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安全阀火灾工况下泄放量静态模拟计算

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山　东　化　工
收稿日期：２０１８－０４－０９
作者简介：许　凯（１９８２—），男，山东人，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为汽柴加氢、润滑油加氢、加氢裂化等。

安全阀火灾工况下泄放量静态模拟计算
许　凯
（中海油石化工程有限公司，山东青岛　２６６１０１）
摘要：对于处理多组份介质的分离器，其安全阀在火灾工况下最大泄放量的确定，由于缺少必要的研究工具，历来都是工程计算中的难
题。

本文详细介绍了一种利用Ｈ
ＹＳＹＳ模拟火灾工况安全阀泄放量静态计算的实例。

利用此方法可得到安全阀设计所需的必要数据，提高设备的安全性。

关键词：ＨＹＳＹＳ；泄放量；火灾；静态模拟中图分类号：ＴＱ０１５ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００８－０２１Ｘ（２０１８）１１－０１７６－０２
ＳｔａｔｉｃＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒＲｅｌｉｅｆＣａｐａｃｉｔｙｏｆＰＳＶｏｎＦｉｒｅＣｏｎｄｉｔｉｏｎ
ＸｕＫａｉ
（ＣＮＯＯＣＰｅｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｑｉｎｇｄａｏ　２６６１０１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｍａｘｉｍｕｍｒｅｌｉｅｆｃａｐａｃｉｔｙｏｆＰＳＶｏｆｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｍｕｌｔｉｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｅｐａｒａｔｏｒｕｎｄｅｒｆｉｒｅｃａｓｅｉｓａｌｗａｙｓａｄｉｆｆｉｃｕｌｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｂｅｃａｕｓｅｏｆｌａｃｋｏｆｎｅｃｅｓｓａｒｙｒｅｓｅａｒｃｈｔｏｏｌｓ．ＡｒｅｌｉｅｆｃａｐａｃｉｔｙｓｔａｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈＨＹＳＹＳｏｎｆｉｒｅｃａｓｅｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｄｕｒｉｎｇｄｅｓｉｇｎｏｆＰＳＶ．ＷｅｃａｎｇｅｔｎｅｃｅｓｓａｒｙｄａｔａｒｅｑｕｉｒｅｄｆｏｒＰＳＶｄｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｓａｆｅｔｙｏｆｅｑｕｉｐｍｅｎｔｂｙｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＨＹＳＹＳ；ｒｅｌｉｅｆｃａｐａｃｉｔｙ；ｆｉｒｅｃａｓｅ；ｓｔａｔｉｃｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ 石油化工行业所用的分离器设备，均为压力容器，多处理
的具有宽沸点范围的多元混合物［１］。

多组分介质火灾状况下安全阀的计算采用常规方法，其安全阀的最大泄放量很难确定
的，冯传令等［２－３］
介绍了国外公司的一种近似模拟方法，只介
绍了方法原理，可操作性不强。

