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壓力容器火災(zāi)工況安全泄放質(zhì)量流量的動(dòng)態(tài)研究

文檔作者：楊天宇朱海山郝蘊(yùn) 崔月紅錢(qián)慧增文檔來(lái)源：中海油研究總院			點(diǎn) 擊數(shù)：
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208
石油與天然氣化工
CHEMICAL ENGINEERING OF OIL &amp;amp; GAS
壓力容器火災(zāi)工況安全泄放質(zhì)量流量的動(dòng)態(tài)研究
楊天宇 朱海山 郝 蘊(yùn) 崔月紅 錢(qián)慧增
(中海油研究總院)
摘 要 以某氣田段塞流捕集器為例，使用HYSYS動(dòng)態(tài)模擬建立了壓力容器包含關(guān)斷邏輯
的全動(dòng)態(tài)生產(chǎn)模型，使用該模型對(duì)不同初始?jí)毫鸵何幌露稳鞑都骰馂?zāi)工況的泄放過(guò)程進(jìn)行
了分析和研究。結(jié)果表明，初始條件對(duì)段塞流捕集器的最大安全泄放質(zhì)量流量有明顯影響，在計(jì)算
最大安全泄放質(zhì)量流量時(shí)，應(yīng)充分考慮初始條件的影響，為安全閥的計(jì)算和選型提供正確的基礎(chǔ)參
數(shù)。
關(guān)鍵詞 壓力容器 火災(zāi)工況 安全閥泄放質(zhì)量流量 動(dòng)態(tài)模擬
中圖分類(lèi)號(hào)：TE687 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10．3969／i．issn．1007—3426．2014．02．022
Dynamic simulation of fire relief rate of PSV on pressure vessel
Yang Tianyu，Zhu Haishan，Hao Yun，Cui Yuehong，Qian Huizeng
(CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China)
Abstract：A full dynamic production model of pressure vessel was developed using HYSYS
Dynamics by taking a gas field slug catcher as an example．The PSV relieving of slug catcher
with different initial pressure and liquid level on externa1 pool fire scenario was studied by the dy—
namic mode1．The results showed that initial conditions affected the PSV relief rate significantly．
The affection of initial conditions should be considered sufficiently when calculating the maximum
PSV relief rate，SO as to provide correct basic parameter in PSV sizing and selecting．
Key words：pressure vessel，fire case，PSV relief rate，dynamic simulation
安全閥作為壓力容器的主要泄壓裝置，其泄放
能力的計(jì)算是海上平臺(tái)工藝設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目
前，國(guó)內(nèi)在對(duì)海上平臺(tái)工藝設(shè)備的泄壓和減壓分析
時(shí)，通常采用美國(guó)石油學(xué)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)API STD 521
《泄壓和減壓系統(tǒng)》_1]，但是該標(biāo)準(zhǔn)在計(jì)算各事故工
況安全泄放質(zhì)量流量時(shí)，僅是基于壓力容器在正常
操作設(shè)定點(diǎn)下的穩(wěn)態(tài)計(jì)算，而在實(shí)際生產(chǎn)中，壓力容
器的各參數(shù)是在其關(guān)斷控制點(diǎn)范圍內(nèi)動(dòng)態(tài)變化的，
