安全閥動態泄放下火炬模擬研究

王 濤 戴 磊 孫為志 周 鵬

海洋石油工程股份有限公司設計院, 天津 300452

0 前言

安全閥作為石油化工設備最后一級安全保護設施,需要根據工藝降壓泄放所需流量,選擇合適的安全閥規格,以及進行火炬系統的計算和模擬。泄放量的確定需要對各種事故工況進行逐一分析,海洋石油平臺常見的事故工況包括堵塞、控制閥失效、換熱器故障和外部火災等[1-3]。火災事故可能包括多個壓力安全閥或者多個緊急泄壓閥的泄放,而堵塞、控制閥失效、換熱器故障工況通常只引起單個安全閥的泄放。對于單個壓力安全閥的工況,一般情況下使用必需泄放量進行火炬系統的設計[1-2]。但存在實際泄放閥選閥尺寸可能高于所需尺寸,實際泄放量遠大于必需泄放量的情況。例如,絕大部分的彈簧式安全閥在設定壓力下會泄放出其額定泄放量50%甚至超過額定流量[1],因此,初始泄放量會大于必需泄放量,此時需要額定泄放量作為火炬系統設計的上限負荷量進行校核[1],但選用額定泄放量進行火炬計算,會導致火炬系統設計負荷過大,火炬臂長度增加。近年來,已有工程設計人員采用HYSYS[4-12]動態模擬研究安全閥的泄放量,但都是基于單個容器火災工況進行模擬計算。本文通過建立全平臺動態模擬,得到超壓安全保護系統作用下安全閥的動態泄放數據,結合火炬熱輻射模擬專業軟件Flaresim[13-17]的動態計算功能,計算得到火炬泄放和熱輻射的動態模擬數據,來分析實際泄放過程中火炬熱輻射的變化趨勢,用于火炬系統精確定尺計算。

1 項目概況

以某海上采油平臺為例進行火炬動態模擬研究，工藝流程見圖1。其主要流程如下:井口產出物經井下關斷閥、主閥、翼閥,油嘴,進入生產/測試管匯,油嘴前操作壓力為13.6 MPa,經油嘴降低為5.6 MPa,需要單井計量的物流進入測試管匯進行單井計量,其他井生產物流進入生產管匯,最后匯合經海管外輸至中心處理平臺。系統采用降壓設計,在XV關斷閥后系統設計壓力降低為7 MPa,為保護下游系統設置堵塞工況安全閥。根據平臺事故工況逐一分析,確定外輸管線出口堵塞工況下流量為火炬系統最大設計泄放量。

圖1 工藝流程圖Fig.1 The Process Flow Diagram

火炬系統的模擬主要分析火炬燃燒產生的熱輻射對平臺人員的影響,標準API 521[1]規定了不同的熱輻射強度下允許的人員暴露時間,在該時間內人員應躲避到熱輻射低于 1.58 kW/m2的區域或者在該區域設置遮擋物以降低熱輻射值，不同的熱輻射強度下人員允許暴露時間見表1。發生緊急事故后操作人員一般需要3～10 min[1]的時間進行系統關停,所以火炬模擬計算中熱輻射強度一般選用4.7 kW/m2,高于該值需要根據表1的暴露時間進行精確分析。

表1 不同熱輻射強度下的暴露時間表

Tab.1 The allowable duration of different thermal radiation

熱輻射/(kW·m-2)7.9～9.57.1～7.96.3～7.15.5～6.34.7～5.51.58～4.7躲避時間/s6153060120>180

2 安全閥動態泄放模擬

2.1 HYSYS動態模擬建立

首先根據工藝流程建立穩態模擬,然后切換到動態模式輸入所需的管線、閥門、油嘴等參數,其中管線規格及布置根據3D模型抽取,動態模擬輸入數據見表2；安全閥堵塞工況的發生采用關閉海管入口關斷閥模擬實現,HYSYS動態模擬流程見圖2。模擬工況為外輸海管下游發生堵塞,引起外輸管線超壓,達到高高關斷壓力觸發單井緊急關停,單井的主閥、翼閥、油嘴隨之執行關閥操作,根據已有文獻關于井口超壓保護系統的失效分析,考慮1口井存在關閥失效的工況[19-20],根據單井產量62 600 kg/h,確定必需泄放量,所選安全閥尺寸為3L4,額定泄放量為86 648 kg/h。必需泄放量和額定泄放量對火炬系統的定尺計算影響見表3。

