多組分液體容器安全閥火災工況下泄放量的計算

高 桐，王增輝

(中海油石化工程有限公司,山東 青島 266101)

化工系統有裝置操作壓力高，化工物料可燃易爆的特點。從工廠設備中滲漏出來的可燃物質一旦遇到明火就很容易引起火災。而在火災中釋放的熱量會以輻射或者直接傳熱的形式被容器吸收，容器和管道內的物料很容易因為吸熱而體積增大，使系統發生超壓，產生爆炸事故[1-2]。為了避免超壓事故，在設計盛放液體的容器的安全閥時，要根據容器內氣化產生量來計算容器安全閥的泄放量。在API-520，API-521中規定[3-4]，對于沒有足夠消防保護措施和有能及時排走地上泄露的物料時，容器的泄放量為：

(1)

式中：W—容器的泄放量，kg/kg；

Ht—釋放壓力和溫度下的混合物中的氣化潛熱，kJ/kg；

F—環境系數；

A—總濕潤面積，m2。

火災工況下安全閥的計算中，如果容器內存儲的是多組分液體，則計算較為復雜。這是因為多組分液體容器安全閥的泄放過程是一個寬沸點油品蒸餾的過程。初餾點和終餾點分別近似于最輕和最重組分在泄放壓力下的沸點。在整個過程中，氣相組分，液相組分，物料溫度和氣化潛熱都隨著時間變化，無法選取最合適的氣化潛熱[5]。除此之外，容器的吸熱量不僅用于蒸發液體，也用于使容器內液相的升溫和克服混合效應。氣體泄放的最大量不僅取決于吸熱率，也取決于容器內各種組分的實際組成。

為了更準確的計算火災工況下多組分液體容器的安全閥泄放，本文推薦兩種計算方法。

1 計算方法

1.1 通過多級閃蒸模擬安全閥泄放

針對多組分混合物壓力容器，文獻[6]介紹了一種多級連續閃蒸方法計算火災工況下安全閥的泄放量。這種方法將連續閃蒸過程拆分為多級閃蒸，將每一級的熱吸收量與產生的氣體量的比值作為這一級產生氣體的氣化潛熱。由于工程設計中對于窄餾分，可以近似認為液相溫度無變化，忽略混合效應。因此對于每一級閃蒸，計算所得的氣化潛熱都是比較準確的。該方法在國外工程公司廣泛使用[6]。

1.2 引入時間變量的動態模型

容器的總熱吸收不僅引起汽化，而且提高了容器中殘留液的溫度，使其保持在沸點溫度。在這個過程中，還會有溶解的蒸汽受熱后從液體中釋放出來，由于這個過程屬于分離或者脫氣過程，將這部分熱量計入潛熱效應是不合理的。因此，對于這些或其他有著寬沸點范圍的多元混合物，建立一與時間有關的模型可以增加計算最大泄放量的準確性[5,7]。

2 復雜組成緩沖罐的安全閥計算

為了能夠比較兩種方法的計算，現選用某存放復雜組成物流的緩沖罐進行安全閥設計，緩沖罐為立式容器，高度為6200 mm,直徑為2400 mm,高高液位為4500 mm。該容器在工作中處于沒有保溫，周圍也沒有噴淋與防火設施的環境中。為了能更深入的分析兩種計算方法，本文設計兩種物料，對不同組成立式罐(表1)的情況進行安全閥火災工況的泄放模擬。

表1 立式緩沖罐組成

2.1 通過選擇合適的汽化潛熱修正計算過程

通過HYSYS軟件來模擬該混合物在釋放壓力下的多級閃蒸，在釋放壓力下進行閃蒸，每一級都要吸收足夠的熱量以確保可以蒸出同樣的氣相量，直至蒸干。

圖1 多級閃蒸模擬模型

從模擬中得到的氣化潛熱結果如表2、3。

表2 工況一多級閃蒸法計算結果

表3 工況二多級閃蒸法計算結果

對于工況一，整個蒸發過程吸熱量逐漸升高，蒸發焓也呈現出逐步升高的結果，但在最后一級蒸發時突然降低。這是由于罐內的重組分集中留在最后一級蒸發。虛擬參數A0的最大值出現在第一級蒸發時，因此，選擇氣化溫度為108.4℃時的蒸發焓作為計算基準，得到的泄放量為22441 kg/h。