罗娜［４］
也介绍了多组份多级闪蒸的方法，理解困难且实用性不足。

本文通过一个实例，详细
的介绍一种利用Ｈ
ＹＳＹＳ软件的静态模拟方法来计算火灾工况下的安全阀泄放量，此方法并已在工程中得到实际运用。

１　方法介绍
ＨＹＳＹＳ静态下模拟安全阀泄放量的基本思路：每次闪蒸时保证进入容器内混合物流的实际体积流量始终为常量即容器
的总容积。

然后给定一温度段（如５
℃），计算出加热的热量，并将热量加给分离器，此时可得出从分离器泄放出的气体。

重复上述闪蒸步骤，直到找到最大释放量为止。

并假设分离器内高液位或高高液位作为火灾释放时的初始液位。

２　模型参数
表１、表２是某海外项目天然气处理厂用的天然气压缩机二级压缩系统中，入口分离器及其分离后物料的工艺数据。

表１　入口分离器工艺尺寸和工艺数据
项目数据容器形式立式两相分离器容器尺寸／ｍｍ３１００Ｉ．Ｄ×６８００Ｔ／Ｔ
液位高度／ｍｍ
２３００初始湿润面积／ｍ２
３２．８７液相初始体积／ｍ３３８．１汽相初始体积／ｍ
３２１．４６安全阀设定压力／ｋＰａｇ
５６．０超压／％２１操作温度／℃
２５．２７
表２　分离后气液两相摩尔组成（ｍｏｌ）
组分气相液相Ｍｅｔｈａｎｅ０．５４４５０．００４３Ｅｔｈａｎｅ０．１５０２０．００６７Ｐｒｏｐａｎｅ０．１０４７０．０１６６ｉ－Ｂｕｔａｎｅ０．０１７８０．００７１ｎ－Ｂｕｔａｎｅ０．０４７１０．０２６６ｉ－Ｐｅｎｔａｎｅ０．０１５３０．０２１７ｎ－Ｐｅｎｔａｎｅ０．０１８５０．０３４８ｎ－Ｈｅｘａｎｅ０．０１９４０．１１７１ｎ－Ｈｅｐｔａｎｅ０．００３１０．０５７１ｎ－Ｏｃｔａｎｅ０．０００２０．０１０３ＣＯ２０．０４７６０．００１０Ｈ２Ｏ０．００６７０．６９５４Ｎｉｔｒｏｇｅｎ０．００４５０．００００Ｈ２Ｓ０．０２０４０．００１２∑
１００
１００
３　模拟过程描述和分析
由于闪蒸次数较多，图１仅举例表示ＨＹＳＹＳ模拟火灾过程
静态泄放前两次示意图，具体模拟过程如下：
（１）初始化气液两相物流。

从ＨＹＳＹＳ模型中，拷贝入口分离器气液两相出口物流，通过Ａｄｊｕｓｔ运算，使气液物流的实际体积流量为表１分离器气、液的初始体积；将其混合得到操作
条件下的物流Ｌ－
ＯＰ。

（２）实现容器内的流体从操作条件（Ｐ，Ｔ）过渡到ＰＳＶ阀的设定条件（Ｐ，Ｔ）：
ａ．加Ｂａｌａｎｃｅ逻辑运算，将Ｌ－ＯＰ物流的ｍｏｌｅ和ｈｅａｔ参数传到物流Ｌ－ＳＥＴ（其压力为ＰＳＶ的设定压力）；，Ｌ－ＯＰ物流对
·
６７１·ＳＨＡＮＤＯＮＧＣＨＥＭＩＣＡＬＩＮＤＵＳＴＲＹ ２０１８年第４７卷
　第１１期应的初始沾湿面积，根据公式ｑ＝２１０００ＦＡ０．８２算出在该条件下容器受热所吸收的热量；
ｂ．加Ａｄｊｕｓｔ逻辑运算，调整Ｌ－ＳＰ物流的温度使得Ｌ－ＳＰ物流的实际体积流量与Ｌ－ＯＰ物流的实际体积流量的差值为０；
ｃ．给Ｂａｌａｎｃｅ逻辑运算器增加能量物流Ｑ－１，ＨＹＳＹＳ会自动计算其值；即可得到流体从操作条件到设定条件所需的时间ｔ＝Ｑ１／
ｑ；（３）随着热量的进一步输入，容器内流体从设定条件过渡到ＰＳＶ阀的释放条件Ｌ－ＡＣＣ，此时，流体开始释放。

实现方法与计算同步骤２。

（
４）开始进行第一次闪蒸计算。

根据沾湿面积算出容器吸收的热量ｑ３
，利用Ｓｅｔ逻辑运算定义Ｖ－１闪蒸气相出口温度比入口物流高５℃，需要的热量Ｑ３由ＨＹＳＹＳ自动计算。

经过闪蒸计算后，气相出口物流分割成两个物流：ＧＧ２与从ＰＳＶ阀释
放出的流量Ｖ
ｅｎｔ１，调整ＧＧ２摩尔流量使进入下一级Ｖ－２的入口物流量与Ｌ－
ＡＣＣ相同。

然后混合ＧＧ２物流和ＬＬ１物流混合后进入第２次闪蒸。

在得到流体从释放条件到第一次闪蒸所经历的时间ｔ１＝Ｑ３／ｑ３后，就可以算出闪蒸后通过ＰＳＶ阀实际的释放量Ｍ１＝ｍ／ｔ１
；其中ｍ为Ｖｅｎｔ１物流中流体的质量；（５）开始第２次闪蒸计算，重复步骤４，直到找到最大释放
量为止。