表2 動態模擬輸入數據表

Tab.2 Dynamic simulation input data

井數/口單井產量/(kg·h-1)主閥/翼閥關閉時間/s油嘴Cv值油嘴關閉時間/s海管關斷閥關閉時間/s油嘴前溫度/℃外輸壓力/MPa462 600101401418715.6

圖2 HYSYS動態模擬流程圖Fig.2 HYSYS dynamic simulation flow diagram

表3 必需泄放量和額定泄放量對火炬系統的影響表

Tab.3 The influences of required relieving capacity and rated relieving capacity

泄放量/(kg·h-1)火炬管線/mm火炬分液罐/m火炬臂長度/m62 600(必需泄放量)DN 3002(I.D)×4(T/T)4286 648(額定泄放量)DN 3002.2(I.D)×4.8(T/T)54

2.2 模擬結果分析

圖3給出了海管關斷閥開始關閥到安全閥泄放穩定的整個動態變化過程,反映出外輸管線操作壓力、安全閥開度、泄放量隨時間的變化過程,同時也跟蹤了主閥、翼閥、油嘴的關閥過程對工藝系統的影響,由圖3看出:

1)150 s海管關斷閥開始執行關閥操作,168 s關斷閥完全關上,壓力達到高高關斷壓力6 300 kPa時,主閥、翼閥、油嘴開始執行關閥操作。

2)安全閥從168 s開始逐漸打開,到170 s壓力達到7 700 kPa(安全閥設定點的1.1倍)時,安全閥達到全開狀態,全開時泄放量達到額定泄放量86 648 kg/h。

3)因主閥、翼閥、油嘴分別有10、10、14 s的關閥時間,在關閥過程中井口高壓物流會持續進入外輸管線,因此在170 s安全閥全開后,管線操作壓力會持續上升,安全閥前后壓差持續升高,泄放量也隨之上升,在176 s達到峰值,峰值泄放量為100 300 kg/h。

4)178 s時主閥、翼閥全部關上,182 s時油嘴完全關上,因油嘴閥門的特性在閥門完全關閉后會保持在5%開度,之后壓力逐漸穩定在7 500 kPa左右,泄放量穩定在62 600 kg/h。

圖3 HYSYS動態模擬結果曲線圖Fig.3 The simulation result of HYSYS dynamic

3 火炬Flaresim模擬

Flaresim模擬需要輸入氣體組分、環境風速、火炬臂長度、火炬頭尺寸及動態泄放量、感受點坐標。計算方法選擇dynamic計算模式,氣體組分及動態泄放量由動態模擬讀出,環境風速考慮3個最高頻率風速2、5、9 m/s,火炬臂長度及尺寸根據表3輸入,感受點選取熱輻射強度相對較高的三處:平臺甲板邊緣(A)、吊機操作室(B)、電器操作間(C),坐標依據設備布置總圖讀出,高度上考慮增加人員操作站立高度2 m。

3.1 熱輻射模擬計算

使用集成混合源[13,18](Mixed)方法計算熱輻射強度,該方法結合了點源(Point)和擴散(Diffuse)方法,遠、近距離區域的輻射模擬都比較精確[18]。

(1)

式中:a為經驗常數;D為從火炬中心或點源至感受點之間的最小距離,m;F為熱輻射系數;Q為釋放熱量(低熱值),kW;K為允許的熱輻射,kW/m2；L為火焰長度，m;β為火焰切線方向與火焰和感受點連線方向之間夾角。