發(fā)生事故時(shí)容器的實(shí)際操作條件往往與正常操作設(shè)
定點(diǎn)存在較大偏離。
動(dòng)態(tài)仿真模擬技術(shù)的開(kāi)發(fā)始于20世紀(jì)70年
代，因其可在嚴(yán)格物性及熱力學(xué)計(jì)算的基礎(chǔ)上獲得
體系的動(dòng)態(tài)特征，能夠更為方便、準(zhǔn)確、快速、直觀地
分析研究體系各參數(shù)隨時(shí)間的變化情況，在國(guó)外越
來(lái)越受到石油石化領(lǐng)域工程設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)人員的重
視，已成為進(jìn)行事故工況分析與火炬系統(tǒng)研究的重
要手段[2]。近年來(lái)，在國(guó)內(nèi)也陸續(xù)有文獻(xiàn)『3 報(bào)道使
用動(dòng)態(tài)模擬研究事故工況下安全閥的泄放質(zhì)量流
量，但都僅是在正常操作條件下，容器發(fā)生事故被隔
離后的安全閥泄放過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。本文使用
作者簡(jiǎn)介：楊天宇(1978一)，女，北京市人，2008年畢業(yè)于天津大學(xué)化工學(xué)院，獲博士學(xué)位，工程師，現(xiàn)就職于中海油研究
總院，主要從事油氣處理與加工方面的研究設(shè)計(jì)工作。地址：(1。0O27)北京市東城區(qū)東直門(mén)外小街6號(hào)海油大廈1006室
。電
話(huà)：010—84523250。E—mail：yangty@cnooc．corn．cn
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第43卷 第2期 楊天宇等 壓力容器火災(zāi)工況安全泄放質(zhì)量流量的動(dòng)態(tài)研究 2O9
HYSYS動(dòng)態(tài)模擬工具，建立了壓力容器的全動(dòng)態(tài)
生產(chǎn)模型，并在此基礎(chǔ)上分析研究了壓力容器發(fā)生
外部火災(zāi)事故工況時(shí)，不同初始條件對(duì)安全閥泄放
的影響。
1 安全閥泄放質(zhì)量流量的計(jì)算
根據(jù)API STD 521，火災(zāi)工況下經(jīng)由安全閥泄
放的氣體是在泄放溫度、壓力下與容器內(nèi)殘留液體
達(dá)到相平衡的氣體，對(duì)于壓力和溫度條件低于臨界
點(diǎn)的火災(zāi)工況，蒸汽的產(chǎn)生速率即安全閥的泄放質(zhì)
量流量計(jì)算見(jiàn)式(1)：
W 一Q ／ (1)
式中，w 為泄放溫度壓力下的安全閥泄放質(zhì)量流
量，kg／s；Q 為用于產(chǎn)生蒸汽的容器吸熱量，kW；
為泄放溫度壓力下的汽化潛熱，kJ／kg。
1．1 吸熱量的計(jì)算
對(duì)于具有有效滅火措施和容器有易燃物排放系
統(tǒng)的情況，暴露于明火中的容器的熱吸收量可用
API STD 521提供的方法進(jìn)行計(jì)算，見(jiàn)式(2)。
Q一43．2·F ·A (2)
式中，Q為沾濕表面總吸熱量(吸入)，kw；F為環(huán)境
系數(shù)，對(duì)于有冷卻水設(shè)施的裸露容器，F(xiàn)一1；A 為
總沾濕面積，m 。
對(duì)于多組分體系，容器從外部火災(zāi)中吸收熱量
后，一部分轉(zhuǎn)化為汽化潛熱使液體發(fā)生汽化，另一部
分轉(zhuǎn)化為顯熱，提高了殘留的液體溫度，使體系保持
在泡點(diǎn)溫度下。因此，式(1)中的容器吸熱量?jī)H是指
使液體發(fā)生汽化轉(zhuǎn)化為汽化潛熱的那部分熱量。
1．2 汽化潛熱的計(jì)算
汽化潛熱入是計(jì)算安全閥泄放質(zhì)量流量的關(guān)鍵
熱力學(xué)參數(shù)，單一組分的汽化潛熱可以很容易地從
相關(guān)的熱力學(xué)手冊(cè)中獲得或通過(guò)公式進(jìn)行計(jì)算，而
對(duì)于多組分體系，特別是含有如原油等寬沸點(diǎn)組分
或各組分相對(duì)分子質(zhì)量差別較大的混合體系，其泄
放條件下的汽化潛熱受溫度、壓力、組成等多因素的
影響，很難進(jìn)行準(zhǔn)確地計(jì)算，只能作近似估算 j。
K．w．w0n嘲等提出了一種基于嚴(yán)格計(jì)算的熱力學(xué)
方法，提高了針對(duì)含有如原油等寬沸點(diǎn)組分體系汽