图１　从操作条件开始的火灾工况模拟
４　计算结果
根据以上模拟过程，利用表３制作火灾泄放量计算书。

表３　泄放量计算书
时间／ｈ
累积时间／ｈ压力／ｋＰａｇ
温度／℃润湿面积／ｍ
２
计算吸热
ｑ／（ｋＪ／ｈ）
模拟吸热
Ｑ／ｋＪ模拟泄放量
ｍ／ｋｇ实际泄放量
Ｍ／（ｋｇ／ｈ）
Ｌ－ＯＰ００３８０２５．２７０Ｌ－ＳＥＴ０．４８０．４８５６０５２．１９３２．９２７２５５５６１３２００００Ｌ－ＡＣＣ０．２５０．７３６８０６７．８２３３．７２７８１５２７６９５８００Ｖｅｎｔ１０．１００．８３６８０７２．８２３４．１２８１００６２２８１８００７５．３６７５１．５Ｖｅｎｔ２０．１００．９４６８０７７．８２３４．１２８１０３３２２８８６００８８．５８６１．８…
…
…
…
…
…
…
…
…
…
图２　泄放量随泄放时间的变化
从图２可以看出：分离器经过多级的闪蒸计算，在设定的累积压力下，温度以５℃的温差不断升高，由于介质中各组分的沸点均不同，随着温度的提升，低沸点的组分先气化，从液体中释放出来，到累积压力通过安全阀泄放出去。

但容器内气液两相的总体积是不变的，介质组分还将继续气化，因此泄放量也是变化的。

从泄放开始到２．６８ｈ泄放量是逐渐增加，２．６８ｈ后实际泄放量在不断下降。

开始泄放２．６８ｈ时泄放量最大为３７８６．４ｋｇ／ｈ。

此方法从工程实际应用时，得出的泄放量较为保守，可直接用于安全阀的选型计算。

５　结论
涉及多组分液体分离器火灾工况安全阀释放量的计算，无
法用公式直接计算得出释放量。

现在动态模拟被广泛运用，某些软件可很方便得到泄放量。

但在设计院实际运用中由于无法得到此方法的计算过程，给校审工作带来很大困难。

本文使用的静态模拟方法，可以相对精确的计算出火灾工况下安全阀的泄放量，其计算过程实际就是安全阀的泄放过程，运算易于理解，该方法在国外同行中广泛使用。

尽管计算过程看似繁琐，但实际应用时利用目前计算软件还是很方便的。

参考文献
［１］陈文峰，刘培林，郭　洲，等．复杂物系压力容器安全阀泄放
过程的ＨＹＳＹＳ动态模拟［Ｊ］．天然气与石油，２０１０，２８（６）：５５－５７．［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．［３］刘　茜，李春磊．海洋平台压力容器安全阀最大泄放量的确
定［Ｊ］．船海工程，２０１３，４２（３）：１８２－１８７．［４］罗　娜．多组分液体容器安全阀外部火灾工况下释放量的
计算［Ｊ］．化工设计，２０１４，２４（２）：８－１１．（本文文献格式：许　凯．安全阀火灾工况下泄放量静态模拟计算［Ｊ］．山东化工，２０１８，４７（１１）：１７６－１７７．）
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７７１·许　凯：安全阀火灾工况下泄放量静态模拟计算。

