兩相分離器火災工況安全閥動態分析

吳梁紅，宗　媛，薛登存，魏　濤，李　濤，朱德聞.中國石油天然氣股份有限公司規劃總院，北京 0008.中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司，北京 00085.中國石油集團工程設計有限責任公司，北京00085

兩相分離器火災工況安全閥動態分析

吳梁紅1，宗媛2，薛登存2，魏濤3，李濤2，朱德聞2
1.中國石油天然氣股份有限公司規劃總院，北京 100083
2.中國石油集團工程設計有限責任公司北京分公司，北京 100085
3.中國石油集團工程設計有限責任公司，北京100085

采用HYSYS軟件對兩相分離器火災工況下安全閥進行了動態模擬，同時分析了原油含水率變化對泄放時間、最大泄放量和泄放溫度等因素的影響。研究表明：隨著火災加熱時間的延長，原油的性質不斷變化，僅根據安全閥設定壓力高于原油的初始狀態相包線中泡點線的最高壓力判斷液體膨脹作為其選型的主導因素會有一定的局限性，對火災工況下安全閥的泄放應進行動態模擬分析；隨著原油含水率的上升，安全閥的起跳時間呈現先減小后增加的趨勢，最大泄放量和泄放溫度均隨含水率的升高而逐漸降低，并且當含水率超過某一值時最大泄放量和泄放溫度基本不變；此外，安全閥的尺寸計算除了應考慮設備的最大液量之外，還應考慮含水率的影響。

安全閥；兩相分離器；火災工況；最大泄放量；含水率

安全閥作為壓力容器、管道等承壓設備的最后一道保護，在容器或管道的壓力達到設定壓力時可自動開啟，及時排出超壓介質［1］。安全閥計算工況的合理分析對安全閥的尺寸計算和緊急狀況下容器的保護至關重要，如果安全閥計算工況分析不合理，則會導致安全閥尺寸過小或過大。尺寸過小，壓力介質排放不及時，容易造成壓力設備受損；尺寸過大，會造成安全閥的閥瓣與閥座頻繁地撞擊，縮短安全閥的使用壽命［2］。火災工況是一種常見的工況，兩相分離器外部火災下安全閥的尺寸計算與泄放壓力、泄放溫度及泄放量密切相關。

本文以乍得某油田兩相分離器為例，采用HYSYS軟件動態模擬火災工況下安全閥的泄放，計算泄放溫度和泄放量，并針對原油含水率對安全閥泄放的影響進行了模擬和分析。

1兩相分離器基本參數

兩相分離器的相關尺寸和工藝參數見表1。

表1　兩相分離器（立式）的基本參數

2　HY SY S動態模擬

本文采用軟件HYSYS對火災工況下安全閥的泄放進行動態模擬，分析兩相分離器內液相物流相包線隨火災加熱時間的變化及原油不同含水率下安全閥的泄放壓力、泄放溫度及泄放量。

2.1安全閥泄放模型的建立

首先將汽、液介質接入兩相分離器中，按照分離器的運行工藝參數建立模型，輸入分離器的基本參數（如長度，直徑，正常液位值等），然后設置分離器的壓力和液位控制器，通過氣相出口和液相出口的調節閥，來控制分離器的壓力和液位，見圖1。

圖1　兩相分離器火災工況的動態模型

安全閥泄放模型建立后，點擊靜態運行，調試模型使得運算收斂。轉入動態模擬時，應先根據容器的濕面積計算火災工況下容器吸收的熱量，將其熱量作為能量流輸入兩相分離器，然后關閉分離器入口、液相出口的閥門［3］；當容器內的壓力達到安全閥設定壓力時，將氣相出口調節閥的流量系數調到廠家推薦值，用調節閥取代安全閥，保證安全閥安全泄放。

2.2動態模擬結果分析

2.2.1液相物流相包線分析

動態模擬過程中分離器壓力、溫度和液相物流的相包線變化情況見表2和圖2～4。

表2　　分離器溫度、壓力和液相相包線隨時間變化情況

圖2　　動態模擬t=0 min時液相物流相包線

圖3　　動態模擬t=103 min時液相物流相包線

圖4　　動態模擬t=170 min時液相物流相包線

從圖2～4可以看出，隨著火災工況分離器加熱時間的延長，分離器的壓力和溫度不斷增加，同時液相物流的臨界壓力和泡點線最高點壓力不斷增大，液相中的輕組分不斷氣化，但分離器中的物流始終呈現氣液兩相，沒有出現臨界狀態，也就是說對于本次模擬不存在或者存在很小的液體膨脹過程。

