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压力容器火灾工况安全泄放质量流量的动态研究

文档作者：杨天宇朱海山郝蕴崔月红钱慧增文档来源：中海油研究总院		点击数：	更新时间： 2021年07月25日
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208
石油与天然气化工
CHEMICAL ENGINEERING OF OIL &amp;amp; GAS
压力容器火灾工况安全泄放质量流量的动态研究
杨天宇 朱海山 郝 蕴 崔月红 钱慧增
(中海油研究总院)
摘 要 以某气田段塞流捕集器为例，使用HYSYS动态模拟建立了压力容器包含关断逻辑
的全动态生产模型，使用该模型对不同初始压力和液位下段塞流捕集器火灾工况的泄放过程进行
了分析和研究。结果表明，初始条件对段塞流捕集器的最大安全泄放质量流量有明显影响，在计算
最大安全泄放质量流量时，应充分考虑初始条件的影响，为安全阀的计算和选型提供正确的基础参
数。
关键词 压力容器 火灾工况 安全阀泄放质量流量 动态模拟
中图分类号：TE687 文献标志码：A DOI：10．3969／i．issn．1007—3426．2014．02．022
Dynamic simulation of fire relief rate of PSV on pressure vessel
Yang Tianyu，Zhu Haishan，Hao Yun，Cui Yuehong，Qian Huizeng
(CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China)
Abstract：A full dynamic production model of pressure vessel was developed using HYSYS
Dynamics by taking a gas field slug catcher as an example．The PSV relieving of slug catcher
with different initial pressure and liquid level on externa1 pool fire scenario was studied by the dy—
namic mode1．The results showed that initial conditions affected the PSV relief rate significantly．
The affection of initial conditions should be considered sufficiently when calculating the maximum
PSV relief rate，SO as to provide correct basic parameter in PSV sizing and selecting．
Key words：pressure vessel，fire case，PSV relief rate，dynamic simulation
安全阀作为压力容器的主要泄压装置，其泄放
能力的计算是海上平台工艺设计的重点和难点。目
前，国内在对海上平台工艺设备的泄压和减压分析
时，通常采用美国石油学会的标准API STD 521
《泄压和减压系统》_1]，但是该标准在计算各事故工
况安全泄放质量流量时，仅是基于压力容器在正常
操作设定点下的稳态计算，而在实际生产中，压力容
器的各参数是在其关断控制点范围内动态变化的，
发生事故时容器的实际操作条件往往与正常操作设
定点存在较大偏离。
动态仿真模拟技术的开发始于20世纪70年
代，因其可在严格物性及热力学计算的基础上获得
体系的动态特征，能够更为方便、准确、快速、直观地
分析研究体系各参数随时间的变化情况，在国外越
来越受到石油石化领域工程设计与开发人员的重
视，已成为进行事故工况分析与火炬系统研究的重
要手段[2]。近年来，在国内也陆续有文献『3 报道使
用动态模拟研究事故工况下安全阀的泄放质量流
量，但都仅是在正常操作条件下，容器发生事故被隔
离后的安全阀泄放过程进行动态模拟。本文使用
作者简介：杨天宇(1978一)，女，北京市人，2008年毕业于天津大学化工学院，获博士学位，工程师，现就职于中海油研究
总院，主要从事油气处理与加工方面的研究设计工作。地址：(1。0O27)北京市东城区东直门外小街6号海油大厦1006室
。电
话：010—84523250。E—mail：yangty@cnooc．corn．cn
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第43卷 第2期 杨天宇等 压力容器火灾工况安全泄放质量流量的动态研究 2O9
HYSYS动态模拟工具，建立了压力容器的全动态
生产模型，并在此基础上分析研究了压力容器发生
外部火灾事故工况时，不同初始条件对安全阀泄放
的影响。
1 安全阀泄放质量流量的计算
根据API STD 521，火灾工况下经由安全阀泄
放的气体是在泄放温度、压力下与容器内残留液体
达到相平衡的气体，对于压力和温度条件低于临界
点的火灾工况，蒸汽的产生速率即安全阀的泄放质
量流量计算见式(1)：
W 一Q ／ (1)
式中，w 为泄放温度压力下的安全阀泄放质量流
量，kg／s；Q 为用于产生蒸汽的容器吸热量，kW；
为泄放温度压力下的汽化潜热，kJ／kg。
1．1 吸热量的计算
