Depressing与Blowdown在减压泄放计算中的对比分析

赵方生，陈文峰，张春娥，陈 宾，白宏乔

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

海洋平台设备布置紧凑、空间狭小，可燃气体泄漏会导致重大的人员伤害、财产损失和环境污染[1-2]，对此API521建议设计压力在1 700 kPa以上的油气处理设施设置减压泄放系统以降低容器内部压力，减缓或避免容器破裂[3]。

减压泄放时容器压力变化导致容器内液相汽化及气相密度变化等，泄放过程一直处于动态变化中，泄放量计算存在困难，行业内常借助HYSYS软件模拟动态泄放过程[4-10]。目前HYSYS提供了Depressing和Blowdown两种计算方法，文章从泄放计算原理和工程实例比较等方面对两种方法进行对比分析，为后续工程项目中减压泄放计算提供借鉴。

1 泄放计算原理

泄放计算包括需泄放蒸气产生量的计算和孔板流通能力的计算两部分。需泄放蒸气产生量包括：由外界热输入导致液体气化产生的蒸气；容器内部压力降低导致的气体膨胀；容器内部压力降低导致的液体闪蒸。容器内部压力降低导致的气体膨胀计算和液体闪蒸计算根据HYSYS自带的状态方程可以计算得出。

1.1 需泄放蒸气产生量的计算

1.1.1 火灾泄放工况

在火灾工况下，Depressing和Blowdown热输入原理采用API 521中给出的计算方法，当容器表面暴露于火灾中时，容器内液体湿润的表面是产生蒸汽的有效面积，确定产生的蒸气时，只考虑容器内部液体湿润部分。

计算公式：

Eq=21 000FA0.82

(1)

式中：Eq——湿润表面积总吸热量；F——环境系数；A——总湿润面积。

1.1.2 冷态泄放工况

冷态泄放是指平台未发生火灾，但需要进行泄放的情况，如可燃气体浓度超标导致触发、设备维修、平台计划停产等。在冷态泄放过程中，容器气相和液相区域的传热速率有很大差异，但每个区域的间壁传热原理相同。泄放过程中热量通过容器壁和隔热层与周围的环境进行传递，不同区域的流体之间也存在热量传递。热传递示意图如图1。

图1 热传导示意图Fig.1 Heat conduction diagram

(1)容器壁内传热。容器壁、涂层和保温层区域的热传递方式主要为热传导，利用热传导方程可以确定容器壁各区域的热通量和保温性能。

(2)容器壁与周围的环境传热。从容器壁到周围环境的传热取决于环境。通常情况下，传热将由自然和强制对流的结合决定。

(3)气相与容器壁传热。在区域1，当流体静止时，流体以传导方式将热量传给壁面，传热过程与容器壁内传热相同。但壁面对流体的加热或冷却会导致流体流动，由于对流的存在传热过程变得复杂，实验表明区域1中自然对流是热传递的主要方式。自然对流传热过程由于流动状态直接相关，当流体处于层流或湍流时，壁面附近的温度梯度不同，热流密度也相差很大。

(4)液相与容器壁传热。实验表明，沸腾传热是从壁面到烃类液体传热的主要方式。

(5)气相和液相之间的传热。在蒸汽和液体区域之间通过自然和强制对流传热。此外，随着压力下降，较轻的液体会蒸发，较重的气态碳氢化合物随着温度下降而凝结。这一过程将导致在不同区域之间产生额外的热量传递。

1.2 孔板流通能力计算

流体流过孔板一般近似为绝热过程。流体从孔口的上游到孔板最窄部分的流动为可逆的加速过程，从喉部流向下游区域为不可逆的减速过程。根据孔板压差，流动过程分为临界流动和非临界流动。

(1)临界流动状态。如果孔板的上游和下游压力压差足够大，那么通过孔口的流量就会“堵塞”，这时流体在最窄处加速到最大速度。对于单相气体流，最大速度是声速。

(2)非临界流动状态。如果孔口的上游和下游之间的压力差很小，比如接近泄放过程的末期，那么通过孔板的流动处于非临界状态。Depressing工具中，通常考虑泄放过程为临界流动。

2 Depressing和Blowdown的应用对比

2.1 Depressing和Blowdown泄放模型的不同

(1)火灾工况热输入简化方法对比。Blowdown在简化热输入时，规定初始状态单位面积吸热速率作为后续计算单位面积吸热速速率的固定值：

(2)

每个时刻的实际吸热速率：

(3)

Depressing默认每个时刻的吸热速率和初始时刻相同。因此Depressing单位时间的热输入和蒸发量高于Blowdown，但Blowdown的计算结果更贴近实际。

文章以某项目一级分离器的设计参数为基础，对两种工具的热输入简化方法的比较如表1、图2、图3。

图3 Blowdown中吸热速率和液位高度随泄放时间的变化趋势Fig.3 Variation trend of heat absorption rate and liquid level height with discharge time in blowdown

