泄壓系統(tǒng)在油氣加工行業(yè)的應(yīng)用研究

劉玉強(qiáng)　趙　明

海洋石油工程股份有限公司,　天津　300452

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泄壓系統(tǒng)在油氣加工行業(yè)的應(yīng)用研究

劉玉強(qiáng)趙明

海洋石油工程股份有限公司,天津300452

泄壓系統(tǒng)；泄放閥；限流孔板

0　前言

在油氣加工和儲(chǔ)存過程中,物料大多具有毒性或可燃性。由這些物料的泄漏、人為誤操作等引發(fā)的火災(zāi)、爆炸、中毒事故不勝枚舉[1-2]。安全閥對(duì)壓力容器/管道的防護(hù)作用已經(jīng)得到了較為廣泛的認(rèn)可。但事故發(fā)生時(shí),安全閥僅能將系統(tǒng)的壓力控制在起跳壓力和最大允許工作壓力范圍內(nèi),無法對(duì)壓力容器/管道起到主動(dòng)泄壓的作用,從而無法主動(dòng)降低設(shè)備/管道應(yīng)力并防止非潤(rùn)濕表面由于局部過熱(超過材料應(yīng)力極限)而破裂,也無法減少向火源“投放”燃料。泄壓系統(tǒng)的應(yīng)用恰好填補(bǔ)了這一技術(shù)空白。此技術(shù)在海洋石油平臺(tái)[3-4]、地面油氣田[5-7]、煉油廠[8-12]、天然氣處理廠[13-14]等領(lǐng)域已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用。API Standard 520-2014“Sizing,Selection and Installation of Pressure-relieving Devices Part Ⅰ—Sizing and Selection”[15]、API Standard 520-2011“Sizing,Selection and Install ation of Pressuring-relieving Devices Part Ⅱ—Installation”[16]、API Standard 521-2014“Pressure-relieving and Depressuring Systems”(以下簡(jiǎn)稱API Standard 521-2014)[17]及相關(guān)行業(yè)規(guī)范[18-19]提出了泄壓系統(tǒng)的設(shè)置原則和理論設(shè)計(jì)方法,但并不深入。筆者在相關(guān)文獻(xiàn)和工程應(yīng)用實(shí)踐基礎(chǔ)上,結(jié)合自身工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),對(duì)泄壓系統(tǒng)各部分的功能、設(shè)計(jì)要點(diǎn)和計(jì)算方法進(jìn)行了深入研究和探討,為其更廣泛的應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1　泄壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

泄壓系統(tǒng)是在一定工藝條件下,人為遠(yuǎn)程控制或自啟動(dòng)的,將系統(tǒng)內(nèi)物料排向火炬等安全處理系統(tǒng)的一整套設(shè)施。它一般由泄放閥(即blowdown valve,以下簡(jiǎn)稱BDV)、孔板(組)等設(shè)施組成,其工藝流程示意圖見圖1。

圖1　泄壓系統(tǒng)工藝流程示意圖

BDV通過打開、關(guān)閉、調(diào)節(jié)閥門開度控制泄放通路；孔板(組)是泄壓系統(tǒng)的主要降壓設(shè)備,將排放物流的壓力降到火炬系統(tǒng)管網(wǎng)的壓力。泄壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括泄壓系統(tǒng)適用范圍的確定、泄放工況和泄放速率的考慮、BDV的設(shè)計(jì)、孔板(組)的計(jì)算、孔板上下游管道尺寸的確定以及工藝設(shè)備和泄壓系統(tǒng)是否選用低溫材料等幾方面。

1.1泄壓系統(tǒng)的適用范圍

對(duì)泄壓系統(tǒng)的設(shè)置,國(guó)際規(guī)范、企業(yè)規(guī)范等作出了明確規(guī)定。

API Standard 521-2014[17]規(guī)定：泄壓系統(tǒng)普遍應(yīng)用于壓縮機(jī)的火災(zāi)、泄漏或密封失效工況及火災(zāi)工況下,操作壓力≥1 700 kPa(≈250 psi)的大型工藝設(shè)備泄壓。