化潛熱估算的準(zhǔn)確性。
對(duì)于含有寬沸點(diǎn)組分的混合體系，當(dāng)容器發(fā)生
外部火災(zāi)時(shí)，液相中較輕的組分先汽化進(jìn)入氣相，使
得氣相和液相的組成均發(fā)生了改變，受組分影響的
汽化潛熱也隨之改變。另一方面，隨著液相中的組
分不斷汽化，殘留液體的體積逐漸減少，容器內(nèi)的沾
濕面積逐漸減小，相應(yīng)的容器的總吸熱量越來(lái)越少。
因此，對(duì)于含有寬沸點(diǎn)組分的體系，其火災(zāi)工況的安
全泄放質(zhì)量流量在整個(gè)泄放過(guò)程中是動(dòng)態(tài)變化的，
其變化趨勢(shì)應(yīng)根據(jù)不同工況進(jìn)行具體分析。
2 動(dòng)態(tài)模型的建立
2．1 工藝參數(shù)
某氣田段塞流捕集器為臥式兩相壓力容器，容
器尺寸2．0 m IDX 6．0 m T／T、操作溫度16℃ 、操
作壓力12 100 kPa(A)、正常操作液位500 mm、安
全閥設(shè)定壓力13 300 kPa(A)。
段塞流捕集器的進(jìn)料組成見(jiàn)表1。
表1 段塞流捕集器進(jìn)料組成
Table 1 Feed composition of the slug catcher
組分 摩爾分?jǐn)?shù) 組分 摩爾分?jǐn)?shù)
CO2 0．113 1 n_C 0．000 8
N2 0．002 1 n—C7 0．000 7
C1 0．713 7 n—C8 0．001 2
C2 0．030 1 n—C9 0．001 3
C3 0．011 6 n-Cl0 0．001 0
i—C4 0．002 7 C 0．001 6
n_C 0．003 2 H 2 O 0．102 1
i—C5 0．000 8 TEG 0．013 4
n_C5 0．000 6
段塞流捕集器的液位和壓力設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 段塞流捕集器工藝設(shè)計(jì)參數(shù)
Table 2 Process design parameters of the slug catcher
2．2 建立動(dòng)態(tài)模型
使用HYSYS動(dòng)態(tài)模塊建立的段塞流捕集器火
災(zāi)工況動(dòng)態(tài)模型見(jiàn)圖1。模型建立的主要步驟如
下：
(1)在HYSYS動(dòng)態(tài)環(huán)境下搭建段塞流捕集器
的生產(chǎn)模型，添加閥門(mén)及PID控制器，并根據(jù)工藝
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210
石油與天然氣化：[
CHEMICAI ENGINEERING OF OIL ＆ GAS
要求，輸入段塞流捕集器的設(shè)備參數(shù)、安全閥參數(shù)、
閥門(mén)Cv值、進(jìn)料組成等數(shù)據(jù)。
(2)輸入邊界條件，根據(jù)操作條件設(shè)定PID參
數(shù)，運(yùn)行模型直至穩(wěn)定。
(3)使用Spreadsheet工具計(jì)算火災(zāi)工況下段
塞流捕集器的熱吸收量，并與相應(yīng)的物流關(guān)聯(lián)。
(4)使用Event Scheduler工具建立段塞流捕
集器的火災(zāi)工況事故控制邏輯。
(5)使用Databook工具記錄并查看各工藝參
數(shù)及其變化趨勢(shì)。
3 動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果及分析
熱吸收量
圖1 火災(zāi)工況HYSYS動(dòng)態(tài)模型
Figure 1 HYSYS dynamic simulation model of fire case
3．1 參數(shù)曲線(xiàn)圖分析
圖2給出了在正常操作溫度、操作壓力下，發(fā)生
乏
I
犍
蠼
誦
38 0．O
憫
270．0
糍
1 80．0
90．O
火災(zāi)工況時(shí)，段塞流捕集器的溫度、壓力、液位、熱吸
收量、安全閥泄放質(zhì)量流量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)。
t／mi1l
圖2 火災(zāi)T_；~HYSYS動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果
Figure 2 HYSYS dynamic simulation results of fire case
：!