对于具有有效灭火措施和容器有易燃物排放系
统的情况，暴露于明火中的容器的热吸收量可用
API STD 521提供的方法进行计算，见式(2)。
Q一43．2·F ·A (2)
式中，Q为沾湿表面总吸热量(吸入)，kw；F为环境
系数，对于有冷却水设施的裸露容器，F一1；A 为
总沾湿面积，m 。
对于多组分体系，容器从外部火灾中吸收热量
后，一部分转化为汽化潜热使液体发生汽化，另一部
分转化为显热，提高了残留的液体温度，使体系保持
在泡点温度下。因此，式(1)中的容器吸热量仅是指
使液体发生汽化转化为汽化潜热的那部分热量。
1．2 汽化潜热的计算
汽化潜热入是计算安全阀泄放质量流量的关键
热力学参数，单一组分的汽化潜热可以很容易地从
相关的热力学手册中获得或通过公式进行计算，而
对于多组分体系，特别是含有如原油等宽沸点组分
或各组分相对分子质量差别较大的混合体系，其泄
放条件下的汽化潜热受温度、压力、组成等多因素的
影响，很难进行准确地计算，只能作近似估算 j。
K．w．w0n嘲等提出了一种基于严格计算的热力学
方法，提高了针对含有如原油等宽沸点组分体系汽
化潜热估算的准确性。
对于含有宽沸点组分的混合体系，当容器发生
外部火灾时，液相中较轻的组分先汽化进入气相，使
得气相和液相的组成均发生了改变，受组分影响的
汽化潜热也随之改变。另一方面，随着液相中的组
分不断汽化，残留液体的体积逐渐减少，容器内的沾
湿面积逐渐减小，相应的容器的总吸热量越来越少。
因此，对于含有宽沸点组分的体系，其火灾工况的安
全泄放质量流量在整个泄放过程中是动态变化的，
其变化趋势应根据不同工况进行具体分析。
2 动态模型的建立
2．1 工艺参数
某气田段塞流捕集器为卧式两相压力容器，容
器尺寸2．0 m IDX 6．0 m T／T、操作温度16℃ 、操
作压力12 100 kPa(A)、正常操作液位500 mm、安
全阀设定压力13 300 kPa(A)。
段塞流捕集器的进料组成见表1。
表1 段塞流捕集器进料组成
Table 1 Feed composition of the slug catcher
组分 摩尔分数 组分 摩尔分数
CO2 0．113 1 n_C 0．000 8
N2 0．002 1 n—C7 0．000 7
C1 0．713 7 n—C8 0．001 2
C2 0．030 1 n—C9 0．001 3
C3 0．011 6 n-Cl0 0．001 0
i—C4 0．002 7 C 0．001 6
n_C 0．003 2 H 2 O 0．102 1
i—C5 0．000 8 TEG 0．013 4
n_C5 0．000 6
段塞流捕集器的液位和压力设计参数见表2。
表2 段塞流捕集器工艺设计参数
Table 2 Process design parameters of the slug catcher
2．2 建立动态模型
使用HYSYS动态模块建立的段塞流捕集器火
灾工况动态模型见图1。模型建立的主要步骤如
下：
(1)在HYSYS动态环境下搭建段塞流捕集器
的生产模型，添加阀门及PID控制器，并根据工艺
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石油与天然气化：[
CHEMICAI ENGINEERING OF OIL ＆ GAS
要求，输入段塞流捕集器的设备参数、安全阀参数、
阀门Cv值、进料组成等数据。
(2)输入边界条件，根据操作条件设定PID参
数，运行模型直至稳定。
(3)使用Spreadsheet工具计算火灾工况下段
塞流捕集器的热吸收量，并与相应的物流关联。
(4)使用Event Scheduler工具建立段塞流捕
集器的火灾工况事故控制逻辑。
(5)使用Databook工具记录并查看各工艺参
数及其变化趋势。
3 动态模拟结果及分析
热吸收量
图1 火灾工况HYSYS动态模型
Figure 1 HYSYS dynamic simulation model of fire case
3．1 参数曲线图分析
图2给出了在正常操作温度、操作压力下，发生
乏
I
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38 0．O
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270．0
糍
1 80．0
90．O
火灾工况时，段塞流捕集器的温度、压力、液位、热吸
收量、安全阀泄放质量流量随时间的变化曲线。
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图2 火灾T_；~HYSYS动态模拟结果
Figure 2 HYSYS dynamic simulation results of fire case
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第43卷 第2期 杨天宇等 压力容器火灾工况安全泄放质量流量的动态研究
由图2可知，段塞流捕集器的火灾事故发生后，
各参数有如下变化趋势：
(1)温度：受外部火灾的影响，段塞流捕集器内
不断有热量输入，由于容器内部的流体为多组分的
油气水混合物，使得容器内流体温度呈不断上升的
趋势。
(2)压力：外部火灾发生后，段塞流捕集器内的
液体不断蒸发和气体受热膨胀使得容器内部压力迅
速上升，当达到安全阀设定起跳压力后，触发安全阀
开启泄压，容器压力维持在允许的超压范围内。
(3)液位：在外部火灾发生后，容器内的液体一
方面会受热膨胀使得体积增大，另一方面会因受热
