模拟软件泄压模块在压力泄放设计中的应用
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基于仿真模拟的水击泄放量研究作者:陈小华徐德腾李旺黄建新秦鹏郑鸿浩来源:《当代化工》2020年第11期摘要:介绍了水击保护系统以及泄压系统的开启逻辑,分析了目前泄压系统中影响水击泄放量的主要因素。
采用工艺管道水击仿真的方法探讨了不同水击工况对泄放量的影响。
以西南某管道泵站为例,创新性地引入超前保护失效的极限工况,计算显示极限工况下当上游泵站持续输送油品时下游站场进站泄压系统持续进行泄放,下游站场进站压力始终在泄压阀开启压力值上下波动,在站场人员关闭泄压阀手动阀门前,泄压罐不足以容纳极限工况下的水击泄放量。
关键词:水击仿真;泄压系统;泄放量中图分类号:TE978 文献标识码: A 文章编号: 1671-0460(2020)11-2552-04Research on Surge Release Volume Based on SimulationCHEN Xiao-hua1, XU De-teng1, LI Wang1, HUANG Jian-xin1, QIN Peng1, ZHENG Hong-hao2(1. PetroChina Southwest Pipeline Company, Chengdu 610094, China;2. School of Petroleum Engineering, Southwest Petroleum University, Chengdu 610500,China)Abstract: The water hammer protection system and the opening logic of the pressure relief system were introduced, and the main factors affecting release volume in the pressure relief system were analyzed. The method of pipeline simulation was used to investigate the influence of different water hammer conditions on the release volume. Taking a pipeline pump station in Southwest of China as an example, under the limit condition of advance protection failure, the simulation calculation was carried out. The results showed that, under the limit condition of water hammer,when the upstream pump station continued to deliver oil and the surge relief valve of downstream station continued to work, the inlet pressure oscillated near the pressure of surge release valve working pressure. Before the staff closed the manual valve, the tank was not enough to accommodate the release volume under the limit condition of water hammer.Key words: Water hammer simulation; Surge release system; Release volume20世纪80年代以前,我国设计的长距离输油管道大多通过“旁接油罐”的方式来调节管道流量波动和缓冲压力波动。