表1 一级分离器设计参数Tab.1 Design parameter of primary separator

从图1、图2可以看出，随泄放时间的延长，Depressing计算的液位高度逐渐降低，吸热速率基本保持不变；Blowdown计算的液位高度和吸热速率都逐渐降低，趋势一致。由于液位降低导致沾湿面积减小，因此吸热速率应随液位的变化而变化，Blowdown的计算结果更贴近实际工况。

图2 Depressing中吸热速率和液位高度随泄放时间的变化趋势Fig.2 Variation trend of heat absorption rate and liquid level height with discharge time in depression

(2)沾湿面积比较

Blowdown可分别输入管线和容器的尺寸、含液量等数据，尽量与工程实际保持一致，且可以根据受火设备的具体形式和安装高度，判断容器实际的受火面积，如图4，实际受火面积考虑的液位高度为：

图4 考虑液位高度容器实际的受火面积Fig.4 Considering the liquid level height, the actual fire area of the vessal

L,ifL+h≤fh

fh-h,ifL+h>fh&h

0,ifh≥fh

式中：L代表容器中液位的高度，基于容器底部，含封头；h代表容器距离池火底部的高度；fh代表最大火焰高度，API推荐值为7.6 m。

Depressing在应用时需要将管线和设备的尺寸折算为一个立式或卧式容器，且默认容器安装位置为基准面(h=0)。由于折算主要采用了总体积和总面积当量，会导致液相沾湿面积与实际不同，造成误差。

文章同样以某项目一级分离器的设计参数为基础，并考虑气相出口5 m管线，液相出口5 m管线，并在Depressing中将设备和管线的尺寸进行折算，计算结果如表2。在Depressing中折算为卧式容器。

表2 沾湿面积计算对比Tab.2 Comparison of wetted area calculation

从表2看出，Depressing采用的折算方法与实际工况相比会存在误差，Blowdown的计算更加准确。

(3)泄放状态比较

Blowdown工具进行泄放量计算时，会根据瞬时泄放状态判断是否处于临界流动。考虑孔板前后可以根据每个时刻的上下游压差选择泄放量计算公式。Depressing 工具中，孔板模型只能进行手动选择，通常选择Supersonic，该模型考虑泄放过程为临界流动但是在接近泄压过程的末期，Depressing 工具不能实现计算方法的自动转化，仍然采用临界状态的计算方法，会高估孔板的实际流通能力。

文章以某项目段塞流补集器、燃料气入口涤气罐的设计参数为基础，且仅对冷态泄放工况进行比较，避免火灾工况下不同泄放模型影响对比效果。如表3、表4。

从表3、表4可以看出，Depressing计算的泄放孔板尺寸小于Blowdown，计算过程中高估了孔板的实际流通能力。

表3 设计参数Tab.3 Design parameters

表4 Depressing和Blowdown计算泄放孔板尺寸对比Tab.4 Comparison of discharge orifice size calculated by Depressing and Blowdown

2.2 Depressing和Blowdown在工程实例中的计算结果对比

文章以某项目段塞流补集器设计参数为基础，对火灾泄放工况和冷态泄放工况条件下的泄放量、泄放孔板尺寸、泄放流体的温度和压力容器的壁温等数据进行对比分析，如表5。

表5 Depressing和Blowdown的计算结果对比Tab.5 Comparison of calculation results of Depressing and Blowdown

从表5计算结果可以看出：

(1)在火灾和冷态泄放工况下，Blowdown计算的泄放量和孔板尺寸大于Depressing计算结果，主要是Depressing在泄放过程中假设流体处于临界流动状态，造成泄放后期孔板流通量计算值偏大，因此选取的孔板较小，初始瞬时泄放量偏小。

(2)在冷态泄放工况下，Blowdown计算的泄放孔板下游的流体和管线温度要低于Depressing的计算结果，而Blowdown计算的容器壁和罐内液体的温度要高于Depressing的计算结果。根据前面泄放计算原理的介绍，主要是由于Blowdown在整个泄放过程中考虑了气相、液相和金属壁之间热量传递速率，而Depressing假设气液两相是瞬时达到平衡状态。

3 结语

Depressing是一种多用途的泄放过程计算方法，减压泄放计算仅是其中一个功能，在泄放模型处理方面并不精细，计算结果存在一定误差，但Depressing运算速度快，运行过程不易出现错误，适合项目前期的初算或试算，如概念设计。Blowdown是专门针对减压泄放计算的方法，有大量的实验数据作为支撑，计算结果更加准确，适合项目工程设计阶段，如详细设计，但Blowdown在处理含水量较大或假组分较多的情况时，需要考虑采用别的组分替换，计算准确度下降，有待进一步研究开发。