蒸发使得体积减小。此外，在不断增大的压力作用
下液体体积会被压缩减小。在本文中，段塞流捕集
器内液位受以上3方面因素的综合影响呈不断下降
趋势。
(4)热吸收量：由式(2)可知，段塞流捕集器内
沾湿面积的大小决定了容器在发生外部火灾时的热
吸收量，而沾湿面积又是液位的函数。因此，热吸收
量的变化趋势与液位的变化趋势同向，即热吸收量
随着容器液位的下降而减小。
(5)安全阀泄放质量流量：由图2可知，安全阀
的泄放开始于外部火灾发生约10 min后，泄放质量
流量在泄放初期迅速上升并在泄放开始约3 min后
达到最大值，之后泄放质量流量逐渐下降。
3．2 初始液位对火灾工况安全泄放质量流量的影响
在正常操作压力设定点下，分别选取表2中各
液位设定点作为段塞流捕集器的初始液位，运行动
态模型，得到不同初始液位下火灾工况泄放质量流
量变化曲线，见图3。各初始液位下安全阀最大泄
放质量流量见图4。
由图3和图4可知，初始液位不同，所产生的泄
放质量流量和安全阀起跳时间均不相同。以低报警
点液位250 mm作为初始液位时产生的泄放质量流
量最大，安全阀起跳时间最短。由图4可知，以低报
警点液位250 mm作为初始液位时产生的最大泄放
质量流量为1 482 kg／h，比以正常操作液位500 mm
作为初始液位时产生的最大泄放质量流量1 278
kg／h大204kg／h。因此，以正常操作液位作为初始
娴
炭
泄放时间／min
图3 不同初始液位下泄放质量流量随时间变化曲线关系
Figure 3 Changes of the relief
load with time at diferent initial liquid level
蝴
热
初始液位／舳
图4 初始液位对安全阀最大泄放质量流量的影响
Figure 4 Impact of the initial
liquid level on maximum relief load
液位，所得到的最大泄放质量流量不是体系的最大
泄放质量流量。
初始液位对安全泄放质量流量的影响主要表现
为：在温度、压力相同的前提下，初始液位越低，容器
内的沾湿面积就越小，容器的总吸热量就越少，转化
为显热的吸热量也越少；另一方面，初始液位越低，
容器内残留的液体就越少，受热后液相汽化率越高。
3．3 初始压力对火灾工况安全泄放质量流量的影响
以液位低报警设定点250 mm 作为初始液位，
分别选取表2中各压力设定点作为段塞流捕集器的
初始压力，运行动态模型，得到不同初始压力下火灾
工况泄放质量流量变化曲线，见图5。各初始压力
下安全阀最大泄放质量流量见图6。
由图5和图6可知，初始压力不同所产生的泄
放质量流量和安全阀起跳时间均不相同。初始压力
越高，产生的最大泄放质量流量越大，安全阀起跳时
间越短。由图6可知，以高高关断压力12 600 kPa
0 0 ∞ O ∞O 如O ∞O 帅O 加O O 加0 仰0
} 1 ． _
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石油与天然气化工
CHEMICAL ENGINEERING OF OIL 8L GAS
(A)作为初始压力时产生的最大泄放质量流量为
1 586 kg／h，比以正常操作压力12 100 kPa(A)作为
初始压力时产生的最大泄放质量流量1 482 kg／h
大104 kg／h。因此，以正常操作压力作为初始压
力，所得到的最大泄放质量流量不是体系的最大泄
放质量流量。
嫠
泄放时间／min
图5 不同初始压力下泄放质量流量随时间变化曲线关系
Figure 5 Changes of the relief
load with time at different initial pressure
，
。o
＼
越
11 00011 20011 400ll 600l1 80012 00012 20012 40012 60012 800
初始压力／kPa(A)
图6 初始压力对安全阀最大泄放质量流量的影响
Figure 6 Impact of the initial
pressure on maximum relief load
初始压力对泄放质量流量的影响主要表现为：
在温度和液位相同的前提下，初始压力越高，容器内
残留的气液相质量和密度就越大，相应的汽化潜热
值就越大；另一方面，初始压力不同，容器内达到相
平衡的组成也不同。
4 结论
使用HYSYS动态模拟方法能够准确直观地记
录和掌握压力容器火灾工况下各种参数随时间的变
化趋势，从而为安全阀泄放面积的计算提供准确的
基础参数。
本文使用HYSYS动态模拟建立了段塞流捕集
器的包含关断逻辑的全动态生产模型，使用该模型
分析研究了不同初始压力和液位对段塞流捕集器火
灾工况安全阀泄放的影响。结果表明，初始条件对
段塞流捕集器的安全泄放质量流量有明显影响，正
常操作液位和正常操作压力下的安全泄放质量流量
1 278kg／h比实际最大泄放质量流量1 586 kg／h小
308 kg／h。
安全阀的最大泄放质量流量是安全阀选型的关
键参数，在计算安全阀泄放质量流量时，应根据容器
的实际操作情况对选择不同初始条件进行泄放质量
流量的分析和对比，从中找出最大的安全阀泄放质
量流量，作为安全阀选型的依据，确保安全阀的泄放
能力能够满足容器实际泄放要求。
参考文献
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收稿日期：2013—11—28；编辑：钟国利

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