大连理工大学科技成果——压力容器超压泄放智能
设计软件
一、产品和技术简介:
压力容器超压泄放智能设计软件可以进行安全泄放设计及泄放装置选型操作。
软件主要特点有:
①多标准泄放设计:可依据GB567、API520、ISO4126标准进行单相流物理超压泄放设计,依据DIERS进行两相流物理超压泄放设计,依据NFPA68进行化学超压泄放设计;
②多类型泄放设计:可对压缩气体、液化气体、水蒸气、液体、两相流、可燃气体、可燃粉尘、多组分进行泄放设计;
③多数据库支撑:软件内含气体物性、汽化潜热、液体粘度、介质基本燃烧速率等数据库;
④泄放装置选型:软件提供较为权威的泄放装置选型功能。
软件提供帮助文档,内含较为详细的泄放设计标准、设计案例、软件操作教程。
二、应用范围
该软件能够在石油、化工、电力、核工业等设计单位推广使用,同时也可以向高等院校和科研院所推广。
三、生产条件:仅需一人操作即可。
四、成本估算:在个人PC上操作,无需其他成本。
五、规模与投资:每套软件投资不超过10万元。
产业化情况:实验室阶段。
六、市场与效益
压力容器安全附件的设置,建立在正确进行安全泄放设计基础上。
目前国内的石油、化工行业设计院设计人员越来越需要准确进行泄放设计。
开发和推广安全泄放智能设计及计算软件可以满足上述要求。
七、提供技术的程度和合作方式
提供整套技术软件及后续升级,培训操作人员。
- 55 -第10期海洋平台泄放系统与FLARENET模拟应用赵晨,胡得朋,刘维维(海洋石油工程股份有限公司, 天津 300452)[摘 要] 在石油钻完井等开发过程中,普遍会释放大量的伴生气体,这些气体多为烃类,易燃且含有毒性与腐蚀性。
应当安全及时地将其泄放,避免直接排放到大气中,以杜绝可能造成的火灾、环境污染等生产事故。
海洋平台的生产地点与工艺流程与陆地油田不同,有其特殊性,因而在设计海洋平台泄放系统时需有不同的思路。
[关键词] 海洋石油平台;泄放系统;FLARENET模拟作者简介:赵晨(1986—),男,满族,天津人,大学本科,学士学位,工程师。
主要从事海洋石油工程详细及施工设计工作。
由于海洋平台采油方式的特殊性及局限性,无法像陆地采油厂那样对可燃和可燃有毒气体进行大量回收及再加工,因此泄放系统成为海洋生产平台上必不可少的安全保障,是安全生产、减少环境污染的重要手段之一。
具体而言,泄放系统和火炬在海上生产设施中有如下用途:(1)在工艺过程中时而会发生非正常状态,为调节这一非正常状态需对某一环节(容器)或设备(压缩机)在正常工作开始以前,将产生的气体进行处理。
(2)处理无法实现经济利用的多余伴生气。
(3)处理紧急条件下的气体,如海洋生产平台设施在高压非工作状态或低压故障状态下由泄压阀为保证设备设施的安全释放出来的气体。
(4)处理容器、设备和管线的放空气体。
设计火炬系统就是将石油钻完井等开发过程中释放出来的多余气态或液态物质通过管线输送和引导到一个安全位置上燃烧,以达到减少平台设备设施数量,节约作业空间,并保证平台安全的目的。
1 MODEC 项目泄放工况分析1.1 堵塞(1)一级分离器出口断开。
(2)气体压缩系统断开。
根据关断等级分析图(BHPB 关断系统设计原理),会引发PSD ,关断油工艺系统、气工艺系统。
1.2 外部火灾(1)气系统。
(2)油系统。
火灾面积定义在某一个模块以内,不是根据API 521中规定的230m 2。
使用HYSYS辅助计算超临界流体泄放摘要:本文介绍了一种超临界流体火灾工况下超压泄放流率的计算方法,并使用HYSYS 辅助计算了一个示例。
关键字:超临界流体、超压泄放流率、HYSYS安全阀是一种安全保护用阀,主要用于锅炉、压力容器和管道上,控制其压力不超过规定值,对人身安全和设备运行起重要保护作用。
随着科技的发展,石油化工生产操作温度操作压力越来越高,从而使安全阀的泄放压力超过临界条件的情况也越来越多。
对于纯净物质,根据温度和压力的不同会呈现出液体、气体、固体等状态变化。
在温度高于某一数值时,任何大的压力均不能使该纯物质由气相转化为液相,此时的温度即被称之为临界温度Tc;而在临界温度下,气体能被液化的最低压力称为临界压力Pc。
