安全阀动态泄放下火炬模拟研究

王 涛 戴 磊 孙为志 周 鹏

海洋石油工程股份有限公司设计院, 天津 300452

0 前言

安全阀作为石油化工设备最后一级安全保护设施,需要根据工艺降压泄放所需流量,选择合适的安全阀规格,以及进行火炬系统的计算和模拟。泄放量的确定需要对各种事故工况进行逐一分析,海洋石油平台常见的事故工况包括堵塞、控制阀失效、换热器故障和外部火灾等[1-3]。火灾事故可能包括多个压力安全阀或者多个紧急泄压阀的泄放,而堵塞、控制阀失效、换热器故障工况通常只引起单个安全阀的泄放。对于单个压力安全阀的工况,一般情况下使用必需泄放量进行火炬系统的设计[1-2]。但存在实际泄放阀选阀尺寸可能高于所需尺寸,实际泄放量远大于必需泄放量的情况。例如,绝大部分的弹簧式安全阀在设定压力下会泄放出其额定泄放量50%甚至超过额定流量[1],因此,初始泄放量会大于必需泄放量,此时需要额定泄放量作为火炬系统设计的上限负荷量进行校核[1],但选用额定泄放量进行火炬计算,会导致火炬系统设计负荷过大,火炬臂长度增加。近年来,已有工程设计人员采用HYSYS[4-12]动态模拟研究安全阀的泄放量,但都是基于单个容器火灾工况进行模拟计算。本文通过建立全平台动态模拟,得到超压安全保护系统作用下安全阀的动态泄放数据,结合火炬热辐射模拟专业软件Flaresim[13-17]的动态计算功能,计算得到火炬泄放和热辐射的动态模拟数据,来分析实际泄放过程中火炬热辐射的变化趋势,用于火炬系统精确定尺计算。

1 项目概况

以某海上采油平台为例进行火炬动态模拟研究，工艺流程见图1。其主要流程如下:井口产出物经井下关断阀、主阀、翼阀,油嘴,进入生产/测试管汇,油嘴前操作压力为13.6 MPa,经油嘴降低为5.6 MPa,需要单井计量的物流进入测试管汇进行单井计量,其他井生产物流进入生产管汇,最后汇合经海管外输至中心处理平台。系统采用降压设计,在XV关断阀后系统设计压力降低为7 MPa,为保护下游系统设置堵塞工况安全阀。根据平台事故工况逐一分析,确定外输管线出口堵塞工况下流量为火炬系统最大设计泄放量。

图1 工艺流程图Fig.1 The Process Flow Diagram

火炬系统的模拟主要分析火炬燃烧产生的热辐射对平台人员的影响,标准API 521[1]规定了不同的热辐射强度下允许的人员暴露时间,在该时间内人员应躲避到热辐射低于 1.58 kW/m2的区域或者在该区域设置遮挡物以降低热辐射值，不同的热辐射强度下人员允许暴露时间见表1。发生紧急事故后操作人员一般需要3～10 min[1]的时间进行系统关停,所以火炬模拟计算中热辐射强度一般选用4.7 kW/m2,高于该值需要根据表1的暴露时间进行精确分析。

表1 不同热辐射强度下的暴露时间表

Tab.1 The allowable duration of different thermal radiation

热辐射/(kW·m-2)7.9～9.57.1～7.96.3～7.15.5～6.34.7～5.51.58～4.7躲避时间/s6153060120>180

2 安全阀动态泄放模拟

2.1 HYSYS动态模拟建立

首先根据工艺流程建立稳态模拟,然后切换到动态模式输入所需的管线、阀门、油嘴等参数,其中管线规格及布置根据3D模型抽取,动态模拟输入数据见表2；安全阀堵塞工况的发生采用关闭海管入口关断阀模拟实现,HYSYS动态模拟流程见图2。模拟工况为外输海管下游发生堵塞,引起外输管线超压,达到高高关断压力触发单井紧急关停,单井的主阀、翼阀、油嘴随之执行关阀操作,根据已有文献关于井口超压保护系统的失效分析,考虑1口井存在关阀失效的工况[19-20],根据单井产量62 600 kg/h,确定必需泄放量,所选安全阀尺寸为3L4,额定泄放量为86 648 kg/h。必需泄放量和额定泄放量对火炬系统的定尺计算影响见表3。

表2 动态模拟输入数据表

Tab.2 Dynamic simulation input data

井数/口单井产量/(kg·h-1)主阀/翼阀关闭时间/s油嘴Cv值油嘴关闭时间/s海管关断阀关闭时间/s油嘴前温度/℃外输压力/MPa462 600101401418715.6

图2 HYSYS动态模拟流程图Fig.2 HYSYS dynamic simulation flow diagram

表3 必需泄放量和额定泄放量对火炬系统的影响表

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

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

2.2 模拟结果分析

图3给出了海管关断阀开始关阀到安全阀泄放稳定的整个动态变化过程,反映出外输管线操作压力、安全阀开度、泄放量随时间的变化过程,同时也跟踪了主阀、翼阀、油嘴的关阀过程对工艺系统的影响,由图3看出:

1)150 s海管关断阀开始执行关阀操作,168 s关断阀完全关上,压力达到高高关断压力6 300 kPa时,主阀、翼阀、油嘴开始执行关阀操作。

2)安全阀从168 s开始逐渐打开,到170 s压力达到7 700 kPa(安全阀设定点的1.1倍)时,安全阀达到全开状态,全开时泄放量达到额定泄放量86 648 kg/h。