．．
∞ 、嗵學(xué)兔兔 www.xuetutu.com
第43卷 第2期 楊天宇等 壓力容器火災(zāi)工況安全泄放質(zhì)量流量的動(dòng)態(tài)研究
由圖2可知，段塞流捕集器的火災(zāi)事故發(fā)生后，
各參數(shù)有如下變化趨勢(shì)：
(1)溫度：受外部火災(zāi)的影響，段塞流捕集器內(nèi)
不斷有熱量輸入，由于容器內(nèi)部的流體為多組分的
油氣水混合物，使得容器內(nèi)流體溫度呈不斷上升的
趨勢(shì)。
(2)壓力：外部火災(zāi)發(fā)生后，段塞流捕集器內(nèi)的
液體不斷蒸發(fā)和氣體受熱膨脹使得容器內(nèi)部壓力迅
速上升，當(dāng)達(dá)到安全閥設(shè)定起跳壓力后，觸發(fā)安全閥
開(kāi)啟泄壓，容器壓力維持在允許的超壓范圍內(nèi)。
(3)液位：在外部火災(zāi)發(fā)生后，容器內(nèi)的液體一
方面會(huì)受熱膨脹使得體積增大，另一方面會(huì)因受熱
蒸發(fā)使得體積減小。此外，在不斷增大的壓力作用
下液體體積會(huì)被壓縮減小。在本文中，段塞流捕集
器內(nèi)液位受以上3方面因素的綜合影響呈不斷下降
趨勢(shì)。
(4)熱吸收量：由式(2)可知，段塞流捕集器內(nèi)
沾濕面積的大小決定了容器在發(fā)生外部火災(zāi)時(shí)的熱
吸收量，而沾濕面積又是液位的函數(shù)。因此，熱吸收
量的變化趨勢(shì)與液位的變化趨勢(shì)同向，即熱吸收量
隨著容器液位的下降而減小。
(5)安全閥泄放質(zhì)量流量：由圖2可知，安全閥
的泄放開(kāi)始于外部火災(zāi)發(fā)生約10 min后，泄放質(zhì)量
流量在泄放初期迅速上升并在泄放開(kāi)始約3 min后
達(dá)到最大值，之后泄放質(zhì)量流量逐漸下降。
3．2 初始液位對(duì)火災(zāi)工況安全泄放質(zhì)量流量的影響
在正常操作壓力設(shè)定點(diǎn)下，分別選取表2中各
液位設(shè)定點(diǎn)作為段塞流捕集器的初始液位，運(yùn)行動(dòng)
態(tài)模型，得到不同初始液位下火災(zāi)工況泄放質(zhì)量流
量變化曲線(xiàn)，見(jiàn)圖3。各初始液位下安全閥最大泄
放質(zhì)量流量見(jiàn)圖4。
由圖3和圖4可知，初始液位不同，所產(chǎn)生的泄
放質(zhì)量流量和安全閥起跳時(shí)間均不相同。以低報(bào)警
點(diǎn)液位250 mm作為初始液位時(shí)產(chǎn)生的泄放質(zhì)量流
量最大，安全閥起跳時(shí)間最短。由圖4可知，以低報(bào)
警點(diǎn)液位250 mm作為初始液位時(shí)產(chǎn)生的最大泄放
質(zhì)量流量為1 482 kg／h，比以正常操作液位500 mm
作為初始液位時(shí)產(chǎn)生的最大泄放質(zhì)量流量1 278
kg／h大204kg／h。因此，以正常操作液位作為初始
嫻
炭
泄放時(shí)間／min
圖3 不同初始液位下泄放質(zhì)量流量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)關(guān)系
Figure 3 Changes of the relief
load with time at diferent initial liquid level
蝴
熱
初始液位／舳
圖4 初始液位對(duì)安全閥最大泄放質(zhì)量流量的影響
Figure 4 Impact of the initial
liquid level on maximum relief load
液位，所得到的最大泄放質(zhì)量流量不是體系的最大
泄放質(zhì)量流量。
初始液位對(duì)安全泄放質(zhì)量流量的影響主要表現(xiàn)
為：在溫度、壓力相同的前提下，初始液位越低，容器
內(nèi)的沾濕面積就越小，容器的總吸熱量就越少，轉(zhuǎn)化
為顯熱的吸熱量也越少；另一方面，初始液位越低，
容器內(nèi)殘留的液體就越少，受熱后液相汽化率越高。
3．3 初始?jí)毫?duì)火災(zāi)工況安全泄放質(zhì)量流量的影響
以液位低報(bào)警設(shè)定點(diǎn)250 mm 作為初始液位，
分別選取表2中各壓力設(shè)定點(diǎn)作為段塞流捕集器的
初始?jí)毫?，運(yùn)行動(dòng)態(tài)模型，得到不同初始?jí)毫ο禄馂?zāi)
工況泄放質(zhì)量流量變化曲線(xiàn)，見(jiàn)圖5。各初始?jí)毫?