S-DP-001-1996[19]規(guī)定：設(shè)備進(jìn)出口閥門關(guān)閉時(shí),對(duì)含有1.0 t碳?xì)浠衔锘蛭醇庸ぴ偷膲毫θ萜鲬?yīng)配備壓力泄放系統(tǒng)。

殼牌企業(yè)規(guī)范規(guī)定：泄壓系統(tǒng)的設(shè)置應(yīng)考慮設(shè)備，建筑物，設(shè)備內(nèi)物料的種類、數(shù)量和人員情況。正常操作條件下,盛有4 m3以上丁烷或揮發(fā)性更強(qiáng)液體的壓力容器應(yīng)設(shè)置遠(yuǎn)程控制的泄放閥。另外,下列工藝過程也應(yīng)配備泄壓設(shè)施：高壓氫處理單元,如加氫重整、加氫裂化、渣油加氫、加氫脫硫等；所有有人的、含有高壓工藝設(shè)施的海洋平臺(tái)。

目前,國(guó)內(nèi)泄壓系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用的領(lǐng)域多限于依據(jù)國(guó)外工藝包設(shè)計(jì)的裝置,其設(shè)計(jì)要求也基本遵循以上標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范。國(guó)內(nèi)已等同采用API Standard 520-1993“Sizing,Selection and Installation of Pressure-relieving Devices Part Ⅰ—Sizing and Selection”、API Standard 520-1994“Sizing,Selection and Installation of Pressure-relieving Devices Part Ⅱ—Installation”和API Standard 521-1997“Pressure-relieving and Depressuring Systems”制訂了相關(guān)規(guī)范[20-21],促進(jìn)該技術(shù)的推廣應(yīng)用。

1.2泄壓工況和泄放速率

泄壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要考慮以下三種工況[3,5]：

1)正常泄放，即生產(chǎn)過程中,系統(tǒng)壓力達(dá)到BDV設(shè)定壓力時(shí)進(jìn)行的泄放。此時(shí)初始泄放溫度為設(shè)備的操作溫度。

2)冷泄放，即停產(chǎn)期間,系統(tǒng)溫度已經(jīng)降至環(huán)境溫度,由于設(shè)備維保等需要,對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行泄放。初始泄放溫度按最小環(huán)境溫度選取。

3)火災(zāi)工況，即設(shè)備內(nèi)液體吸收火災(zāi)產(chǎn)生的熱量而氣化。API Standard 521-2014[17]對(duì)分餾塔、聚集器、換熱器、冷凝器、加熱器等設(shè)備有效吸熱面積(即濕面積)的計(jì)算作出了具體規(guī)定。與安全閥泄放濕面積計(jì)算不同,泄壓系統(tǒng)的吸熱面積取設(shè)備濕面積及與其相連的管道的濕面積之和。初始泄放溫度為設(shè)備的操作溫度。

上述三種工況進(jìn)行壓力泄放時(shí),系統(tǒng)的進(jìn)出物流均通過切斷閥(SDV)全部關(guān)斷,液面高度按正常液位考慮,起始泄放壓力取BDV的設(shè)定壓力。泄放量滿足如下要求：1)正常泄放工況和冷泄放工況下,泄放量為系統(tǒng)壓力降低引起的氣相體積膨脹,以及壓力降低導(dǎo)致的液體閃蒸(此條件適用于系統(tǒng)內(nèi)液相操作溫度處于或接近于其飽和溫度的情況)；2)火災(zāi)工況下,泄放量除滿足上述要求外,還應(yīng)考慮外部火災(zāi)導(dǎo)致液相氣化產(chǎn)生的蒸氣量。在具體設(shè)計(jì)過程中,上述三種工況是否同時(shí)考慮依具體工藝過程確定。

一般而言,火災(zāi)工況的泄放速率大于非火災(zāi)工況的泄放速率,依據(jù)火災(zāi)工況的泄放速率確定閥門、孔板、上下游管線的尺寸；而非火災(zāi)工況是系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備、管件等出現(xiàn)低溫的情況,用于泄壓系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)設(shè)施的選材。