3)因主阀、翼阀、油嘴分别有10、10、14 s的关阀时间,在关阀过程中井口高压物流会持续进入外输管线,因此在170 s安全阀全开后,管线操作压力会持续上升,安全阀前后压差持续升高,泄放量也随之上升,在176 s达到峰值,峰值泄放量为100 300 kg/h。

4)178 s时主阀、翼阀全部关上,182 s时油嘴完全关上,因油嘴阀门的特性在阀门完全关闭后会保持在5%开度,之后压力逐渐稳定在7 500 kPa左右,泄放量稳定在62 600 kg/h。

图3 HYSYS动态模拟结果曲线图Fig.3 The simulation result of HYSYS dynamic

3 火炬Flaresim模拟

Flaresim模拟需要输入气体组分、环境风速、火炬臂长度、火炬头尺寸及动态泄放量、感受点坐标。计算方法选择dynamic计算模式,气体组分及动态泄放量由动态模拟读出,环境风速考虑3个最高频率风速2、5、9 m/s,火炬臂长度及尺寸根据表3输入,感受点选取热辐射强度相对较高的三处:平台甲板边缘(A)、吊机操作室(B)、电器操作间(C),坐标依据设备布置总图读出,高度上考虑增加人员操作站立高度2 m。

3.1 热辐射模拟计算

使用集成混合源[13,18](Mixed)方法计算热辐射强度,该方法结合了点源(Point)和扩散(Diffuse)方法,远、近距离区域的辐射模拟都比较精确[18]。

(1)

式中:a为经验常数;D为从火炬中心或点源至感受点之间的最小距离,m;F为热辐射系数;Q为释放热量(低热值),kW;K为允许的热辐射,kW/m2；L为火焰长度，m;β为火焰切线方向与火焰和感受点连线方向之间夹角。

3.2 热辐射模拟结果分析

3.2.1 风速的影响

热辐射强度计算受环境风速[14]的影响,根据环境3个最高频率风速2、5、9 m/s,在火炬臂42 m下,进行模拟分析见图4,从图4看出在固定风速下,热辐射强度变化与泄放量变化趋势相同,在168 s前安全阀未开启时,各感受点热辐射强度为1 kW/m2,为太阳热辐射强度,此后热辐射强度出现高峰值区域,在205 s后泄放量稳定,热辐射强度也趋于稳定。在不同风速下,热辐射强度随风速的增大而增大,在相同风速下,感受点处的热辐射强度(A)>(C)>(B),因此9 m/s风速和平台甲板边缘成为火炬臂长度计算的限制条件。

图4 不同风速下热辐射模拟结果曲线图Fig.4 The thermal radiation result at different wind speeds

3.2.2 火炬臂长度敏感性分析

在最恶劣风速9 m/s下,不同火炬臂长度54、42 m下对应热辐射强度见图5～6。从图5～6可以看出，火炬臂在54 m下任意感受点在泄放过程中的热辐射强度均不超过4.7 kW/m2,205 s后热辐射强度趋于稳定后,最大热辐射点(A)热辐射强度稳定为3.6 kW/m2,操作人员有充足时间躲避到安全区域,火炬臂54 m较为保守。

火炬臂42 m下热辐射强度变化趋势与火炬臂54 m相同,只是感受点处的热辐射强度均有不同程度增加,且平台甲(A)和(C)的感受点均存在热辐射强度超过4.7 kW/m2的高峰值区域,最大热辐射强度可达6.2 kW/m2,205 s后热辐射趋于稳定,平台甲板边缘热辐射强度稳定在4.7 kW/m2。对于超过4.7 kW/m2的高峰值区域,由图6可看出，泄放量在175 s时达到高峰值,A、B、C处的热辐射强度高峰值分别为6.2、3.8、5.3 kW/m2,其中A、C点均超过4.7 kW/m2,从168 s泄放开始到205 s泄放稳定持续时间为37 s,该高峰值持续时间小于表1规定的5.5～6.3 kW/m2下60 s和4.7～5.5 kW/m2下120 s的允许暴露时间,所以火炬臂42 m也可满足人员安全暴露时间的要求。

图5 火炬臂长54 m下热辐射强度模拟结果曲线图Fig.5 The thermal radiation result at flare stack length 54 m

图6 火炬臂长42 m下热辐射强度模拟结果曲线图Fig.6 The thermal radiation result at flare stack length 42 m

4 结论

通过HYSYS动态模拟,得到了在海洋平台堵塞工况下,基于超压安全保护系统作用的全平台动态数据,结合Flaresim动态计算功能,得到火炬热辐射强度动态模拟结果,发现:

1)在实际泄放中,由于安全阀额定尺寸大于所需尺寸和主阀/翼阀关阀存在滞后性,导致安全阀泄放过程中会出现超过必需泄放量的峰值区域。

2)火炬臂长度敏感性分析得出,基于额定泄放量下的火炬臂长度过于保守,必需泄放量下的火炬臂长度,虽然热辐射会出现超过4.7 kW/m2的峰值区域,但持续时间小于规范躲避时间,满足人员安全撤离需求,证明基于必需泄放量下的火炬长度满足火炬安全泄放要求。

3)HYSYS动态模拟和Flaresim动态计算相结合,进行火炬热辐射精确分析计算,可以缩减火炬系统设备尺寸,达到降低平台重量和减少偏心的效果。在某海上采油平台使用该方法减少火炬臂长度12 m,降低火炬分液罐尺寸约10%,减少钢材用量约25 t,直接成本节省50余万元,经济效益显著。