当物质所处的温度高于临界温度,压力大于临界压力时,该物质处于超临界状态。
温度及压力均处于临界点以上的流体叫超临界流体。
在超临界状态下,液体与气体分界面消失,汽化潜热接近于零,如按照通常的安全阀火灾工况泄放量计算方法,泄放量=热量/汽化潜热,由于此时汽化潜热接近于零,安全阀的泄放量将非常大。
但实际情况并非如此,超临界流体由于气液不分,会充满整个容器,在火灾工况下,随着热量的输入容器中超临界流体温度(泄放温度)不断升高,压力基本恒定(为泄放压力),受热膨胀,安全阀的泄放量应为超临界流体的体积膨胀量。
这一点和安全阀的热膨胀工况相似。
随着大型电子计算机的出现,计算方法得到迅猛发展,应用到化工过程上,形成了化工模拟软件。
而HYSYS由于它的编写语言的优势,可以实时进行模拟,也就是修改了某一数据,HYSYS可以实时模拟给出新的物性,使其在这一方面,与其他模拟软件相比具有一定的优越性。
本文主要介绍超临界流体火灾工况下安全阀的泄放量计算方法,以及如何使用HYSYS使计算变得方便简洁。
一、超临界流体火灾工况安全阀泄放速率公式推导首先将超临界流体火灾工况的泄放过程按泄放温度递增(有利于物性模拟),比如10个点,不同的温度对应着不同的时间点。
丝 路 视 野在气体灭火系统的防护区中设置泄压装置,是为了保证气体灭火系统具有较好的应用性能,防止在防护区灭火剂喷放的过程中,防护区压力过大,破坏防护区的围护结构,另外,防护区内部的压力越大,气体从喷头处喷放出来的阻力也越大,不利于灭火。
一、泄压装置的类型(一)泄压装置从工作原理上分为电动自动泄压阀和机械式自动泄压阀电动自动泄压阀的工作原理是泄压阀安装后,泄压阀的测压装置全天实时监控防护区的压力。
火灾发生后,气体灭火系统启动灭火剂释放,防护区的压力会随之升高。
当压力升到自动泄压阀设定的压力值后,泄压阀装置发出动作信号,执行机构将开启泄压装置的叶片,快速释放防护区内的超压空气,保护防护区结构。
当防护区内的压力下降到相关设定值后,泄压阀的测压装置再发出复位信号,关闭叶片,以保持住防护区的灭火浓度。
机械式自动泄压阀的工作原理是通过泄压阀的叶片的自重调节开启程度。
当防护区压力升高达到一定的数值时,推动泄压装置的泄压窗开启泄压装置,当压力降低时泄压窗关闭泄压装置,以保护防护区的围护结构。
实际工程应用中自动泄压阀的结构及动作原理比较复杂,并且涉及与其他专业对接的问题。
而机械式自动泄压阀比较简单,实际工程中用的范围更广。
(二)泄压装置常见的有碳钢和不锈钢两种材质,工程上用得比较多的是碳钢,除非项目在招标时专门提出来需采用不锈钢。
(三)泄压装置从压力等级上分由于自动泄压装置国家标准尚未出台,仅能从《气体灭火设计规范》 GB 50370条文3.2.6中“防护区维护结构承受内压的允许压强,不宜低于1200Pa ”中推断出,泄压装置的泄放压力≤1200Pa,市场上泄压装置的压力设定值各不相同。
我司的产品就有400Pa、800Pa、1000Pa三种规格,均获取国家相关权威认证部门合格证书;市面上现存的100Pa、1200Pa产品,也都是得到认证部门许可。
泄压装置泄压压力值设定过低,虽然可以更好地保护防护区的围护结构,但是在火情发生系统动作后,释放的灭火剂使保护区压力迅速上升,很快到达泄放压力值,打开泄压装置,灭火剂泄露,达不到灭火浓度,灭火效率降低,甚至导致灭火失败。
安全泄压装置课程设计一、课程目标知识目标:1. 学生能理解安全泄压装置的基本概念、工作原理及其在工程实践中的应用。
2. 学生能掌握安全泄压装置的主要类型、结构组成及其功能。
3. 学生能了解安全泄压装置在保障设备运行安全中的重要性。
技能目标:1. 学生能运用所学的知识分析实际工程案例中安全泄压装置的设计和运用。
2. 学生能通过小组合作,设计简单的安全泄压装置,提高解决问题的能力。
3. 学生能运用相关工具和设备对安全泄压装置进行检测、维护和故障排除。
情感态度价值观目标:1. 学生通过学习安全泄压装置,培养对安全生产的责任感和使命感。
2. 学生在小组合作中学会尊重他人意见,培养团队协作精神。
