海洋平台压力容器安全阀最大泄放量的确定

刘 茜，李春磊

(1.胜利石油管理局 科技处，山东 东营257001;2.胜利油田胜利勘察设计研究院，山东 东营257026)

压力容器在事故工况下最大泄放量是安全阀选型的关键参数，通常情况下，容器出口堵塞工况和火灾工况引起的安全阀泄放量往往达到最大值。对于容器出口堵塞工况，安全阀所需要的泄放量等于入口流体的流量。而在火灾工况下，对于像原油这样的多组分物质，其最大泄放量的计算相当复杂。本文结合埕岛油田中心三号平台三相分离器的安全阀计算，探讨安全阀在火灾工况下最大泄放量的计算方法。

1 火灾工况最大泄放量的计算方法

1.1 图解法

火灾工况下，安全阀的最大泄放量可以利用式(1)［1］进行计算。

式中:F——环境系数，在不保温的情况取1.0;当保温层厚度为30 mm时，取0.4;当保温层厚度为50 mm时，取0.3;当保温层厚度为80 mm时，取0.2;当保温层厚度大于100 mm，取0.1;

A——沾湿面积，按容器内液位高度等于正常液位的沾湿面积考虑，m2;

Hl——液体的汽化潜热，kJ/kg。

图解法的关键在于汽化潜热Hl的确定。采用图解法查取如异构烃、芳香烃和环烷烃混合物的汽化潜热的图，利用计算的泄放温度和泄放压力就可以从图中查出潜热［2］。

1.2 HYSYS动态模拟法

利用HYSYS软件动态模拟分离器在火灾工况下的整个泄放过程，大致步骤如下。

1)在HYSYS中建立起压力容器泄压模型，利用调节阀来模拟安全阀泄放。

2)根据实际情况，设定好容器、阀门以及物流的各种参数值，利用HYSYS中的电子表格计算火灾输入热量并加给容器。

3)在动态分析图表中加入容器出口气体的质量流量、绝热指数、压缩因子、相对分子量、泄放压力、泄放温度等参数，然后运行模型，查看这些参数随时间的变化关系。

4)选取容器出口气体最大泄放流量以及该流量对应的气体温度、压缩因子、绝热指数、分子量等参数作为安全阀泄放面积的计算基础参数。

HYSYS动态模型见图1。

图1 HYSYS动态模型

1.3 HYSYS静态模拟法

使用HYSYS软件进行静态模拟的基本思路是控制进入分离器的油、气、水的总容积为实际使用容器的容积，计算出加热的热量，并将热量加给容器。然后给定一个时间段(如10 min)，此时可以得出从容器泄放出的气体量，依次类推，可以计算出以后无数个10 min内泄放出的气体量，选在10 min内泄放气体体积最多的一段，再分成更小的时间段(如1 min)求出最大值，即认为1 min内的平均值为安全阀的最大泄放量。

HYSYS静态模型见图2。

图2 HYSYS静态模型

2 安全阀火灾工况下最大泄放量

2.1 计算基础数据

1)胜利油田埕岛中心三号平台三相分离器为卧式，直径4 m，长度16 m，容积200 m3，分离器中正常操作液位2 m，操作压力350 kPa，操作温度为40℃，安全阀设定压力为700 kPa。

2)平台原油的基本物性见表1。

表1 原油基本物性表

2.2 计算结果

分别采用图解法、HYSYS静态模拟法、HYSYS动态模拟法计算安全阀的泄放量，安全阀型号为1.5G2和1.5F2，结果见表2。

2.3 计算分析

1)采用图解法得到的最大泄放量远大于采用HYSYS动态或静态模拟结果，这主要是因为采用图解法求解时，假定分离器中的液体为异构烃、芳香烃以及环状烃或组分分子质量差别不大的烷烃混合物。然而，分离器中实际流体的物性与假定的流体物性有较大的差别。例如，水在泄放压力和泄放温度下的汽化潜热是2 206 kJ/kg，而根据图解法得到的液体混合物汽化潜热为280 kJ/kg，两者差值很大，从而造成计算得到的最大泄放量差别很大。

表2 三种方法的模拟计算结果

2)采用HYSYS动态模拟和静态模拟都能够模拟出最大泄放量下的气体分子量M值以及气体的绝热指数K值，然而图解法则无法获得这些参数。

3)从HYSYS动态模拟结果还可以看出，对于像分离器等油气水处理设备来说，在发生火灾的过程中，气体泄放量可能存在两个峰值。第一个峰值是水大量气化时对应的峰值，第二个是原油大量气化时对应的峰值，且两者之间的时间间隔较长。这主要是因为水的沸点远低于原油的平均沸点，因此，首先大量汽化的是水而不是原油，原油则需要在此之后较长时间才能达到泄放峰值。

3 结论

1)对于容器中介质为异构烃、芳香烃和环烷烃混合物或组分分子质量差别不大的烷烃混合物以及纯单组份(如液化天然气、乙炔等)液态烃时，推荐采用图解法进行求解。而对于含水原油容器火灾工况的计算，图解法不太合适，计算得到的安全阀泄放面积偏大，不经济。

2)HYSYS静态模拟也能够近似地模拟出火灾工况下的最大泄放量等参数，但该方法的工作量很大，且有时候很难找到真正的最大泄放量，因此不建议只使用该方法进行压力容器火灾工况下的安全阀计算，应采用其它方法进行校核。

3)使用HYSYS动态模拟方法能够准确地模拟出压力容器火灾工况下各种参数随时间的变化关系，从而为安全阀泄放面积的计算提供准确的基础参数。因此，对于像三相分离器等油水处理设备，建议采用HYSYS动态模拟的方法进行模拟计算。

4)在进行压力容器火灾工况安全阀估算时，对于容器中原油含水较多(大于10%)的情况，可近似地取泄放工况下水的汽化潜热、分子量、绝热指数等参数作为安全阀泄放面积计算的基础参数，这样可以大大简化模拟和计算过程，同时还能够得到较为准确的结果。

［1］中国海洋石油总公司中海石油研究中心开发设计院.SY/T 10044-2002炼油厂压力泄放装置的尺寸确定、选择和安装的推荐作法［S］.北京:石油工业出版社，2003.

［2］冯传令，杨 勇.原油容器安全阀火灾工况泄放量动态模拟［J］.石油工程建设，2006，32(6):9-12.