壓力泄放系統在油氣處理中的應用研究

周健德,韓雪,呂長劍,汪進

(中海油石化工程有限公司,山東 青島 266000)

在油氣處理過程中,安全閥不具備降壓功能,它只能在緊急情況下將壓力控制在設定值之下,所以不能降低設備和管道的應力,防止局部破裂。然而,快速有效地緊急泄壓可降低容器的泄漏率,減少容器中介質的存量,從而減輕因容器故障和失效導致的危害。同時,緊急泄壓可降低火災的持續時間和嚴重程度,防止容器和管道破裂,從而減少對人的風險,限制對環境造成的損害。相關標準[1-4]針對緊急泄放過程做出了規定,但并未做出詳細說明。本文以相關文獻[5-11]和工程實踐為基礎,對泄放過程的主要關注點、計算原理及應用分析做出更為深入的研究。

1 泄放過程設計要點

1.1 泄壓系統的啟動方式

泄壓系統的啟動方式是決定泄壓效果的關鍵因素。泄壓系統可以由操作人員手動啟動,也可以由過程儀表、ESD、SIS、F&G檢測系統的信號等自動啟動。火災泄放時一般推薦采用自動泄壓,主要考慮到自動泄壓可以減少泄壓時間,減少被動防火措施的采用。

在一些情況下,為避免虛假啟動泄壓功能,需采用延遲泄放,以允許操作人員干預。如果使用手動或延時泄壓,工藝設計時應考慮縮短泄壓時間以滿足泄壓要求(尤其是火災工況)。

工藝設計時,應保證在開啟泄壓閥之前要有足夠的時間讓該壓力系統進出口的隔斷閥關閉,將超壓系統隔離。

1.2 泄壓產生的低溫

由于焦耳-湯姆森效應,隨著壓力的降低,介質可能會冷卻至低溫,因此工藝設計時需考慮低溫可能發生在泄壓孔板的上下游。在這種情形下,管線、孔板及閥門材質的選擇要滿足上述低溫的要求。

泄放過程中低溫的形成與泄放前介質的狀態(溫度、壓力)、組成、泄放過程的速率、傳熱、被保護系統中介質的存量有關,相對精確的泄放后介質溫度可通過HYSYS動態模擬計算得到。

1.3 泄放系統設置原則

API Standard 521—2020(Pressure-relieving and Depressuring Systems)[1]:常見的應用是壓縮機系統在火災、泄漏或密封失效情形下的泄壓。另一個應用是火災情況下的緊急減壓,通常適用于在1 700 kPa或更高表壓下運行的大型工藝設備。此外,該標準說明可根據具體情況和用戶定義的要求使用上述以外的泄壓標準。

Norsok Standard S-001-2008(Technical Safety)[2]:(1)在緊急切斷時,被切斷的壓力體系內存有大于1.0 t的碳氫化合物(液體和/或氣體),則該壓力體系應配備泄壓系統。(2)對于沒有設置泄壓系統的含有氣體或不穩定油且氣油比高的壓力體系,體系內的最大容量應遠遠低于1.0 t。(3)此外,泄壓閥的設置還應考慮壓力系統的位置(封閉或開放區域)、暴露于火災的風險、破裂的后果等因素。

ISO 13702—2015(Petroleum and natural gas industries-Control and mitigation of fires and explosions on offshore production installations-Requirements and guidelines)[3]:對于加壓的烴類系統,應考慮緊急泄壓系統,以便在緊急情況下處理加壓系統中的氣體,以減少事件的持續時間、釋放的物質數量或火災中壓力容器失效的可能性。

中國海洋石油集團有限公司等已按照API PR 521—1997制定了SY/T 10043—2002[4](泄壓和減壓系統指南),該標準的制定有力地推動了壓力泄放系統在油氣處理等相關行業的應用。

目前,國內外的設計項目大多執行API Standard 521(Pressure-relieving and Depressuring Systems)中的相關規定。

1.4 其他因素

1.4.1 泄壓閥的故障狀態

為了最大限度地提高泄壓閥的有效性,泄壓閥門應選擇故障開啟或故障保位狀態,并配備備用氣源(或電源)和防火措施,具體故障狀態的選擇應考慮實際的工藝需求。

1.4.2 泄放量對火炬管網的影響

在儀器風失效的情況下,若廠區內存在多個失效開啟的泄壓閥,其泄放量可能超過火炬管網的處理量。此時,一方面可考慮設置備用儀表風供應系統;另一方面可安裝就地儀表風緩沖罐來延遲泄壓閥門的打開從而減輕儀表風失效帶來的影響。多個失效開啟的泄壓閥使用延遲泄放時,應考慮通過錯峰排放以確保泄放量不超過火炬容量。

1.4.3 泄壓閥的保護措施

假定在緊急情況下持續降壓,泄壓閥在緊急情況持續期間應保持可操作狀態或保持故障全開狀態。否則,需要考慮控制信號和閥門執行器的防火措施或其他保護措施(例如,將閥門、閥門執行器和控制信號置于在火災區域之外),以確保閥門在火災期間的可操作性。對于手動泄壓按鈕,應設有保護措施(如防護罩)以防止誤操作。

2 泄放計算原理及方法

2.1 火災工況

在火災中,為了降低被保護系統的內部壓力,氣體的泄放速率應包括下述因素:

