ASPEN PLUS在安全閥計算中的應用

2016-07-21 06:51:24孫義峰

天津化工 2016年1期

孫義峰

（天津市化工設計院，天津300193）

·計算機應用·

ASPEN PLUS在安全閥計算中的應用

孫義峰

（天津市化工設計院，天津300193）

摘要：超壓泄放系統是石油化工裝置不可缺少的安全配套設施。由于安全閥計算涉及物性參數較多，計算量較大，使其選型成為一個比較復雜的問題。本文介紹了流程模擬軟件——Aspen Plus，及其在安全閥泄放量和選型計算中應用。

關鍵詞：Aspen Plus，安全閥計算

在石油化工裝置的設計工作中，安全生產是首要考慮因素。依據我國現行標準要求，標準適用范圍內的容器在操作過程中可能出現超壓時，應按該標準要求配備超壓泄放裝置［1］（泄放裝置包括安全閥、爆破片及安全閥與爆破片組合裝置，本文僅以安全閥為例介紹）。超壓是由于物料和能量的正常流動出現不平衡或異常造成的，超壓將引起物料或能量，或者二者在系統某部分積聚［2］。在石油化工生產過程中，為了防止由于其它事故，造成生產系統壓力超過容器和管道的設計壓力，而發生爆炸事故，應在容器或管道上設置安全閥［3］。

化工流程模擬軟件可分為穩態模擬和動態模擬兩種，通常所說的化工流程模擬軟件多指穩態模擬。由于穩態模擬軟件應用的普遍性，以及設計思維的一貫性，本文并未討論動態模擬軟件計算安全閥的方法。

1　Aspen Plus軟件簡介

Aspen Plus是一個生產裝置設計、穩態模擬和優化的大型通用流程模擬系統，其具有強大的物性數據庫資源，自身擁有兩個通用的數據庫Aspen CD （Aspen Tech公司自己開發的數據庫）和DIPPR（美國化工協會物性數據設計院的數據庫），還有多個專用數據庫。Aspen Plus同時有美國國家標準與技術研究院（NIST）及德國德西瑪-化學工程與技術協會（DECHEMA）數據庫的合作支持。Aspen Plus是唯一獲準與DECHEMA數據庫接口的軟件，該數據庫收集了世界上最完備的氣液平衡和液液平衡數據。Aspen Plus擁有50多種單元操作模塊，用于模擬各種操作過程，通過這些模塊和模型的組合可以模擬用戶所需要的流程。

2　安全閥計算

安全閥的選型計算可參照原化工部發布的行業標準HG/T 20570-95《工藝系統工程設計技術規定》的第2部分HG/T 20570.2-95《安全閥的設置和選用》。還可借鑒的國外標準有美國API標準（API RP521《泄壓和減壓系統指南》；API RP520《煉油廠壓力泄放裝置的尺寸確定、選擇和安裝》）

安全閥的選型為石油化工企業安全生產的必要保障，也是最后一道保障，安全閥的選型計算的準確性，同樣應該引起高度重視。安全閥的選型計算，應先求出設備或管道在各種可能產生超壓的工況下的泄放量，然后根據算出的單一工況計最大泄放量求出最小泄放面積，以最小泄放面積作為依據，進行安全閥的選型，使所選安全閥的實際排放面積等于或大于計算所需面積。整個計算過程需要很多工藝參數，設計參數的取值需要應用繁瑣的經驗公式，或直接采用經驗值，這樣增加了安全閥選型的不確定性和生產操作的危險性。而利用模擬軟件對工藝過程進行模擬，從中調取工藝參數，則可減小工藝參數計算偏差，節省計算時間。

2.1泄放量的計算

一般造成超壓的原因有三種，應對火災、操作、設備三類事故狀態的分析，確定其可能發生的幾種事故狀態，對每個安全閥分別進行幾種事故狀態下的最大排放量計算，并比較出一種具有最大排放量的工況，它就是該安全閥的排放工況及其排放量。手冊及標準中列舉了安全泄放裝置的各種超壓工況，并指出了各種工況下確定泄放量的一般性原則和計算方法。《石油化工設計手冊第4卷工藝和系統設計》在借鑒美國API標準的前提下，充分考慮了工程處理和我國相關規范，提出了更為安全的推薦方法。本文僅對幾個限定工況的計算方法進行討論，不涉及完整的選型過程。

2.1.1塔頂回流故障工況

以《石油化工設計手冊第4卷工藝和系統設計》中例5.5-5為例，例題要求計算催化裂化裝置汽油穩定塔在塔頂回流故障時的安全閥泄放量。在此工況下的排放量是在正常溫度下第一塊塔板處產生的蒸汽量，手冊在設置一定假設的情況下對該塔頂部進行物料衡算和能量衡算，最后得出泄放量。當前設計行業，流程模擬軟件的應用已經非常廣泛，該汽油穩定塔流程在安全閥選型前一般已計算收斂，在相應模塊中引出該塔板的虛擬物流即可。以Aspen Plus中RadFrac模塊為例，塔設備中增加一個虛擬物流，在Report-Pseudo Streams表頁設置虛擬物流連接位置Intermal stream stage為2（如RadFrac未配置冷凝器，則該選項設置為1），相態Phase設置為Vapor，如圖1所示。

