压力泄放系统在油气处理中的应用研究

2023-12-06周健德韩雪吕长剑汪进

山东化工 2023年20期

周健德,韩雪,吕长剑,汪进

(中海油石化工程有限公司,山东青岛 266000)

在油气处理过程中,安全阀不具备降压功能,它只能在紧急情况下将压力控制在设定值之下,所以不能降低设备和管道的应力,防止局部破裂。然而,快速有效地紧急泄压可降低容器的泄漏率,减少容器中介质的存量,从而减轻因容器故障和失效导致的危害。同时,紧急泄压可降低火灾的持续时间和严重程度,防止容器和管道破裂,从而减少对人的风险,限制对环境造成的损害。相关标准[1-4]针对紧急泄放过程做出了规定,但并未做出详细说明。本文以相关文献[5-11]和工程实践为基础,对泄放过程的主要关注点、计算原理及应用分析做出更为深入的研究。

1 泄放过程设计要点

1.1 泄压系统的启动方式

泄压系统的启动方式是决定泄压效果的关键因素。泄压系统可以由操作人员手动启动,也可以由过程仪表、ESD、SIS、F&G检测系统的信号等自动启动。火灾泄放时一般推荐采用自动泄压,主要考虑到自动泄压可以减少泄压时间,减少被动防火措施的采用。

在一些情况下,为避免虚假启动泄压功能,需采用延迟泄放,以允许操作人员干预。如果使用手动或延时泄压,工艺设计时应考虑缩短泄压时间以满足泄压要求(尤其是火灾工况)。

工艺设计时,应保证在开启泄压阀之前要有足够的时间让该压力系统进出口的隔断阀关闭,将超压系统隔离。

1.2 泄压产生的低温

由于焦耳-汤姆森效应,随着压力的降低,介质可能会冷却至低温,因此工艺设计时需考虑低温可能发生在泄压孔板的上下游。在这种情形下,管线、孔板及阀门材质的选择要满足上述低温的要求。

泄放过程中低温的形成与泄放前介质的状态(温度、压力)、组成、泄放过程的速率、传热、被保护系统中介质的存量有关,相对精确的泄放后介质温度可通过HYSYS动态模拟计算得到。

1.3 泄放系统设置原则

API Standard 521—2020(Pressure-relieving and Depressuring Systems)[1]:常见的应用是压缩机系统在火灾、泄漏或密封失效情形下的泄压。另一个应用是火灾情况下的紧急减压,通常适用于在1 700 kPa或更高表压下运行的大型工艺设备。此外,该标准说明可根据具体情况和用户定义的要求使用上述以外的泄压标准。

Norsok Standard S-001-2008(Technical Safety)[2]:(1)在紧急切断时,被切断的压力体系内存有大于1.0 t的碳氢化合物(液体和/或气体),则该压力体系应配备泄压系统。(2)对于没有设置泄压系统的含有气体或不稳定油且气油比高的压力体系,体系内的最大容量应远远低于1.0 t。(3)此外,泄压阀的设置还应考虑压力系统的位置(封闭或开放区域)、暴露于火灾的风险、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]:对于加压的烃类系统,应考虑紧急泄压系统,以便在紧急情况下处理加压系统中的气体,以减少事件的持续时间、释放的物质数量或火灾中压力容器失效的可能性。

中国海洋石油集团有限公司等已按照API PR 521—1997制定了SY/T 10043—2002[4](泄压和减压系统指南),该标准的制定有力地推动了压力泄放系统在油气处理等相关行业的应用。

目前,国内外的设计项目大多执行API Standard 521(Pressure-relieving and Depressuring Systems)中的相关规定。

1.4 其他因素

1.4.1 泄压阀的故障状态

为了最大限度地提高泄压阀的有效性,泄压阀门应选择故障开启或故障保位状态,并配备备用气源(或电源)和防火措施,具体故障状态的选择应考虑实际的工艺需求。

1.4.2 泄放量对火炬管网的影响

在仪器风失效的情况下,若厂区内存在多个失效开启的泄压阀,其泄放量可能超过火炬管网的处理量。此时,一方面可考虑设置备用仪表风供应系统;另一方面可安装就地仪表风缓冲罐来延迟泄压阀门的打开从而减轻仪表风失效带来的影响。多个失效开启的泄压阀使用延迟泄放时,应考虑通过错峰排放以确保泄放量不超过火炬容量。

1.4.3 泄压阀的保护措施

假定在紧急情况下持续降压,泄压阀在紧急情况持续期间应保持可操作状态或保持故障全开状态。否则,需要考虑控制信号和阀门执行器的防火措施或其他保护措施(例如,将阀门、阀门执行器和控制信号置于在火灾区域之外),以确保阀门在火灾期间的可操作性。对于手动泄压按钮,应设有保护措施(如防护罩)以防止误操作。

