BDV冷态泄放工况下火炬系统低温动态模拟

陈 宾，刘培林，陈文锋，蔡广远，赵方生

(海洋石油工程股份有限公司，天津 300451)

1 概述

火炬系统主要包括火炬管汇、火炬分液罐和放空臂。火炬系统的设计低温通常由BDV冷态泄放工况决定，常规设计以BDV泄放时出口流体最低温度作为火炬系统最低操作温度。由于忽略了泄放流体与管材和环境的换热影响，以此方法确定的火炬系统最低设计低温偏于保守。通过动态模拟技术理论上可以提高火炬系统的最低设计温度。Aspen HYSYS中的Dynamic模块作为石化行业最常用的动态模拟工具软件，可以动态模拟流动介质与管道和设备的温度传递和各个参数随时间的变化趋势，有利于对火炬系统设计低温选取的优化分析。

文章将使用Aspen HYSYS软件通过动态模拟的方法，计算BDV冷态泄放过程中低温泄放流体与火炬系统的管材和环境的换热情况，分析火炬管汇、火炬分液罐和放空臂在泄放过程内部流体以及内壁温度的变化趋势，探究火炬系统设计低温优化方法。

2 Aspen HYSYS传热理论

BDV冷态泄放的低温流体在火炬系统流动过程中，会与钢材、保温材料以及周围的环境进行热量传递。Aspen HYSYS将整个热量传递体系划分为三个部分：内部流体、钢材和保温层、周围环境。其中流体与金属以及金属与环境的传热过程以对流传热为主，金属和保温层内部以及金属与保温层之间的传热以热传导为主。热量的传递示意图如图1，每个部分的热量传递原理和公式参见2.1～2.4部分。Aspen HYSYS动态模拟模块可以记录流体随时间在火炬系统中流动过程中热量传递速度的变化和能量累计，并以图表的形式予以展现。

图1 热量传递示意图Fig.1 Schematic diagram of heat transfer

2.1 金属和保温层内部以及金属与保温层之间的传热

发生在固体中的热量传递方式为热传导，热传导方式的热流密度可用傅立叶定律计算，见公式(1)。

(1)

2.2 金属外壁与周围环境的热传递

金属外壁与环境的传热过程以自然对流传热为主，对流传热速率与流体流态相关，流态可以用普朗特数和格拉斯霍夫数的乘积Gr×Pr来表征。

(2)

(3)

式中：Pr——代表普朗特数，气体接近于1；Gr——代表格拉斯霍夫数；Cp——代表等压比热容，J/kg-K；μ——代表运动粘度，Pa·s；κ——代表热导率，W/m-K；g——代表重力加速度，取9.8 m/s2；β——代表体积变化系数，K-1；ΔT——代表温度差，K；X——代表特征尺度，m；ρ——代表密度，kg/m3。

Gr和Pr的计算需要先确定与金属外壁接触流体的薄膜温度(边界层)，HYSYS取为流体温度与容器外壁温度的平均温度。计算与外部环境换热时HYSYS假设外部环境压力为大气压，风速为零。特征尺度X取决于管线的几何形状，竖管对应管线长度，横管对应管线直径。

当Gr×Pr小于109时, 自然对流热流密度可用式(4)计算。

(4)

式中：C——代表特征导热系数，立管取1.42×10-3，横管取1.32×10-3，kW/m2-K；m=1/4。

当Gr×Pr大于109时, 传热区域处于湍流状态，热流密度可用式(5)计算。

q=C(ΔT)m

(5)

式中：C——代表特征导热系数，立管取1.31×10-3，横管取1.24×10-3，kW/m2-K；m=1/3。

2.3 内部流体与金属内壁之间的热传递

容器气相和液相区域的传热速率有很大差异，但每个区域的间壁传热原理相同，内部流体与金属内壁之间的热传递过程自然对流和热传递同时发生，但以自然对流传热为主。热流密度可用式(6)计算。

(6)

式中:Nu——代表怒塞尔数，是Gr×Pr的函数，具体函数关系参见霍尔曼热量传递手册[1]。

2.4 气相与液相之间的热传递

气体和液体之间的热量传递也以自然对流为主，可以采用式(6)，只是怒塞尔数Nu的计算采用下式(7)计算。

Nu=C(Gr×Pr)m

(7)

其中C=0.16，m=1/3，通常HYSYS动态认为容器内的气液是平衡状态，因此气液温度相同，当需要考虑气液温度差异时，可以通过调整循环效率来实现。

3 动态模拟计算实例分析

以某海上气田段塞流捕集器BDV冷态泄放为例，使用Aspen HYSYS软件通过动态模拟的方法，计算BDV冷态泄放过程中低温泄放流体与火炬系统的管材和环境的换热情况，分析火炬管汇、火炬分液罐和放空臂在泄放过程内部流体以及内壁温度的变化趋势。

3.1 流程简介

如图2，来自水下井口的生产物流，经海管输送至段塞流捕集器(操作参数120 barG/15 ℃)，气液分离后分别进入天然气和凝析油处理系统。段塞流捕集器上设置BDV用于泄压，泄放物流进入火炬系统。如图3，BDV泄放的低温流体经过火炬管汇输送至火炬分液罐，低温流体在火炬分液罐中进行气液分离，低温气体经放空臂进入火炬头燃烧放空，低温液暂存于火炬分液罐内。