系統(tǒng)的壓力泄放是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程,其溫度、壓力、組成、泄放量、物性等參數(shù)都會(huì)隨泄放時(shí)間不斷變化。隨著工藝模擬軟件的廣泛應(yīng)用,Aspen Hysys等軟件不僅可以計(jì)算泄放速率隨時(shí)間的變化情況,而且還可以較為準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)參數(shù)隨泄放過程的變化情況。工程上[3,5,9]泄壓速率的計(jì)算也多通過軟件模擬得到。

1.3BDV的設(shè)計(jì)

BDV的設(shè)計(jì)主要包括閥門控制要求的確定、閥門類型的選擇以及閥門尺寸的計(jì)算等三部分。

1.3.1BDV的控制要求

BDV的啟動(dòng)：火災(zāi)工況下,現(xiàn)場(chǎng)的火氣探頭將檢測(cè)信號(hào)傳至中控,ESD/SIS系統(tǒng)啟動(dòng),BDV打開；設(shè)備內(nèi)壓力達(dá)到PAHH,BDV開啟泄壓；設(shè)備檢修時(shí),手動(dòng)打開BDV進(jìn)行系統(tǒng)泄壓。

S-DP-001-1996對(duì)BDV的開啟時(shí)間作出了如下要求：手動(dòng)控制的BDV應(yīng)該在檢測(cè)到初始火焰的3 min內(nèi)開啟；自動(dòng)泄放的減壓閥應(yīng)在檢測(cè)到火焰信號(hào)后立即開啟。國(guó)內(nèi)某加氫裂化裝置[8]閥門響應(yīng)時(shí)間要求10 s以內(nèi)。

BDV是選擇電動(dòng)閥還是氣動(dòng)閥尚無規(guī)范作出明確要求。如采用電力控制/驅(qū)動(dòng),火災(zāi)工況下,電纜可能被燒斷,造成閥門無法遠(yuǎn)程啟閉,氣動(dòng)閥耐火災(zāi)的能力更強(qiáng)。工程實(shí)踐中普遍采用氣動(dòng)控制。無論采用電動(dòng)閥還是氣動(dòng)閥,都應(yīng)考慮電源供電或儀表氣突然中斷的情況。如果情況發(fā)生,所有BDV同時(shí)泄放,瞬時(shí)泄放量必將超過火炬系統(tǒng)處理能力而引發(fā)新的事故。BDV的儀表風(fēng)管線或供電線路常以工藝單元或防火區(qū)為單位分開布置,同一工藝單元或防火分區(qū)內(nèi)的BDV同時(shí)泄放。火炬系統(tǒng)的處理能力應(yīng)至少滿足瞬時(shí)泄放速率最大的一個(gè)區(qū)的排放要求。

1.3.2閥門類型

閥門類型依據(jù)工藝或安全生產(chǎn)等因素的需要確定。在工藝裝置中,BDV有開關(guān)閥[3,8]和調(diào)節(jié)閥[10,13]兩種。

開關(guān)閥為通徑閥,泄壓時(shí)閥門打開,不泄壓或泄壓完畢時(shí)閥門關(guān)閉。閥門僅控制物流的通斷,流量控制通過下游孔板的限流作用實(shí)現(xiàn)。在工業(yè)生產(chǎn)中,BDV大多采用通徑閥,這與API Standard 521-2014[17]要求在 15 min 內(nèi)將系統(tǒng)操作壓力降至目標(biāo)值,盡快消除、減少事故隱患的設(shè)計(jì)理念有關(guān)。

對(duì)高壓加氫等工藝而言,在15 min內(nèi)將系統(tǒng)壓力降至目標(biāo)值,泄壓初期的瞬時(shí)流速較大,往往會(huì)帶來諸多不利,如對(duì)沸騰床反應(yīng)器而言,泄放速率過大可能造成催化劑流失、反應(yīng)器內(nèi)件受損等。此時(shí)可以選用調(diào)節(jié)閥對(duì)泄放速率加以控制：開始泄壓時(shí)調(diào)節(jié)閥開度較小,隨著系統(tǒng)壓力逐漸下降,調(diào)節(jié)閥開度也逐漸開大,整個(gè)泄壓過程基本保持同一泄放速率,實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)泄壓。