2 泄放计算原理及方法

2.1 火灾工况

在火灾中,为了降低被保护系统的内部压力,气体的泄放速率应包括下述因素:

(1)因压力下降引起系统内液体闪蒸产生的蒸汽量; (2)因外部火焰加热使得系统内液体蒸发产生的蒸汽量;(3)因压力下降引起的系统内气体的膨胀。

当泄压系统的设置是为了保护暴露于火灾中的容器时,蒸汽泄压系统应具有足够的能力将容器的应力降低到应力允许值以内。根据API Standard 521—2020[1],对于池火灾,要求在15 min内将系统的压力从初始状态降低到设计压力的50%。需要注意的是,对于池火灾,要求在15 min内将系统的压力从初始状态降低到设计压力的50%,这是基于壁厚约25.4 mm的碳钢容器的壁温与破裂应力之间的关系而得到的,对于其他壁厚和金属的情况,可参照相关文献进行计算[1]。

当泄压系统的设置是为了减轻因容器泄漏或故障造成的危害时,根据API Standard 521—2020[1],通常要求需在15 min内将系统的压力降压至690 kPa (表压)。

2.2 绝热工况

绝热工况[8-12]包含正常泄放和冷态泄放,正常泄放与冷态泄放的区别在于初始泄放温度不同。正常泄放的初始泄放温度为系统正常操作温度(如生产中因非火灾因素导致的超压泄放;计划停产等);冷态泄放的初始温度为环境最低温度(如井喷事故时的压力泄放;停工维护设备时系统冷却至环境温度后的压力泄放等)。

在绝热工况时,泄放量需包含下述因素:(1)因压力下降导致系统内液体闪蒸从而产生的蒸汽量;(2)因压力下降导致的系统内气体膨胀。

当泄压系统的设置是为了减轻容器因泄漏或故障造成的后果时,根据API Standard 521—2020[1],通常要去需在15 min内将系统的压力降至690 kPa (表压)。

当泄压系统的设置是为了保护压缩机时,通常需要在几分钟内进行泄压以缓解密封失效造成的后果。然而,过快的泄放速率可能会损坏压缩机的密封件,因此特定压缩机体系的泄压速率应与生产厂家确定[1]。

3 压力泄放案例分析

以某油田进站预分离器为例进行计算,流程示意详见图1。

图1 预分离系统示意图

入口进料组成: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。

预分离器尺寸:4 m×26 m;预分离器的操作条件:压力:4.5 MPa,温度:42 ℃,正常液位:1.3 m;

泄放初始压力:4.7 MPa;火灾泄放和正常泄放时间:15 min;冷态泄放时间:30 min;火灾泄放和正常泄放最终泄放压力:690 kPa;冷态泄放最终泄放压力:300 kPa;火炬背压:300 kPa;

火灾工况输入参数:吸热方程选择API 521操作模型,Q=C1C3[Wetted Area]C2,其中C1=21 000,C2=0.82,C3=1;热损失方程选择None;

蒸汽流动方程选择General,阀门流量系数为0.85;PV属性:0.70;循环效率:100%。

经HYSYS动态模拟,三种泄压工况在泄放前后温度和压力随时间的变化如图2～4 所示,三种泄压工况的计算结果对比如表1所示。

表1 火灾泄放、正常泄放和冷态泄放模拟结果对比

图2 火灾泄放工况HYSYS动态模拟结果图

图3 正常泄放工况HYSYS动态模拟结果图

图4 冷态泄放工况HYSYS动态模拟结果图

从上图可以看出,(1)不同工况时系统压力随泄放的进行迅速降低,泄放阀后的温度随泄放时间增加而升高。(2)火灾工况泄放时,系统温度随时间呈现先降低后增加的趋势。这主要是因为泄压初期系统中含有大量的轻组分,系统内液体闪蒸和气体膨胀导致的温度下降效应大于系统从外界吸收热量导致的温度上升效应,呈现宏观的温度降低;随着泄放的进行,系统内液体闪蒸和气体膨胀导致的温度下降效应小于系统从外界吸收热量导致的温度上升,呈现宏观的温度上升。(3)在绝热工况泄放时,系统温度随时间增加而降低,这是因压力下降引起系统内液体闪蒸和气体的膨胀导致温度下降。

从上表可以发现,(1)火灾泄放的瞬时峰值泄放量较其他方式的泄放量大,因此火灾泄放决定泄压设施的大小;(2)冷态泄放的阀后最低温度和系统内最低温度较其他工况更低,可能需要考虑选择适合的低温材料。