艺数据

表2 分离后气液两相摩尔组成 (mol)

3 模拟过程描述和分析

由于闪蒸次数较多，图1仅举例表示HYSYS 模拟火灾过程静态泄放前两次示意图，具体模拟过程如下：

(1)初始化气液两相物流。从HYSYS模型中，拷贝入口分离器气液两相出口物流，通过Adjust运算，使气液物流的实际体积流量为表1分离器气、液的初始体积；将其混合得到操作条件下的物流L-OP。

(2)实现容器内的流体从操作条件(P,T)过渡到PSV阀的设定条件(P,T)：

a．加Balance逻辑运算，将L-OP物流的mole和heat参数传到物流L-SET(其压力为PSV的设定压力)；,L-OP物流对应的初始沾湿面积，根据公式q=21000FA0.82算出在该条件下容器受热所吸收的热量；

b．加Adjust逻辑运算，调整L-SP物流的温度使得L-SP物流的实际体积流量与L-OP物流的实际体积流量的差值为0；

c．给Balance逻辑运算器增加能量物流Q-1，HYSYS会自动计算其值；即可得到流体从操作条件到设定条件所需的时间t=Q1/q；

(3)随着热量的进一步输入，容器内流体从设定条件过渡到PSV阀的释放条件L-ACC，此时，流体开始释放。实现方法与计算同步骤2。

(4)开始进行第一次闪蒸计算。根据沾湿面积算出容器吸收的热量q3，利用Set逻辑运算定义V-1闪蒸气相出口温度比入口物流高5℃，需要的热量Q3由HYSYS自动计算。经过闪蒸计算后，气相出口物流分割成两个物流：GG2与从PSV阀释放出的流量Vent 1，调整GG2摩尔流量使进入下一级V-2的入口物流量与L-ACC相同。然后混合GG2物流和LL1物流混合后进入第2次闪蒸。

在得到流体从释放条件到第一次闪蒸所经历的时间t1=Q3/q3后，就可以算出闪蒸后通过PSV阀实际的释放量M1=m/t1；其中m为Vent 1物流中流体的质量；

(5)开始第2次闪蒸计算，重复步骤4，直到找到最大释放量为止。

图1 从操作条件开始的火灾工况模拟

4 计算结果

根据以上模拟过程，利用表3制作火灾泄放量计算书。

表3 泄放量计算书

图2 泄放量随泄放时间的变化

从图2可以看出：分离器经过多级的闪蒸计算,在设定的累积压力下，温度以5℃的温差不断升高，由于介质中各组分的沸点均不同，随着温度的提升，低沸点的组分先气化，从液体中释放出来，到累积压力通过安全阀泄放出去。但容器内气液两相的总体积是不变的，介质组分还将继续气化，因此泄放量也是变化的。

从泄放开始到2.68 h泄放量是逐渐增加，2.68 h后实际泄放量在不断下降。开始泄放2.68 h时泄放量最大为3786.4 kg/h。此方法从工程实际应用时，得出的泄放量较为保守，可直接用于安全阀的选型计算。

5 结论

涉及多组分液体分离器火灾工况安全阀释放量的计算，无法用公式直接计算得出释放量。现在动态模拟被广泛运用，某些软件可很方便得到泄放量。但在设计院实际运用中由于无法得到此方法的计算过程，给校审工作带来很大困难。本文使用的静态模拟方法，可以相对精确的计算出火灾工况下安全阀的泄放量，其计算过程实际就是安全阀的泄放过程，运算易于理解，该方法在国外同行中广泛使用。尽管计算过程看似繁琐，但实际应用时利用目前计算软件还是很方便的。

[1]陈文峰,刘培林,郭 洲,等.复杂物系压力容器安全阀泄放过程的HYSYS动态模拟[J].天然气与石油,2010,28(6): 55-57.

[2]冯传令,杨 勇.原油容器安全阀火灾工况泄放量动态模拟[J].石油工程建设,2006,32(6):9-12.

[3]刘 茜,李春磊.海洋平台压力容器安全阀最大泄放量的确定[J].船海工程,2013,42(3):182-187.

[4]罗 娜.多组分液体容器安全阀外部火灾工况下释放量的计算[J].化工设计,2014,24(2):8-11.