图2 段塞流捕集器流程示意图Fig.2 Process flow diagram of slug catcher

图3 火炬系统流程示意图Fig.3 Process flow diagram of flare system

3.2 常规设计方法

常规设计采用HYSYS自带的Depressing模块计算BDV出口泄放低温，BDV冷态工况下，泄放曲线见图4，BDV孔板下游流体最低操作温度为-68 ℃，常规设计将此温度作为火炬系统最低操作温度。

图4 Depressing泄放曲线Fig.4 Depressing discharge curve

3.3 动态模拟方法

Depressing模块本质采用的也是动态模拟的方法，只是depressing模块只能进行BDV的泄压过程模拟，孔板下游不能支持火炬管汇和火炬分液罐的模拟，因此无法考虑孔板下游低温流体流动过程的热量传递。动态模拟方法，将BDV冷态泄放和下游火炬系统结合建立了一套完整的泄放系统，可以模拟计算整个冷态泄放过程中的热量的传递，并进行实时记录和观测。

(1)模型建立和初始化

按照项目实际参数对段塞流捕集器冷态泄放工况进行完整的动态建模，模型截图见图5。登平台物流组分数据见表1。

图5 冷态泄放工况动态模拟流程图Fig.5 Process flow diagram of dynamic simulation

表1 入口组分数据Tab.1 Inlet component data

段塞流捕集器操作参数为120 barG/15 ℃，3 m(ID)×9 m(T/T)，碳钢材质，壁厚80 mm，保温层厚度25 mm。火炬分液罐尺寸2 m(ID)×6 m(T/T)，不锈钢材质，壁厚10 mm。火炬管汇和放空臂均为12寸的不锈钢管线，长度分别为100 m和200 m，环境温度为25 ℃。

初始工况下，段塞流捕集器在120 barG/15 ℃下操作，假设液位处于最低液位300 mm；火炬系统初始温度于环境温度相同，吹扫气量为15 Sm3/h，火炬分液罐内初始液位为600 mm(OFF液位)。

(2)模拟结果分析

模型采用时序控制，积分时间取0.05 s，当模型运行稳定后，段塞流捕集器进出口SDV和火炬分液罐液相出口LV同时关断，BDV打开，低温流体通过火炬管汇火炬分液罐和放空臂进入火炬头燃烧放空。当段塞流捕集器内压力降至接近常压时，模型运行停止，耗时约1 200 s。泄放过程中低温流体，火炬管汇，火炬分液罐和放空臂的温度变化曲线见图6。

图6 冷态泄放工况动态曲线Fig.6 Dynamic curve in cold discharge case

Depressing模块的内核也是动态模拟，两种方法泄放曲线一致。泄放流体最低温度为-68 ℃。

泄放初期，进入火炬分液罐的流体温度与孔板下游温度几乎相等(最低-66.5 ℃)，主要是由于泄放流体流速过快，流体没能及时与火炬管汇换热。随着泄放量的降低，流体流速降低，火炬管汇进出口温差逐渐变大，进入火炬分液罐的流体温度逐渐升高，后期达到-32 ℃，与进口温差达到23 ℃。

由于火炬分液罐内原有一定容积的常温液体，随着低温流体的流入，火炬分液罐内流体温度由初始25 ℃逐渐降低最终稳定在-23 ℃。由此可见，考虑低温泄放流体与火炬管汇和分液罐的换热后，火炬分液罐最低操作温度为-23 ℃，高于泄放流体最低温度45 ℃左右。

由于火炬罐壁厚只有10 mm左右，火炬分液罐的钢材内壁和外壁温度相同，同时接近罐内液体温度，罐体承受的最低温度约-23 ℃。

由于气相与分液罐内壁传热速率低于液相与分液罐内壁的传热速率，与气相接触的分液罐内壁温度降低速率低于液相，最终温度由25 ℃降至7.5 ℃。

由于低温流体流经火炬管汇和放空臂的速度很快，最终过计算结果显示，火炬管汇和放空臂钢材温度远高于管内流体温度。

4 结束语

通过动态模拟的方法，完整地模拟了BDV冷态泄放过程中火炬系统主要设施的温度变化趋势，得出以下几点结论供火炬系统设计时参考。

1)考虑泄放流体与火炬管网和火炬分液罐钢材以及火炬分液罐内现存常温流体的换热效果，火炬分液罐内流体的远高于流体泄放温度，火炬系统的设计温度有一定的优化空间。

2)由于火炬分液罐设计压力较低，壁厚一般只有10 mm左右，火炬分液罐钢材实际可能达到的钢材最低温度与火炬分液罐内流体温度几乎一致。

3)火炬分液罐中，气相与容器壁传热速率远小于液相与容器壁的传热速率，因此火炬分液罐的设计低温取决于液相最低温度。

4)BDV泄放过程中火炬分液罐内液体存在低温风险，因此火炬分液罐液相出口设置低温关断的SDV是必要的。

5)BDV泄放工况下，进入火炬头的流体温度远高于孔板下游流体温度，对火炬头辐射计算存在一定影响，理论上可以降低火炬壁长度，建议后期进行相关研究。