紧急放空系统限流孔板孔径HYSYS模拟计算.docx
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1、紧急放空系统限流孔板孔径 HYSYS 模拟计算陈俊文;陈庆;汤晓勇;边云燕【摘 要】 紧急泄放系统为油气集输站场中设备和管道提供安全保障,尤其火灾工况 下,带压介质必须尽快泄放,以防止由于容器受热后强度降低引起的破裂或爆炸.限流 孔板孔径是影响泄放速率的主要因素,值得深入研究,以满足极端工况的泄放要求.基 于限流孔板尺寸计算方法现状和火灾工况特点,分析了现行算法在火灾工况下的适 应性,并建立 HYSYS 动态模拟,计算了火灾工况下紧急放空系统限流孔板孔径.结果 表明, 目前的限流孔板尺寸算法无法合理考虑火灾工况泄放过程中液相介质挥发和 气相组分升温等情况;容器中的轻质液相组分在火灾工况下将大量
2、挥发,常规算法得 出的泄放元件尺寸无法满足此种情况下紧急泄压的需求;建立的动态泄放模型能够 进一步模拟真实情况.研究成果为集输站场紧急放空系统的限流孔板合理设计提供 了参考与借鉴.【期刊名称】 石油与天然气化工【年(卷),期】 2016(045)006【总页数】 6 页(P93-98)【关键词】 集输站场;紧急放空;限流孔板;HYSYS 动态模拟【作 者】 陈俊文;陈庆;汤晓勇;边云燕【作者单位】 中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司;中国石油集团工程 设计有限责任公司西南分公司;中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司;中 国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司【正文语种】 中 文
3、【中图分类】 TE88紧急放空系统作为集输站场紧急截断系统(ESD)的后续保护程序,起到了保障系统 内设备和容器安全的关键作用1-4。根据规范要求,集输系统紧急截断区间内的 介质应通过紧急放空。在火灾情况下,紧急放空量按对所有处理烃类设备在 15 min 内将压力(G)降至 690 kPa 或降至 50%容器设计压力计,取其中较低值5。遇火情况下,设备钢材强度将降低,若不及时启动紧急泄压,极有可能无法承受其 内压,导致设备破裂,引起更大规模的事故。紧急放空系统的设计核心在于额定泄 放时间下的最大泄放速率预测与限流孔板孔径选择。过小的孔径可能造成实际泄放 速度降低,泄压时间延长;过大的孔径则使最
4、大瞬间泄放量增大,需提高放空系统 处理规模,造成投资浪费。此前,诸多机构与学者对泄放系统放空速率和限流孔板 的尺寸计算进行了深入研究6-10 ,形成了多种限流孔板尺寸计算方法。然而,火 灾工况下容器内介质将发生升温、相变等复杂变化11-13 ,影响对限流孔板计算 的输入条件。因此,有必要进一步研究该复杂系统工况下限流孔板的计算,形成一 套更为可靠的动态计算方法。本研究将根据限流孔板泄放原理,基于火灾工况下容器内介质特点,完善并优化限 流孔板尺寸的计算方法。限流孔板为一同心锐孔板 14 ,安装在紧急泄放阀后起限流作用,主要原理为 7: 流体通过孔板会产生压力降,通过孔板的流量随压力降的增大而增大
5、,当压力降达 到临界流动状态时,其流量不受孔板前压力影响,以达到限流目的。节流阀、安全 阀的泄放原理与限流孔板较为接近,其区别在于阀门限流元件是否存在开度控制; 安全阀只能用于超压放空,当压力下降到回座压力后,流道关闭,泄放停止;紧急 泄放系统选择全通径阀与限流孔板进行组合,既能在紧急情况下限制流量,也能避免调节阀失效(锁死)引起的事故。集输站场通常设置了上游管道来气的汇集和分离处理装置。站内设备处除管道和管 件外,通常设有容积较大的分离器。在紧急情况下,进出站或关键设备上下游的 ESD 阀门关闭,隔离各种事故对生产 系统的影响,并迅速泄放带压介质,降低系统压力15-17。一般通过人为操作、
6、气体检测或火焰探测器,启动紧急泄放系统,对站内设备内的介质(主要是可压缩 的气相)进行紧急泄放,在规定时间泄放至规定的安全压力。紧急泄放工况可大致 分为无火灾工况和火灾工况。火灾工况均会有外界热源输入设备(即设备着火)。非火灾工况下,其内部压力、瞬时排放速率、介质温度随泄放时间而降低,是一种 常规定容泄放过程。典型火灾工况下,热源对含有液相的分离器外表面进行热量输入, API 521-2014 Pressure-relieving and Depressuring Systems推荐的含有液相介质的未隔 热罐体热量吸收公式见式(1)。式中: Q 为总系热量, W; F 为环境系数, 1;Aws