對于工況二，整個蒸發過程的吸熱量逐級降低，蒸發焓也逐級降低，虛擬參數A0的最大值出現在最后一級蒸發時。因此，選擇氣化溫度為222℃時的蒸發焓作為計算基準,得到的泄放量為22030 kg/h。

2.2 采用HYSYS動態模擬計算安全閥泄放量

圖2 動態模擬模型

使用HYSYS軟件可以對這個過程進行相對準確的動態模擬，其模型見圖2。首先需要模擬容器在正常運行時的狀態。在靜態模擬模式下建立氣液分離罐模型，在液相物流設置調節閥VLV-100及液位控制，設置罐的體積參數與液位控制值，在動態模擬模式下將罐充至正常條件下的運行液位。

將罐的進料與液相出料流量調至0，增加熱量輸入，輸入值按照API520的規定設定為罐濕潤面積的函數。為氣相物流設置壓力控制，目標值設定為火炬總管的定壓，運行模型至罐內壓力達到設定值。

火災工況下，容器內壓力和泄放量隨著時間的變化如圖3、4所示。

在達到定壓之前，緩沖罐內的物料中較輕的組分會隨著熱量輸入而不斷蒸發，容器內壓力逐漸上升。在達到泄放壓力時，安全閥開始泄放。在工況一中，容器安全閥在達到定壓時開始泄放，泄放量一開始達到最大，隨后逐漸降低。在工況二中，容器內壓力上升緩慢，但維持上升趨勢。但隨著溫度升高，容器內重組分開始蒸發，泄放量達到一個新的峰值，最后穩定下降。由模擬結果可知，兩個安全閥的最大泄放量分別是在23089和13003 kg/h。其中，工況一的動態模擬結果和采用多級閃蒸模擬得到結果接近，而工況二的計算值要顯著低于采過多級閃蒸模擬得到的結果。這是因為在罐內液體逐級受熱汽化的過程中，罐體的濕潤面積在不斷減小，吸熱效率不斷降低。而采用靜態模擬無法表征濕潤的面積變化。

由結果可知，對于輕組分含量較高，泄放量在安全閥開啟時達到最大的安全閥，兩種計算方法得到的結論較為相似。而對于重組分含量高，或者餾程范圍較寬的餾分，多級閃蒸模擬雖然可以找到最小蒸發焓，卻無法表征此時的濕潤面積，這種情況下，采用動態模擬才可以得到最準確的結果。

圖3 工況一泄放過程中容器壓力和安全閥泄放量的變化 圖4 工況二泄放過程中容器壓力和安全閥泄放量的變化

3 結論

本文通過采用采用HYSYS軟件靜態模擬下的多級閃蒸和動態模擬下的簡單分離罐對火災工況下安全閥泄放的過程進行了模擬和計算。其中，采用多級閃蒸模擬法在國外工程公司廣泛應用，計算得到的結果也比較可靠保守。動態模擬法能夠最大程度模擬真實情況下安全閥的泄放，相較于其他方法準確性更高。

參考文獻

[1]任美鳳,卞潮淵,楊 健. 火災工況壓力容器安全泄放量計算公式的探討[J]. 化工設計,2006,16(1):47-49.

[2]張德姜,王懷義,丘 平. 石油化工裝置工藝管道安裝設計手冊:設計與計算[M]. 北京:中國石化出版社,2014.

[3]中國海洋石油總公司.SY/T 10043-2002 泄壓和減壓系統指南[S].北京: 石油工業出版社,2002.

[4]中國海洋石油總公司.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,2002.

[5]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):46-48.

[6]羅 娜. 多組分液體容器安全閥外部火災工況下釋放量的計算[J]. 化工設計,2014(2):8-11.

[7]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.