3. 学生通过了解安全泄压装置的应用,增强对科学技术的兴趣和热爱。
课程性质:本课程属于工程与技术学科,旨在培养学生的实践操作能力和安全意识。
学生特点:初三学生具备一定的物理基础和动手能力,对实际应用有较高的兴趣。
教学要求:结合学生特点,注重理论知识与实际应用的结合,提高学生的实践操作能力和安全意识。
在教学过程中,将目标分解为具体的学习成果,以便于教学设计和评估。
二、教学内容1. 安全泄压装置的基本概念与工作原理- 定义、作用及分类- 常见的安全泄压装置及其工作原理2. 安全泄压装置的结构与功能- 泄压阀、安全阀、爆破片等主要部件的结构组成- 各部件在泄压过程中的功能及相互关系3. 安全泄压装置的应用案例- 案例分析:不同场景下安全泄压装置的应用- 实践操作:模拟实验,了解安全泄压装置的实际工作过程4. 安全泄压装置的设计与制作- 设计原则与方法- 小组合作:设计简单的安全泄压装置,并进行性能测试5. 安全泄压装置的检测与维护- 检测方法及注意事项- 故障排除与日常维护教学内容安排与进度:第一课时:安全泄压装置的基本概念与工作原理第二课时:安全泄压装置的结构与功能第三课时:安全泄压装置的应用案例第四课时:安全泄压装置的设计与制作第五课时:安全泄压装置的检测与维护本教学内容依据课程目标,结合教材相关章节,确保科学性和系统性,旨在帮助学生掌握安全泄压装置的相关知识,提高实践操作能力。
1引言由于地下室水浮力破坏造成的工程事故越来越多,抗浮问题引起了重视,给结构设计人员带来了更多的思考和解决方案。
传统的抗浮设计采用压重、抗拔的硬抗式设计方式,具有施工周期较长、造价高、不节能环保等缺点,本工程结合场地地形特征,采用泄水减压的设计方法,减少水浮力造成的地下室抗浮问题,使此项目具有一定的经济性、工期短及保证安全等优点。
2基础抗浮方案分析2.1传统的抗浮方案采用增加结构整体重量或设置抗浮桩、抗拔锚杆等硬抗方式适用性广,几乎所有工程都能适用,但造价高,施工周期长且不节能环保。
2.2泄水减压法可通过设置疏水层、盲沟排水网及室内泄压降水井有效组织排水,降低地下室抗浮水位,从而释放部分(或全部)地下室水浮力。
此设计方法有以下优点:造价低,泄水减压的方法降低了作用在底板下的水压力,在设计时,可通过取消抗拔锚杆及抗拔桩,在有效水压力作用下可减少板厚和配筋,降低造价[1];在施工时,施工工艺要求简单,可机械化施工,不存在混凝土凝期的要求,故工期短,经济效益好。
3工程应用3.1工程概况项目地处广州市增城区三联村,位于广汕路以北,北面环山。
项目地下室为2层,两侧局部为4层,整个场地因有高差,南侧北侧地下室顶标高错开2层,北侧地下室底板底标高为35.8m ,南侧地下室底板底标高为27.45m ,高差为两层地下室层高。
整个项目中心为阶梯式景观园林,通过阶梯消化南北两侧高差,故此部分区域地下室抠出。
3.2场地条件此项目北面临山,小区南侧市政路面最低标高为33.4m ,广汕公路地面标高为23.700m ,整个项目场地的高程比外侧东西主干市政路广汕路高出9.7m 左右。
小区外侧规划路市政雨水管的井底标高均小于29.0m ,地下室底板底标高为27.45m ,地下室底板可考虑有限水压力的疏排水做法。
北侧高标高位置地下室建筑的抗浮方案:在局部4层地下室区域,通过在外墙外侧设置竖向疏水层,连通高低地下室【作者简介】鄢然(1983~),男,湖南常德人,工程师,从事建筑结构设计与研究。
使用HYSYS辅助计算超临界流体泄放摘要:本文介绍了一种超临界流体火灾工况下超压泄放流率的计算方法,并使用HYSYS 辅助计算了一个示例。
关键字:超临界流体、超压泄放流率、HYSYS安全阀是一种安全保护用阀,主要用于锅炉、压力容器和管道上,控制其压力不超过规定值,对人身安全和设备运行起重要保护作用。
随着科技的发展,石油化工生产操作温度操作压力越来越高,从而使安全阀的泄放压力超过临界条件的情况也越来越多。
对于纯净物质,根据温度和压力的不同会呈现出液体、气体、固体等状态变化。
在温度高于某一数值时,任何大的压力均不能使该纯物质由气相转化为液相,此时的温度即被称之为临界温度Tc;而在临界温度下,气体能被液化的最低压力称为临界压力Pc。