下安全閥最大泄放質(zhì)量流量見(jiàn)圖6。
由圖5和圖6可知，初始?jí)毫Σ煌a(chǎn)生的泄
放質(zhì)量流量和安全閥起跳時(shí)間均不相同。初始?jí)毫?
越高，產(chǎn)生的最大泄放質(zhì)量流量越大，安全閥起跳時(shí)
間越短。由圖6可知，以高高關(guān)斷壓力12 600 kPa
0 0 ∞ O ∞O 如O ∞O 帥O 加O O 加0 仰0
} 1 ． _
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石油與天然氣化工
CHEMICAL ENGINEERING OF OIL 8L GAS
(A)作為初始?jí)毫r(shí)產(chǎn)生的最大泄放質(zhì)量流量為
1 586 kg／h，比以正常操作壓力12 100 kPa(A)作為
初始?jí)毫r(shí)產(chǎn)生的最大泄放質(zhì)量流量1 482 kg／h
大104 kg／h。因此，以正常操作壓力作為初始?jí)?
力，所得到的最大泄放質(zhì)量流量不是體系的最大泄
放質(zhì)量流量。
嫠
泄放時(shí)間／min
圖5 不同初始?jí)毫ο滦狗刨|(zhì)量流量隨時(shí)間變化曲線(xiàn)關(guān)系
Figure 5 Changes of the relief
load with time at different initial pressure
，
。o
＼
越
11 00011 20011 400ll 600l1 80012 00012 20012 40012 60012 800
初始?jí)毫Γ痥Pa(A)
圖6 初始?jí)毫?duì)安全閥最大泄放質(zhì)量流量的影響
Figure 6 Impact of the initial
pressure on maximum relief load
初始?jí)毫?duì)泄放質(zhì)量流量的影響主要表現(xiàn)為：
在溫度和液位相同的前提下，初始?jí)毫υ礁撸萜鲀?nèi)
殘留的氣液相質(zhì)量和密度就越大，相應(yīng)的汽化潛熱
值就越大；另一方面，初始?jí)毫Σ煌萜鲀?nèi)達(dá)到相
平衡的組成也不同。
4 結(jié)論
使用HYSYS動(dòng)態(tài)模擬方法能夠準(zhǔn)確直觀地記
錄和掌握壓力容器火災(zāi)工況下各種參數(shù)隨時(shí)間的變
化趨勢(shì)，從而為安全閥泄放面積的計(jì)算提供準(zhǔn)確的
基礎(chǔ)參數(shù)。
本文使用HYSYS動(dòng)態(tài)模擬建立了段塞流捕集
器的包含關(guān)斷邏輯的全動(dòng)態(tài)生產(chǎn)模型，使用該模型
分析研究了不同初始?jí)毫鸵何粚?duì)段塞流捕集器火
災(zāi)工況安全閥泄放的影響。結(jié)果表明，初始條件對(duì)
段塞流捕集器的安全泄放質(zhì)量流量有明顯影響，正
常操作液位和正常操作壓力下的安全泄放質(zhì)量流量
1 278kg／h比實(shí)際最大泄放質(zhì)量流量1 586 kg／h小
308 kg／h。
安全閥的最大泄放質(zhì)量流量是安全閥選型的關(guān)
鍵參數(shù)，在計(jì)算安全閥泄放質(zhì)量流量時(shí)，應(yīng)根據(jù)容器
的實(shí)際操作情況對(duì)選擇不同初始條件進(jìn)行泄放質(zhì)量
流量的分析和對(duì)比，從中找出最大的安全閥泄放質(zhì)
量流量，作為安全閥選型的依據(jù)，確保安全閥的泄放
能力能夠滿(mǎn)足容器實(shí)際泄放要求。
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