7、 为总体湿润面积, m2。液相挥发的速度可通过式(1)与液相蒸发潜热关联计算。受热容器中液相组分挥发 将增大容器内介质的压力,泄放时,可能出现系统泄压引起的压力降低和液相挥发 造成的压力升高协同效应,从而影响泄压速率、排放压力以及实际泄放时间。同时, 火灾引起的液相挥发使气相含量不断增高,这相当于增大了额定时间需要排出的气 体体积。鉴于泄放工况的特点,分析目前常用限流孔板计算方法的适应性,并进一步优化计 算方法。目前,限流孔板的孔径计算主要参考炼油装置工艺管道安装设计手册(下册)、 Perrys Chemical Engineers Handbook和 ISO 5167.2-2003 Meas
8、urement of fluid flow by means of pressure differential devicesinserted in circular cross-section conduits running full - Part 2: Orifice plates所列公式,通过泄放质量流量、限流孔板前压力以及部分流动参数,计算 孔径。若已知最大泄放速率、孔板前温度、压力及孔板后压力等参数,则可由上述文献推 荐的方法直接计算出孔板孔径。炼油装置工艺管道安装设计手册(下册)介绍的 限流孔板计算公式较为常用,如式(2):式中: q 为流体的质量流量, kg/h ; 为孔板流量
9、系数; 为流体膨胀系数; d 为 锐孔直径, mm ; 为操作条件下流体密度, kg/m3 ;p 为孔板前后的压力降, MPa。式(2)的输入参数主要为孔板前后压差和恒定流量,因此主要应用于解决定量限压 流动问题。若选择式(2)应用于定容紧急泄放过程,则必须合理选取并确定极端工 况下的最大质量流量,而选择最大质量流量的过程则需通过其他方法完成,例如动 态模拟。目前,定容泄放过程主要参考Gas Conditioning and Processing (equation 10. 51)推荐的定容泄放孔板尺寸计算公式(式(3) ,以下简称泄放公式)。式(3)所需 的参数为泄放起始和终了的压力、温度等
10、,可直接获取。式中: t 为泄放时间, s; B 为常数, 0.09;V 为实际系统体积, m3;Cd 为阀门泄 放系数; Av 为泄放面积, m2;Z 为气体平均压缩因子; T 为气体平均温度, K ; p1 为泄放初始系统压力, kPa; p2 为泄放终了系统压力, kPa; Rd 为气体相对密 度。如前所述,在火灾工况下,由于外界热量持续对系统进行热量输入,式(3)无法估 算热量输入对泄放过程的影响。由此可见,式(1)在使用中需要借助其他手段获取紧急泄放过程中的最大泄放量; 式(2)无法考虑火灾工况下泄放过程中热量输入的影响。目前,一些商用软件都为用户提供了实现流程动态模拟功能的平台,这
11、为本研究进 行动态优化计算和分析提供了支撑。其中, HYSYS 软件在油气储运设计中的运用 较为广泛,此软件具有强大的稳态模拟和动态模拟功能。 HYSYS 基于基本状态方 程、水力模型、热力模型等模块,通过用户自行设计、搭建流程模型、设置事件时 间轴,可完成多种工况的动态模拟。在模拟中对过程数据实时记录,满足结果分析 要求。因此,基于 HYSYS 软件的动态模拟,可综合考虑外界热量输入、容器内组分相态 变化18 ,以实现火灾工况下系统泄压的实时监控,能够较为合理地预测泄放过程, 可作为复杂工况下限流孔板计算的一种方法。4.1 模型建立4.1.1 模型组成根据工艺流程,借助 HYSYS 软件建立
12、以气液分离器为主要设备的模拟流程(见图 1)。其中,在静态模拟环境下分别建立入口物流、入口截断阀、两相分离器、气相 出口截断阀、气相出口物流、液相出口截断阀、液相出口物流等物流、设备和阀门; 同时,添加紧急泄放系统(紧急泄放阀和限流孔板)。4.1.2 边界条件设置入口物流的组分、压力和温度;设置两相分离器的尺寸、稳定液位高度和传热 模型;设置限流孔板后物流的初始压力(紧急泄放工况下,设置为 690 kPa)。4.1.3 火灾热量输入建立关联分离器液位 L 与湿润面积 A 的计算表,利用式(1)将计算的湿润面积换算 为火灾热量输入后添加至气液分离器。4.2 计算步骤(1) 在稳态模拟环境中,设置
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