1.3.3閥門尺寸的計(jì)算

當(dāng)BDV選用調(diào)節(jié)閥時(shí),儀表專業(yè)依據(jù)工藝允許的最大泄放速率確定閥門尺寸。由于調(diào)節(jié)閥本身的阻力降較大,調(diào)節(jié)閥的選型應(yīng)與孔板(組)設(shè)計(jì)同時(shí)考慮。

1.4孔板(組)的計(jì)算

孔板相當(dāng)于固定開度的閥門,其價(jià)格便宜,廣泛應(yīng)用于對(duì)壓力和流量調(diào)節(jié)要求精度不高的場(chǎng)合,它也是泄壓系統(tǒng)的主要降壓設(shè)備。孔板設(shè)計(jì)包含孔徑、孔板厚度、孔板級(jí)數(shù)和孔板孔數(shù)四個(gè)方面。

1.4.1單板降壓

常用的單板降壓的孔徑計(jì)算方法有三種。

Gas Conditioning and Processing[24]提供的計(jì)算公式為：

(1)

式中：t為放空時(shí)間,s；B為系數(shù)0.09；V為系統(tǒng)容積,m3；Cd為閥門泄放系數(shù)0.85；Av為泄放閥泄放面積,m2；γ為氣體比重；Z為氣體壓縮因子；T為操作溫度,K；p1為泄放前壓力,kPa(a)；p2為泄放后壓力,kPa(a)。

田靜等人[14]利用式(1)計(jì)算的孔徑,對(duì)氮?dú)饽M的泄壓系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試。泄放時(shí)間基本滿足API 521-2014[17]的規(guī)定,即15 min內(nèi)系統(tǒng)壓力由9.4 MPa降到0.69 MPa,而且放空管線無明顯振動(dòng),實(shí)現(xiàn)了安全、平穩(wěn)放空。

由于溫度、氣體比重、氣體壓縮因子等參數(shù)隨泄放過程不斷變化,式(1)應(yīng)用于溫度和組成變化的系統(tǒng),如含有多組分的氣液平衡系統(tǒng)時(shí),可能存在一定誤差。如果上述參數(shù)能針對(duì)整個(gè)泄放過程取合適的平均數(shù),其計(jì)算精度將更高。

《煉油裝置工藝管線安裝設(shè)計(jì)手冊(cè)》[22]給出的計(jì)算公式為：

(2)

式中：q為流體的質(zhì)量流率,kg/h；α為流量系數(shù)；ε為膨脹系數(shù),對(duì)于液體及不可壓縮流體ε=1,其它流體查表；d為銳孔直徑,mm；ρ為流體比重,kg/m3；Δp為孔板前后的壓力降,kg/cm2

式(2)適用于臨界流和非臨界流的計(jì)算。李海潤(rùn)等人[6]以某氣田集氣站為例,利用式(1)和(2)分別進(jìn)行了計(jì)算,兩者得到的孔徑值較為接近。在某氣田項(xiàng)目中,黃翼翔等人[7]將按式(2)計(jì)算的結(jié)果與HYSYS V 7.2的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較：式(2)計(jì)算的孔板面積略小于HYSYS模擬計(jì)算的面積,但是存在線性相關(guān)性,同時(shí)作出了修正：dsim=1.11dcal+0.4。

在式(2)的基礎(chǔ)上,可以推導(dǎo)出式(3)[25]：

(3)

式中：d0為限流孔板孔徑,mm；G為氣體質(zhì)量流量,kg/h；φ為流量系數(shù)；p1為孔板前壓力,kPa；ρ1為孔板前氣體密度,kg/m3。

相關(guān)文獻(xiàn)[26]不僅給出了具體的推導(dǎo)過程,而且提出了利用絕熱指數(shù)計(jì)算流量系數(shù)φ的方法,使式(3)的應(yīng)用范圍拓展到多原子烴類氣體。