当物质所处的温度高于临界温度,压力大于临界压力时,该物质处于超临界状态。
温度及压力均处于临界点以上的流体叫超临界流体。
在超临界状态下,液体与气体分界面消失,汽化潜热接近于零,如按照通常的安全阀火灾工况泄放量计算方法,泄放量=热量/汽化潜热,由于此时汽化潜热接近于零,安全阀的泄放量将非常大。
但实际情况并非如此,超临界流体由于气液不分,会充满整个容器,在火灾工况下,随着热量的输入容器中超临界流体温度(泄放温度)不断升高,压力基本恒定(为泄放压力),受热膨胀,安全阀的泄放量应为超临界流体的体积膨胀量。
这一点和安全阀的热膨胀工况相似。
随着大型电子计算机的出现,计算方法得到迅猛发展,应用到化工过程上,形成了化工模拟软件。
而HYSYS由于它的编写语言的优势,可以实时进行模拟,也就是修改了某一数据,HYSYS可以实时模拟给出新的物性,使其在这一方面,与其他模拟软件相比具有一定的优越性。
本文主要介绍超临界流体火灾工况下安全阀的泄放量计算方法,以及如何使用HYSYS使计算变得方便简洁。
一、超临界流体火灾工况安全阀泄放速率公式推导首先将超临界流体火灾工况的泄放过程按泄放温度递增(有利于物性模拟),比如10个点,不同的温度对应着不同的时间点。
软件介绍软件介绍1.单相流软件1)SPS(1)软件介绍Stoner Pipeline Simulator (SPS)/Simulator (SPS/仿真器)是⼀种瞬态流体仿真应⽤程序,它分为⽓体和液体两个模块,分别⽤于模拟管⽹中天然⽓或(批量)液体的动态流动。
SPS/仿真器可以模拟任何现有的或规划设计中的管道,可对正常或⾮正常条件下,诸如管路破裂、设备故障或其它异常⼯况等,各种不同控制策略的结果作出预测。
SPS/仿真器可⽤于解决在设计及操作天然⽓、密相⽓体或液态烃类管道运输系统时涉及液体、控制系统、液体处理设备的瞬态⾏为的⼏乎所有的问题。
使⽤SPS/仿真器,⽤户可以:①分析设备的启动及关闭②分析运⾏稳定性③分析泵/压缩机的运⾏时间表④研究各种设计及运⾏⽅案的经济性⑤分析喘振情况及设计减压系统⑥设计串级控制系统⑦研究⽓体输送系统的存活期⑧分析对于潜在异常⼯况的系统响应,评估修正⽅案⑨研究批量输送、侧线输送或混合供给的效果⑩研究再循环系统的温升,以及由于与管道周围环境的瞬时热交换造成的产品冷却或加热研究⽓体(特别是⾮理想⽓体)的热效应,例如焦⽿-汤姆逊冷却、减压冷却及多级压缩机的级间冷却设计最⼩旁路流量控制,以防⽌多变压缩机发⽣喘振研究⽓体管道的破裂效应及泄放冷却,以评估管道钢材的脆性(2)适⽤条件本软件⽓态模块主要适⽤于⽓质条件⽐较好的商品天然⽓输送管道、尤其是⼤直径长距离的商品天然⽓管道,液相模块适⽤原油、成品油长输管道的计算分析。
2)PIPELINE STUDIO(1)PipelineStudio软件介绍PipelineStudio软件是由英国ESI公司开发的,与Advantica公司的SPS 软件相类似。
①管道设计在集输管道设计过程中,稳态模拟可以帮助⼯艺设计⼯程师进⾏计算确定⼯艺设计⽅案;瞬态模拟可以针对不同⼯艺设计⽅案进⾏多种典型⼯况条件(如调峰,管道发⽣断裂事故等)下的⾮稳态⼯况计算,从⽽为设计⽅案优选提供数据。
第17期 收稿日期:2020-06-08作者简介:王鲁杰(1987—),浙江宁波人,工程师,主要从事煤化工与石油化工研究。
混合物系安全阀泄放过程的HYSYS模拟王鲁杰(中石化宁波工程有限公司,浙江宁波 315103)摘要:以多组分宽沸点的混合物系为例,分别采用HYSYS软件的稳态与动态模型,模拟安全阀的泄放过程,为安全阀合理选型提供有效的参考依据,保证装置安全生产。
关键词:安全阀;混合物系;HYSYS模拟;火灾工况中图分类号:TQ018 文献标识码:A 文章编号:1008-021X(2020)17-0231-021 概述在石油化工行业生产装置中,安全阀是装置安全系统中最常见的重要组成部分,通常会在压力容器或管道上设置安全阀,以防止系统压力超过承压设备的设计压力而发生事故。
在安全阀设计选型过程中,超压工况的分析、计算是其中的重要组成部分,而火灾工况超压是其最常见工况之一。