圖1　虛擬物流設置

再次運行收斂后，查看相應的物流結果即可看到泄放量。筆者認為實際設計時，還應考慮設計負荷的裕量系數，以確定該工況的最終泄放量。

2.1.2火災工況

以《石油化工設計手冊第4卷工藝和系統設計》中例5.5-1為例，例題要求計算一個臥式丙烷貯罐，在火災工況下的泄放量。貯罐外壁不保溫，有良好的消防系統保護，附近有良好的下水系統。根據已知條件可知應安全閥所需排放量計算公式為：

式中 G——安全閥所需的泄放量，kg/h；

F——容器外壁校正系數；

A——容器濕表面積，m2；

L——液體在泄壓工況濕的氣化潛熱，kJ/kg。

圖2　氣化潛熱計算流程示意圖

其中參數F可根據標準、手冊進行取值，參數A可根據標準、手冊的計算方法進行計算。參數L為流體的物性參數，若流體為單質，可在相關物性手冊中查詢，略為簡便；若流體為混合物，則根據需要相關手冊中推薦的計算公式進行計算。利用模擬軟件可通過簡單的設置即可得到準確的結果，以Aspen Plus為例，輸入組分并設置適當的熱力學模型后，建立如圖2所示流程。流程共設置兩個閃蒸罐模型和五個流股，流股F可根據罐內的操作條件設置，流量可設置為1kg/h。FLASH1模型設置壓力為安全閥的入口壓力，手冊中計算值為2.112MPaG，另設置閃蒸罐的氣化分率為0；FLASH2模型同樣設置壓力為安全閥的入口壓力，另設置閃蒸罐的氣化分率為1，如圖3、圖4所示。運行收斂后，查看FLASH2模型計算結果，Results-Summary表頁中Heat duty項的顯示的數值即為氣化潛熱（在物流F流量設置為1kg/h，Heat duty單位設置為kJ/h的前提下）。這樣，泄放量計算公式涉及參數已全部確定，經簡單計算即可得到結果。

圖3　模型FLASH1設置示意圖

圖4　模型FLASH2設置示意圖

2.2最小泄放面積的計算

以計算泄放氣體介質的安全閥為例，氣體通過安全閥噴嘴時，其速度和比容隨下游壓力的減小而增大，一直增大到極限速度為止，此極限速度即為該氣體的聲速，相當于極限速度的相應流率稱為臨界流率。計算安全閥最小泄放面積，首先應對流動狀態進行辨別，如果背壓滿足下式即為臨界流動，否則為亞臨界流動。

式中P0---安全閥背壓力（MPa）

Pf----安全閥的泄放壓力（MPa）

k----氣體的絕熱指數

臨界流動狀態下最小泄放面積計算公式為：

式中 A---安全閥需要的最小泄放面積（mm2）

G---安全閥的排放量（kg／h）

Z---氣體壓縮系數（kg/h）

Tf----安全閥的泄放溫度（K）

K----安全閥的泄放系數

Pf----安全閥的泄放壓力（MPa）

M---氣體相對分子質量

C---氣體特性系數，或按下式求取：

以上兩個公式的各項參數中，氣體絕熱指數k、氣體壓縮系數Z、安全閥的泄放溫度Tf、氣體相對分子質量M等參數，對于混合物而言，一般需要查詢物性手冊取得單質物性參數，并利用混合物參數的計算公式進行計算，過程繁瑣容易出錯，而采用模擬軟件相對簡單易得。式中涉及的其他參數一般可在相關標準、手冊中查得，這里不再贅述。

以液化烴貯罐為例計算泄放面積，同樣采用圖2示意的流程，參照2.1.2中的模型參數設置方法，物流F的數據可按泄放源的操作條件和組成進行輸入。在Aspen Plus中，流股的結果并不體現氣體絕熱指數、壓縮系數等參數，需要在Properties/Prop-Sets項中新建一個物性集，并加入如圖5所示的性質參數。其中CPCVMX對應氣體絕熱指數，ZMX對應氣體壓縮系數，TBUB對應泡點溫度（對液化烴而言，泄放壓力下的泡點溫度即為泄放溫度），MWMX對應相對分子質量。設置完畢后，還需在Setup/Re?port Options/Stream表中，將新設定的物性集添加到運行結果顯示中。這樣，在運行收斂后，在物流V1的計算結果中可直接讀取計算最小泄放面積所需的各個物性參數。