(4)

式中：K為氣體的絕熱系數(shù)。

1.4.2孔板組降壓

HG/T 20570.15-1995提供的氣體、蒸氣單孔孔板計(jì)算公式如下：

(5)

式中：W為流體的質(zhì)量流量,kg/h；C為孔板流量系數(shù)(查圖)；d0為孔板直徑,m；Z為氣體壓縮因子；p1為孔板前壓力，Pa；p2為孔板后壓力或臨界限流壓力(取較大值),Pa；M為分子量；T為孔板前流體溫度,K；k為絕熱指數(shù),Cp/Cv；Cp為流體定壓熱熔,kJ/(kg·K)；Cv為流體定容熱熔,kJ/(kg·K)。

該規(guī)范作出此要求的核心要義是利用限流孔板的降壓作用,而非限流作用。黃顯德等人[4]在進(jìn)行三相分離器減壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí),選用了孔板組進(jìn)行減壓。

筆者認(rèn)為,如果不考慮經(jīng)濟(jì)因素,并且安裝空間允許,利用孔板組降壓并無不可。

1.5泄壓系統(tǒng)管徑的確定

對(duì)通徑閥,孔板上游管線尺寸參照通徑閥門尺寸計(jì)算方法確定。孔板下游管線的尺寸應(yīng)保證下游流體馬赫數(shù)小于0.7[18],同時(shí)滿足ρv2<150 000 Pa[3]。

1.6是否選用低溫材料的評(píng)估

壓力降低時(shí),許多輕烴類的飽和溫度都會(huì)降低。泄壓設(shè)備或管道材料的操作溫度低于其最低允許使用溫度時(shí),可能發(fā)生脆性損毀或永久破壞。如果這種破壞伴隨著火災(zāi)工況,后果將不堪設(shè)想。因此,泄壓系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備、閥門、孔板、管件等選材必須滿足泄放過程可能產(chǎn)生的低溫要求。

河吉先[27]建議,在液化烴儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)過程中,其設(shè)計(jì)溫度在歷年最低月平均氣溫下,考慮進(jìn)料閃蒸、非正常物料排放、法蘭泄漏等非正常操作條件可能出現(xiàn)的低溫工況。

另外,設(shè)計(jì)人員應(yīng)嚴(yán)格區(qū)分罐體的最低溫度和孔板后管線的最低溫度這兩個(gè)概念。孔板后管線的最低溫度比罐體的最低溫度要低得多。工程上,為減小因孔板處壓力突降引起的溫度降低對(duì)設(shè)備、BDV選材的影響,BDV與孔板之間往往留有500 mm的間距。

2　結(jié)論

近年來,針對(duì)化工、石化行業(yè)事故多發(fā)的狀況,安全生產(chǎn)主管部門下發(fā)了多個(gè)指導(dǎo)文件。泄壓系統(tǒng)投資小,技術(shù)難度不大,當(dāng)油氣加工過程或儲(chǔ)運(yùn)設(shè)施突發(fā)泄漏或火災(zāi)時(shí),泄壓系統(tǒng)通過主動(dòng)泄壓,不僅能控制因物料肆意泄漏引發(fā)的毒氣蔓延,減少物料向火中的投放,使火情迅速得到有效控制,而且能在15 min內(nèi)將系統(tǒng)壓力降至安全范圍,減輕和防止爆炸事故的發(fā)生,將損失降到最低限度。泄壓系統(tǒng)在油氣加工、化工、石化等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用對(duì)減少安全事故發(fā)生、降低事故危害具有重要意義。

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2015-12-01

國(guó)家發(fā)展改革委海洋工程裝備研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化專項(xiàng)“新型立柱式生產(chǎn)平臺(tái)(SPAR)研發(fā)”(發(fā)改辦高技[2015]1409號(hào))

劉玉強(qiáng)(1980-)，男，河北保定人，工程師，碩士，主要從事油氣田、LNG及煉油裝置工藝設(shè)計(jì)和管理工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.02.007