3.2 熱輻射模擬結果分析

3.2.1 風速的影響

熱輻射強度計算受環境風速[14]的影響,根據環境3個最高頻率風速2、5、9 m/s,在火炬臂42 m下,進行模擬分析見圖4,從圖4看出在固定風速下,熱輻射強度變化與泄放量變化趨勢相同,在168 s前安全閥未開啟時,各感受點熱輻射強度為1 kW/m2,為太陽熱輻射強度,此后熱輻射強度出現高峰值區域,在205 s后泄放量穩定,熱輻射強度也趨于穩定。在不同風速下,熱輻射強度隨風速的增大而增大,在相同風速下,感受點處的熱輻射強度(A)>(C)>(B),因此9 m/s風速和平臺甲板邊緣成為火炬臂長度計算的限制條件。

圖4 不同風速下熱輻射模擬結果曲線圖Fig.4 The thermal radiation result at different wind speeds

3.2.2 火炬臂長度敏感性分析

在最惡劣風速9 m/s下,不同火炬臂長度54、42 m下對應熱輻射強度見圖5～6。從圖5～6可以看出，火炬臂在54 m下任意感受點在泄放過程中的熱輻射強度均不超過4.7 kW/m2,205 s后熱輻射強度趨于穩定后,最大熱輻射點(A)熱輻射強度穩定為3.6 kW/m2,操作人員有充足時間躲避到安全區域,火炬臂54 m較為保守。

火炬臂42 m下熱輻射強度變化趨勢與火炬臂54 m相同,只是感受點處的熱輻射強度均有不同程度增加,且平臺甲(A)和(C)的感受點均存在熱輻射強度超過4.7 kW/m2的高峰值區域,最大熱輻射強度可達6.2 kW/m2,205 s后熱輻射趨于穩定,平臺甲板邊緣熱輻射強度穩定在4.7 kW/m2。對于超過4.7 kW/m2的高峰值區域,由圖6可看出，泄放量在175 s時達到高峰值,A、B、C處的熱輻射強度高峰值分別為6.2、3.8、5.3 kW/m2,其中A、C點均超過4.7 kW/m2,從168 s泄放開始到205 s泄放穩定持續時間為37 s,該高峰值持續時間小于表1規定的5.5～6.3 kW/m2下60 s和4.7～5.5 kW/m2下120 s的允許暴露時間,所以火炬臂42 m也可滿足人員安全暴露時間的要求。

圖5 火炬臂長54 m下熱輻射強度模擬結果曲線圖Fig.5 The thermal radiation result at flare stack length 54 m

圖6 火炬臂長42 m下熱輻射強度模擬結果曲線圖Fig.6 The thermal radiation result at flare stack length 42 m

4 結論

通過HYSYS動態模擬,得到了在海洋平臺堵塞工況下,基于超壓安全保護系統作用的全平臺動態數據,結合Flaresim動態計算功能,得到火炬熱輻射強度動態模擬結果,發現:

1)在實際泄放中,由于安全閥額定尺寸大于所需尺寸和主閥/翼閥關閥存在滯后性,導致安全閥泄放過程中會出現超過必需泄放量的峰值區域。

2)火炬臂長度敏感性分析得出,基于額定泄放量下的火炬臂長度過于保守,必需泄放量下的火炬臂長度,雖然熱輻射會出現超過4.7 kW/m2的峰值區域,但持續時間小于規范躲避時間,滿足人員安全撤離需求,證明基于必需泄放量下的火炬長度滿足火炬安全泄放要求。

3)HYSYS動態模擬和Flaresim動態計算相結合,進行火炬熱輻射精確分析計算,可以縮減火炬系統設備尺寸,達到降低平臺重量和減少偏心的效果。在某海上采油平臺使用該方法減少火炬臂長度12 m,降低火炬分液罐尺寸約10%,減少鋼材用量約25 t,直接成本節省50余萬元,經濟效益顯著。