混合物系火灾工况下泄放量的确定是工程计算中的难题。
在外部火灾情况下,不同于单一介质,在混合物系火灾工况泄放中,容器内的蒸汽及液相组成是变化的,温度和气化潜热也不是单一值,尤其是多组分宽沸点混合物,火灾工况下,容器持续受热,温度升高,安全阀在达到设定压力后开始泄放,液相各组分按照沸点不同,由低到高逐步气化,随着系统中蒸汽的泄放,蒸汽和液相的组成不断变化,其它物性参数也随之改变。
综上,混合物系的安全阀泄放过程是一个复杂的非稳态过程。
对于多组分混合物系的计算,在API521未明确计算方法。
本文基于API521和设计经验,利用HYSYS软件,分别采用稳态及动态模型模拟物料的泄放过程,并对计算结果进行对比分析。
稳态模拟采用HYSYS软件中自带的SafetyAnalysis模块进行计算;而动态模拟则是通过建立与时间有关的模型,对整个泄放过程进行模拟,计算出最大泄放量与最高泄放温度,对安全阀进行合理选型。
2 设计基础2.1 火灾工况下的吸收热根据APIRP521标准,当容器表面暴露于火灾中时,容器内液体湿润的表面是产生蒸汽的有效面积。
模拟软件泄压模块在压力泄放设计中的应用摘要:系统的压力泄放过程是一个动态过程,在泄放过程中,系统的压力、温度、泄放量、组成等都会随时间变化。
传统的方法只能用经验公式对泄压设备的尺寸进行估算,计算结果比较保守,且不能反映系统温度、压力的变化。
Pro II、Aspen Plus和Aspen Hysys等流程模拟软件都提供了模拟压力泄放过程的工具,不仅可以计算泄压装置的尺寸,而且可以准确描述泄放过程中,系统压力、温度、泄放量随时间的变化,有助于设备的选材、下游火炬系统的设计等工作。
笔者对这些压力泄放模块的功能进行了对比,并介绍了Aspen Hysys在确定泄压装置尺寸、核算设备内壁温度等设计中的应用。
关键词:压力泄放流程模拟动态流程模拟Pro II Aspen Plus Aspen Hysys在装置停车时或者发生火灾等紧急情况下,系统需通过泄压装置进行泄压。
泄压是一个动态过程,对于气相系统,在没有外部火灾的情况下,泄压时系统的压力会逐渐降低,在膨胀过程中温度也有一定的变化;在有外部火灾的情况下,物料在泄放的同时,还会受热膨胀,如泄压装置尺寸过小,系统压力反而还会上升;对于含有液体的系统,除压力、温度外,泄放气体的组成也会不断变化。
泄放系统的设计与被泄放系统的大小、物料性质、泄放压力、泄放温度和火灾情况等诸多因素有关,通常只能按近似的办法估算所需泄放能力。
如果泄放能力过小,在规定时间内无法充分泄压,会出现安全事故;如果泄放能力过大,一方面成本会增加,另外也有可能导致火炬系统超载。
如今,流程模拟软件已成为工艺设计人员最重要的设计工具,它将热力学模型、物性计算、单元操作模拟集成在一个平台中,不仅提高了设计人员的效率,更重要的是设计准确性有了极大提高。
在Pro II、Aspen Plus和Aspen Hysys等主流流程模拟软件中,都有压力泄放模块,笔者将对各泄压模块进行对比,并介绍其在泄压系统设计中的应用。
HYSYS软件在火灾工况泄放计算中的应用徐屹;董菁【摘要】Blow-down Valve(以下简称BDV)是用于油气田设施火灾工况下的泄压阀,因为火灾工况下的泄放量是确定放空系统负荷的关键因素,所以计算BDV泄放量是油气田放空系统设计的必要过程.BDV泄放是一个动态过程,利用油气田流程模拟软件HYSYS可以更准确的计算BDV泄放过程,确定泄放量和泄放温度,为放空管线设计和放空系统核算提供指导.介绍了HYSYS软件在BDV泄放计算中的应用.【期刊名称】《化工设计通讯》【年(卷),期】2016(042)011【总页数】2页(P83,96)【关键词】HYSYS;紧急泄放;动态模拟;BDV【作者】徐屹;董菁【作者单位】中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司,北京 100085【正文语种】中文【中图分类】TQ053.5HYSYS是一款广泛应用于油田地面工程设计的流程模拟软件,其动态模块Depressuring-Dynamics可用于模拟火灾工况下BDV泄放过程,适用于气相设备、气液两相设备、管线和数个相连设备及其附属管线的压力设施的泄压计算。