(1)因壓力下降引起系統內液體閃蒸產生的蒸汽量; (2)因外部火焰加熱使得系統內液體蒸發產生的蒸汽量;(3)因壓力下降引起的系統內氣體的膨脹。

當泄壓系統的設置是為了保護暴露于火災中的容器時,蒸汽泄壓系統應具有足夠的能力將容器的應力降低到應力允許值以內。根據API Standard 521—2020[1],對于池火災,要求在15 min內將系統的壓力從初始狀態降低到設計壓力的50%。需要注意的是,對于池火災,要求在15 min內將系統的壓力從初始狀態降低到設計壓力的50%,這是基于壁厚約25.4 mm的碳鋼容器的壁溫與破裂應力之間的關系而得到的,對于其他壁厚和金屬的情況,可參照相關文獻進行計算[1]。

當泄壓系統的設置是為了減輕因容器泄漏或故障造成的危害時,根據API Standard 521—2020[1],通常要求需在15 min內將系統的壓力降壓至690 kPa (表壓)。

2.2 絕熱工況

絕熱工況[8-12]包含正常泄放和冷態泄放,正常泄放與冷態泄放的區別在于初始泄放溫度不同。正常泄放的初始泄放溫度為系統正常操作溫度(如生產中因非火災因素導致的超壓泄放;計劃停產等);冷態泄放的初始溫度為環境最低溫度(如井噴事故時的壓力泄放;停工維護設備時系統冷卻至環境溫度后的壓力泄放等)。

在絕熱工況時,泄放量需包含下述因素:(1)因壓力下降導致系統內液體閃蒸從而產生的蒸汽量;(2)因壓力下降導致的系統內氣體膨脹。

當泄壓系統的設置是為了減輕容器因泄漏或故障造成的后果時,根據API Standard 521—2020[1],通常要去需在15 min內將系統的壓力降至690 kPa (表壓)。

當泄壓系統的設置是為了保護壓縮機時,通常需要在幾分鐘內進行泄壓以緩解密封失效造成的后果。然而,過快的泄放速率可能會損壞壓縮機的密封件,因此特定壓縮機體系的泄壓速率應與生產廠家確定[1]。

3 壓力泄放案例分析

以某油田進站預分離器為例進行計算,流程示意詳見圖1。

圖1 預分離系統示意圖

入口進料組成:n(H2O)=0.50;n(H2S)=0.005;n(CO2)=0.01;n(Methane)=0.23;n(Ethane)=0.04;n(Propane)=0.03;n(i-Butane)=0.01;n(n-Butane)=0.02;n(i-Pentane)=0.01;n(n-Pentane)=0.01;n(n-Hexane)=0.01;n(n-Heptane)=0.01;n(n-Octane)=0.01;n(n-Nonane)=0.01;n(n-Decane)=0.01;n(C11～C20)=0.085。

預分離器尺寸:4 m×26 m;預分離器的操作條件:壓力:4.5 MPa,溫度:42 ℃,正常液位:1.3 m;

泄放初始壓力:4.7 MPa;火災泄放和正常泄放時間:15 min;冷態泄放時間:30 min;火災泄放和正常泄放最終泄放壓力:690 kPa;冷態泄放最終泄放壓力:300 kPa;火炬背壓:300 kPa;

火災工況輸入參數:吸熱方程選擇API 521操作模型,Q=C1C3[Wetted Area]C2,其中C1=21 000,C2=0.82,C3=1;熱損失方程選擇None;

蒸汽流動方程選擇General,閥門流量系數為0.85;PV屬性:0.70;循環效率:100%。

經HYSYS動態模擬,三種泄壓工況在泄放前后溫度和壓力隨時間的變化如圖2～4 所示,三種泄壓工況的計算結果對比如表1所示。

表1 火災泄放、正常泄放和冷態泄放模擬結果對比

圖2 火災泄放工況HYSYS動態模擬結果圖

圖3 正常泄放工況HYSYS動態模擬結果圖

圖4 冷態泄放工況HYSYS動態模擬結果圖

從上圖可以看出,(1)不同工況時系統壓力隨泄放的進行迅速降低,泄放閥后的溫度隨泄放時間增加而升高。(2)火災工況泄放時,系統溫度隨時間呈現先降低后增加的趨勢。這主要是因為泄壓初期系統中含有大量的輕組分,系統內液體閃蒸和氣體膨脹導致的溫度下降效應大于系統從外界吸收熱量導致的溫度上升效應,呈現宏觀的溫度降低;隨著泄放的進行,系統內液體閃蒸和氣體膨脹導致的溫度下降效應小于系統從外界吸收熱量導致的溫度上升,呈現宏觀的溫度上升。(3)在絕熱工況泄放時,系統溫度隨時間增加而降低,這是因壓力下降引起系統內液體閃蒸和氣體的膨脹導致溫度下降。

從上表可以發現,(1)火災泄放的瞬時峰值泄放量較其他方式的泄放量大,因此火災泄放決定泄壓設施的大小;(2)冷態泄放的閥后最低溫度和系統內最低溫度較其他工況更低,可能需要考慮選擇適合的低溫材料。

4 結論

壓力泄放系統在降低因超壓引起的意外事故概率、減少潛在風險、降低事故危害程度等方面具有重要的作用,明確泄放過程中工藝設計的主要關注點、計算原理及方法對生產和操作人員的安全具有重要的意義。