海洋平臺壓力容器安全閥最大泄放量的確定

劉 茜，李春磊

(1.勝利石油管理局 科技處，山東 東營257001;2.勝利油田勝利勘察設計研究院，山東 東營257026)

壓力容器在事故工況下最大泄放量是安全閥選型的關鍵參數，通常情況下，容器出口堵塞工況和火災工況引起的安全閥泄放量往往達到最大值。對于容器出口堵塞工況，安全閥所需要的泄放量等于入口流體的流量。而在火災工況下，對于像原油這樣的多組分物質，其最大泄放量的計算相當復雜。本文結合埕島油田中心三號平臺三相分離器的安全閥計算，探討安全閥在火災工況下最大泄放量的計算方法。

1 火災工況最大泄放量的計算方法

1.1 圖解法

火災工況下，安全閥的最大泄放量可以利用式(1)［1］進行計算。

式中:F——環境系數，在不保溫的情況取1.0;當保溫層厚度為30 mm時，取0.4;當保溫層厚度為50 mm時，取0.3;當保溫層厚度為80 mm時，取0.2;當保溫層厚度大于100 mm，取0.1;

A——沾濕面積，按容器內液位高度等于正常液位的沾濕面積考慮，m2;

Hl——液體的汽化潛熱，kJ/kg。

圖解法的關鍵在于汽化潛熱Hl的確定。采用圖解法查取如異構烴、芳香烴和環烷烴混合物的汽化潛熱的圖，利用計算的泄放溫度和泄放壓力就可以從圖中查出潛熱［2］。

1.2 HYSYS動態模擬法

利用HYSYS軟件動態模擬分離器在火災工況下的整個泄放過程，大致步驟如下。

1)在HYSYS中建立起壓力容器泄壓模型，利用調節閥來模擬安全閥泄放。

2)根據實際情況，設定好容器、閥門以及物流的各種參數值，利用HYSYS中的電子表格計算火災輸入熱量并加給容器。

3)在動態分析圖表中加入容器出口氣體的質量流量、絕熱指數、壓縮因子、相對分子量、泄放壓力、泄放溫度等參數，然后運行模型，查看這些參數隨時間的變化關系。

4)選取容器出口氣體最大泄放流量以及該流量對應的氣體溫度、壓縮因子、絕熱指數、分子量等參數作為安全閥泄放面積的計算基礎參數。

HYSYS動態模型見圖1。

圖1 HYSYS動態模型

1.3 HYSYS靜態模擬法

使用HYSYS軟件進行靜態模擬的基本思路是控制進入分離器的油、氣、水的總容積為實際使用容器的容積，計算出加熱的熱量，并將熱量加給容器。然后給定一個時間段(如10 min)，此時可以得出從容器泄放出的氣體量，依次類推，可以計算出以后無數個10 min內泄放出的氣體量，選在10 min內泄放氣體體積最多的一段，再分成更小的時間段(如1 min)求出最大值，即認為1 min內的平均值為安全閥的最大泄放量。

HYSYS靜態模型見圖2。

圖2 HYSYS靜態模型

2 安全閥火災工況下最大泄放量

2.1 計算基礎數據

1)勝利油田埕島中心三號平臺三相分離器為臥式，直徑4 m，長度16 m，容積200 m3，分離器中正常操作液位2 m，操作壓力350 kPa，操作溫度為40℃，安全閥設定壓力為700 kPa。

2)平臺原油的基本物性見表1。

表1 原油基本物性表

2.2 計算結果

分別采用圖解法、HYSYS靜態模擬法、HYSYS動態模擬法計算安全閥的泄放量，安全閥型號為1.5G2和1.5F2，結果見表2。

2.3 計算分析

1)采用圖解法得到的最大泄放量遠大于采用HYSYS動態或靜態模擬結果，這主要是因為采用圖解法求解時，假定分離器中的液體為異構烴、芳香烴以及環狀烴或組分分子質量差別不大的烷烴混合物。然而，分離器中實際流體的物性與假定的流體物性有較大的差別。例如，水在泄放壓力和泄放溫度下的汽化潛熱是2 206 kJ/kg，而根據圖解法得到的液體混合物汽化潛熱為280 kJ/kg，兩者差值很大，從而造成計算得到的最大泄放量差別很大。

表2 三種方法的模擬計算結果

2)采用HYSYS動態模擬和靜態模擬都能夠模擬出最大泄放量下的氣體分子量M值以及氣體的絕熱指數K值，然而圖解法則無法獲得這些參數。

3)從HYSYS動態模擬結果還可以看出，對于像分離器等油氣水處理設備來說，在發生火災的過程中，氣體泄放量可能存在兩個峰值。第一個峰值是水大量氣化時對應的峰值，第二個是原油大量氣化時對應的峰值，且兩者之間的時間間隔較長。這主要是因為水的沸點遠低于原油的平均沸點，因此，首先大量汽化的是水而不是原油，原油則需要在此之后較長時間才能達到泄放峰值。

3 結論

1)對于容器中介質為異構烴、芳香烴和環烷烴混合物或組分分子質量差別不大的烷烴混合物以及純單組份(如液化天然氣、乙炔等)液態烴時，推薦采用圖解法進行求解。而對于含水原油容器火災工況的計算，圖解法不太合適，計算得到的安全閥泄放面積偏大，不經濟。

2)HYSYS靜態模擬也能夠近似地模擬出火災工況下的最大泄放量等參數，但該方法的工作量很大，且有時候很難找到真正的最大泄放量，因此不建議只使用該方法進行壓力容器火災工況下的安全閥計算，應采用其它方法進行校核。

3)使用HYSYS動態模擬方法能夠準確地模擬出壓力容器火災工況下各種參數隨時間的變化關系，從而為安全閥泄放面積的計算提供準確的基礎參數。因此，對于像三相分離器等油水處理設備，建議采用HYSYS動態模擬的方法進行模擬計算。

4)在進行壓力容器火災工況安全閥估算時，對于容器中原油含水較多(大于10%)的情況，可近似地取泄放工況下水的汽化潛熱、分子量、絕熱指數等參數作為安全閥泄放面積計算的基礎參數，這樣可以大大簡化模擬和計算過程，同時還能夠得到較為準確的結果。

［1］中國海洋石油總公司中海石油研究中心開發設計院.SY/T 10044-2002煉油廠壓力泄放裝置的尺寸確定、選擇和安裝的推薦作法［S］.北京:石油工業出版社，2003.

［2］馮傳令，楊 勇.原油容器安全閥火災工況泄放量動態模擬［J］.石油工程建設，2006，32(6):9-12.