首先选定设备类型规模,HYSYS模型中的设备分为卧式和立式两种类型,然后定义设备的长度、直径和设备内液体容积,因为HYSYS计算时不考虑设备封头的体积,所以可适当增加设备尺寸以包含实际设备封头体积,同时也需要定义相连管线的长度、积液量等参数。
2.1 绝热方程该模型用于模拟压力容器或者管线的气体泄放,没有外部热源影响,设备和流体的温降由泄压导致,适用于压缩机在紧急工况下的泄压计算。
2.2 应用负荷方程该方程用于模拟火灾工况下的泄放过程,考虑外部热源对泄放计算的影响,方程如下所示:此方程也可用于海底管线的泄压模拟计算。
2.3 API 521火灾方程该方程是API 521含液设备吸热方程[1]的扩展。
含液设备的火灾工况泄放计算通常选用此方程。
2.4 火灾-Stefan Boltzmann方程此方程使用Boltzmann常数,考虑热辐射、强制对流、火焰温度和环境温度,该方程可作为API方程的替代方程。
模拟软件泄压模块在压力泄放设计中的应用
摘要:系统的压力泄放过程是一个动态过程,在泄放过程中,系统的压力、温度、泄放量、组成等都会随时间变化。
传统的方法只能用经验公式对泄压设备的尺寸进行估算,计算结果比较保守,且不能反映系统温度、压力的变化。
Pro II、Aspen Plus和Aspen Hysys等流程模拟软件都提供了模拟压力泄放过程的工具,不仅可以计算泄压装置的尺寸,而且可以准确描述泄放过程中,系统压力、温度、泄放量随时间的变化,有助于设备的选材、下游火炬系统的设计等工作。
笔者对这些压力泄放模块的功能进行了对比,并介绍了Aspen Hysys在确定泄压装置尺寸、核算设备内壁温度等设计中的应用。
关键词:压力泄放流程模拟动态流程模拟Pro II Aspen Plus Aspen Hysys
在装置停车时或者发生火灾等紧急情况下,系统需通过泄压装置进行泄压。
泄压是一个动态过程,对于气相系统,在没有外部火灾的情况下,泄压时系统的压力会逐渐降低,在膨胀过程中温度也有一定的变化;在有外部火灾的情况下,物料在泄放的同时,还会受热膨胀,如泄压装置尺寸过小,系统压力反而还会上升;对于含有液体的系统,除压力、温度外,泄放气体的组成也会不断变化。
泄放系统的设计与被泄放系统的大小、物料性质、泄放压力、泄放温度和火灾情况等诸多因素有关,通常只能按近似的办法估算所需泄放能力。
如果泄放能力过小,在规定时间内无法充分泄压,会出现安全事故;如果泄放能力过大,一方面成本会增加,另外也有可能导致火炬系统超载。
如今,流程模拟软件已成为工艺设计人员最重要的设计工具,它将热力学模型、物性计算、单元操作模拟集成在一个平台中,不仅提高了设计人员的效率,更重要的是设计准确性有了极大提高。
在Pro II、Aspen Plus和Aspen Hysys等主流流程模拟软件中,都有压力泄放模块,笔者将对各泄压模块进行对比,并介绍其在泄压系统设计中的应用。
一、各流程模拟软件泄压模块的比较
在Pro II中,泄压模块与其它模块一样,可以放置在流程图上,然后连接进出物流;在Aspen Plus 中,泄压模拟是Flowsheeting Option中的一个功能;在Aspen Hysys中,可以通过动态泄压模拟工具进行模拟,每个泄压工具会对应一个动态子流程。
在此对各模块的具体功能进行比较。
1.泄放系统初始条件的确定
与常规流程模拟类似,模拟之前要选择组分和热力学方法并确定泄放系统的初始组成和压力、温度等条件。
泄放系统的初始组成是整个系统在泄放前物料存量的组成,各泄压模块的确定方法如表1所示。
2.泄放时的传热
在泄放过程中,如果设备设有保温,泄放过程可视为是绝热;如果设备没有保温或者保温无法确保绝热,则泄放过程与外部环境存在热交换,需要指定传热系数和环境温度等信息;如果有外部火灾或者热量输入,则需要指定热负荷的量或者相应的计算公式。
各泄压模块所支持的传热模型如表2所示。
3.泄压装置泄放能力的计算
4.主要功能比较