但以往設計人員通常只根據安全閥設定壓力高于原油的初始狀態相包線中泡點線的最高壓力判斷液體膨脹作為其選型的主導因素，容易造成所選的安全閥的尺寸偏小，因此在分析火災工況下安全閥泄放時，建議進行動態模擬分析，不能只根據安全閥設定壓力與初始狀態原油的相包線判斷。

2.2.2原油含水率的影響

在相同原油處理量下，對原油含水率為0%、50%、90%時安全閥的泄放過程進行動態模擬，其計算結果見圖5～7。

圖5　　含水率0%時，壓力、溫度及泄放量隨時間的變化曲線

圖6　　含水率50%時，壓力、溫度及泄放量隨時間的變化曲線

圖7　　含水率90%時，壓力、溫度及泄放量隨時間的變化曲線

從圖5～7可以看出：

（1）隨著含水率的上升，安全閥的起跳時間分別為200、140、180 min，即安全閥的起跳時間隨含水率的上升，先減小后增加。其原因在于水的沸點較低，當原油的含水率小于50%時，水會優先氣化，并伴隨著油的氣化，分離器氣相空間很快會達到安全閥的設定壓力。如果含水率進一步提高，由于水的比熱容較大，分離器內介質流升溫速度將有所減慢，從而使水和原油的氣化速度降低，故分離器內氣相空間達到安全閥設定壓力的時間就會延長。

（2）隨著含水率的上升，安全閥的最大泄放量分別為208 901、23 569、22 403 kg/h，安全閥的泄放溫度分別為416、227、229℃。即安全閥的最大泄放量和泄放溫度隨含水率的升高，逐漸降低，并且當含水率超過某一值時最大泄放量和泄放溫度基本不變。因為水的沸點較低，且水蒸氣的分子量較小，會優先氣化并且隨著含水率的上升，這種現象會越來越明顯。

（3） 對于火災工況下安全閥的尺寸計算，除了應考慮設備的最大液量之外，還應考慮含水率的影響，如前面所述，同樣的原油處理量，含水率為0%時，安全閥的最大泄放量大約為含水率為90%時的安全閥最大泄放量的10倍。

3　結束語

在分析火災工況下安全閥泄放時，僅根據安全閥設定壓力與原油的初始狀態相包線判斷液體膨脹是否為其選型的主導因素有一定的局限性，建議進行動態模擬分析。

隨著原油含水率的上升，安全閥的起跳時間呈現先減小后增加的趨勢；最大泄放量和泄放溫度均隨含水率的升高逐漸降低，并且當含水率超過某一值時最大泄放量和泄放溫度基本不變。對于火災工況下安全閥的選型計算，除了應考慮設備的最大液量之外，還應考慮含水率的影響。

［1］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.

［2］SY/T10043-2002，泄壓和減壓系統指南［S］.

［3］鄭志剛，潘澍宇，鄧婷婷，等.碳四容器安全閥火災工況泄放的動態模擬［J］.廣州化工，2013，41（22）：202-204.

Dynamic Analysis ofPressure SafetyValve at Two-Phase Separator in Fire Case

WU Lianghong1，ZONG Yuan2，XUE Dengcun2，WEITao3，LITao2，ZHU Dewen2
1.China Petroleum Planning&Engineering Institute，Beijing 100083，China
2.China Petroleum Engineering Co.，Ltd.Beijing Company，Beijing 100085，China
3.China Petroleum Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100085，China

HYSYS software has been used to carry out fire case dynamic analysis of pressure safety valve（PSV）at a two-phase separator and analyze the influence of water content on bleed-off time of PSV，maximum relieving rate and relieving temperature.The research indicates：（1）The crude oil property changes with the extension of fire heating time，so it is inaccurate to judge liquid expansion as the governing selection factor for PSV when the set pressure is higher than the highest point at initial crude oil phase envelope.Dynamic research should be used to analyze PSV at the two-phase separator in fire case.（2） The bleed-off time of PSV decreases firstly and then increases with the increasing of water content，and the maximum relieving rate and relieving temperature decrease with the increasing of water content.Besides，the maximum relieving rate and relieving temperature are unchanged when the water content exceeds a certain value.（3） The calculation of PSVshould not only consider the maximum fluid rate but also the influence of water content.

PSV；two-phase separator；fire case；maximum relieving rate；water content

10.3969/j.issn.1001-2206.2016.01.013

吳梁紅（1984-），男，四川眉山人，工程師，2011年畢業于中國石油大學（華東）油氣儲運專業，碩士，現從事油田地面工程和長輸管道設計工作。Email：31541918@qq.com

2015-06-23；

2015-12-01