比较而言,Pro II中的泄压模块可模拟基本的泄压过程,无法模拟安全阀的开启和关闭行为,不能计算设备壁温,不能直接指定泄压设备的尺寸,仅支持气相排放。
Aspen Plus不仅可以模拟外部火灾或有热量输入情况下的动态泄压过程,而且可以对指定泄放条件下的泄压装置的泄放能力进行估算;支持两相流的泄放,可以对进口和出口管线的压降进行计算,模拟终止条件比较灵活。
Aspen Hysys可以对各类泄放过程进行模拟,能够模拟泄放过程中设备壁温的变化,可以根据指定的泄放能力计算所需泄压装置的尺寸。
Aspen Plus适于两相流泄放过程的模拟,以及在选定安全阀或爆破片后,对额定泄放能力,进、出口管线的压降进行核算,Aspen Hysys 更适于复杂泄放过程的模拟,可用于计算设备壁温和确定泄压装置的尺寸。
在此以Aspen Hysys为例介绍泄压模块在泄压设计中的应用。
二、乙烯缓冲罐泄压装置尺寸的确定
示例:某装置设有一台乙烯缓冲罐,设备的操作压力为30barg,操作温度为30℃,设计压力为40barg,设计温度为80℃,设备直径为3m,设备切线高度为8m,设备材质为碳钢,壁厚为32mm,外壁无保温。
现需为该设备设计一套泄压系统。
根据API 521[1],在池火中,对于1”厚的非湿壁碳钢设备,如果能在15min 内将压力泄放到正常操作压力的一半,设备破裂的时间会从15min延长至2~3小时。
另外对于操作压力高于17barg的设备,应设置泄压设施,为了降低设备泄漏造成的破坏,最终压力可取6.9barg。
1.公式法
2.用Hysys计算非火灾工况下的泄放面积
3.用Hysys计算火灾工况下的泄放面积
三、泄放过程中最低设备壁温的确定
气体泄压的过程是一个膨胀的过程,在膨胀过程中温度会下降。
在计算泄压
装置尺寸的过程中,考虑了火灾工况,此时设备壁温不会出现低温。
在非火灾工况泄压时,需要考虑是否会由于泄压过快导致设备器壁温度过低,为此要确定泄放过程中的最低设备壁温。
1.影响泄放过程中最低设备壁温的因素
设备在泄压过程中,最终壁温与以下因素有关:a)泄压系统的物料组成、b)泄压系统的初始温度、c)泄压系统的初始压力和终止压力、d)设备的质量、e)设备中的物料量、f)膨胀过程的等熵效率和g)与外部的热交换。
四、结论
使用公式计算的泄放面积为632mm2,利用Hysys进行压力泄放过程模拟,得到非火灾工况下的泄放面积为331mm2,火灾工况下的泄放面积为496mm2,Hysys的计算结果较公式法小21.5~47.6%,因此更加经济。
压力泄放模块模拟了系统压力、温度和泄放流量等工艺参数随时间的变化,可以指导下游火炬系统的设计。
Hysys泄压模块可以模拟在泄压过程中设备内壁温度随时间的变化,在其它参数给定的情况下,泄放速度越快,泄放到相同压力时的系统温度越低。
设备壁温是设备热容、与内部物料换热和与环境换热共同作用的结果。
泄放速度越快,设备换热的时间越短,物料温度虽然低,但设备内壁温度反而更高。
模拟表明,虽然在泄放过程中,乙烯缓冲罐中的物料温度会低于-20℃,但是设备壁温不会低于此值,因此可以使用普通碳钢材料。
参考文献
[1]API Std 521,Pressure-relieving and Depressuring Systems [S]
[2]Campbell J. M. Gas Conditioning and Processing (V olume 2)[M],7th edition,USA Campbell publishing series,2004,28~29.
[3]Guidelines for Pressure Relief and Effluent Handling Systems [M],American Institute of Chemical Engineers,New York.
[4]田静,刘棋,苏广全. 火灾泄压放空时限流孔板的实验论证[ J ] . 天然气与石油,2010,28(4):26~29.
[5]Depressurisation:A Practical Guide,Aspen Tech.。