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特殊工况安全阀泄放量的计算分析

特殊工况安全阀泄放量的计算分析

在具体排放量的计算过程中，要对其中具体环境进行分析，充分考虑容器器壁与容器内部气体温度的变化之中；若存在安全阀压力不足、容器已经发生破坏的情况时，必须要及时采取其他措施保护设备安全，如淋水、减压等。
二、火灾工况下隔热层计算方法火灾是一种常见特殊工况，现阶段国内主要采用两种方式计算火灾工况下安全阀泄放量：（1）设备未设置隔热层：公式2该公式中，W代表容器安全排放量，单位为kg/h；代表泄放过程中减低系数；A代表容器受热面积，单位为m2；Q代表液体在泄压过程中企划潜热情况单位为KJ/kg。
关键词：安全阀泄放量计算；特殊工况石油化工产品多为易燃易爆的危险介质，因此石化装置安全性尤为重要。现阶段石化企业多采用安全阀来提升石油化工产品安全管理能力。在实际应用过程中，安全阀的大小、数量都影响安全阀总排放量，加强对安全阀泄放量的讨论在保护石化产品安全中发挥着重要作用。同时，随着石油化工企业进一步发展，在安全管理中问题越来越多，所面临的特殊工况频次越来越高，有必要对特殊工况下安全阀泄放量作进一步讨论。
一、火灾工况下，容器为干表面计算方法1、计算公式分析干表面（非湿润表面）容器指容器内介质为气体（或蒸汽、超临界流体），包括容器内介质在操作情况下是气液两相，但在泄放时成为单相（临界点以上）。
外部发生火灾时，器壁向内部传输的温度是有限的，温度主要集中在容器外部，高温会导致容器外部破坏。资料指出（API520 1993版），当器壁厚度为25.4mm时，12min后，器壁温度就会上升到593℃，导致器壁变形直至破坏。同时，本文对不同厚度器壁高热变形时间进行统计，具体结果见图表1。
对石化企业而言，装备设置大型化已成为企业装备发展的必然趋势，容器尺寸也在不断增长。若单方面用公式2计算，则存在明显缺点，即若总排量越大，其相应的火炬、火炬管线也要增大，这种增大则代表总投资数额增加，不符合企业生产、管理的实际要求；同时，对公式3的使用要求：设备已具有完整的保温层。现阶段我国各石油化工企业对其尚未有明确的概念，因此使用公式3的外部环境上不完善，只单方面存在于理论推理过程中，在计算过程中经常会出现“不会算、不敢算”的情况。
09.9.14 安全阀泄放能力计算：

09.9.14 安全阀泄放能力计算：

第二部分：安全附件校核计算：一、安全阀校核计算：GC3压力管道在1.25 MPa减压到0.3 MPa后，要设置安全阀。

因为介质为蒸气，故选用全启式安全阀GC3压力管道蒸汽吹扫，设备分段吹扫，C-72电捕焦需蒸汽量最大315 kg/h，所以管道最大蒸汽泄放量为：315 kg/h 。

1、安全阀泄放能力计算根据GB150 P137（一）、临界条件：p0 / p d ≤（2/k+1）k/k-1安全阀泄放能力计算选用公式w s = 7.6–2×10-2 C K p d A (M/ZT) ∧2 kg/h查表标准HG/T 20570.2一95，安全阀的设置和选用表 16.0.2水蒸汽：k=1.32p0——安全阀的出口侧压力MPa （绝压） 0.1 MPap S——安全阀的整定压力0.3 MPap d——安全阀的排放压力（绝压） p d =1.1 p S +0.1 MPa p d =1.1 p S +0.1 MPa=1.1×0.3+0.1=0.43 MPa（2/k+1）k/k-1 =（2/2.32）4.125=0.5490.23＜0.549故：p0 / p d ≤（2/k+1）k/k-1安全阀泄放能力计算公式：w s = 7.6–2×10-2 C K p d A (M/ZT) ∧2 kg/h参数如下：选安全阀阀座喉径：d1=32 ，DN50w s——安全阀的排放能力 kg/hK—排放系数全启式：K=0.6p d——安全阀的排放压力，（绝压） 0.43 MPap d =1.1 p S +0.1 MPap S——安全阀的整定压力， 0.3 MPap0——安全阀的出口侧压力， MPa （绝压） 0.1 MPa A- 安全阀的最小排气截面积， mm 2H——安全阀的开启高度，d1 ——安全阀最小流通直径（阀座喉径）mm 全启式安全阀 h≥1/4d1 时，即A=πd12/4A=π d12/4=π（32）2 /4=804 mm 2k——气体绝热系数查表16.0.2 当k=1.32 C——气体特性系数查表GB150 ，P137 C=349 M——气体摩尔质量 18kg/kmolT——气体的温度K 143+273=416Z——在操作温度压力下的压缩系数查表16.0.2 临界温度：647 K泄放介质的温度：143+273=416 K对比温度：416/647=0.67查表16.0.2 临界压力：22.13 MPa泄放介质的压力：0.43 MPa对比压力：0.43/22.13=0.019查表GB150 ，P138 ，Z=0.9阀座喉径：d1=32的安全阀泄放能力为：w s = 7.6–2×10-2 C K p d A (M/ZT) ∧2 kg/h=7.6×10-2 × 349×0.6 ×0.43×804（18/416×0.9）∧2=7.6×10-2 × 349×0.6× 0.43×804×0.219= 1204 kg/h工艺上要求安全阀最大蒸汽泄放量为：315 kg/h 。

关于安全阀排放量的计算公式

关于安全阀排放量的计算公式

关于安全阀设计程序使用中的问题说明一. 关于火灾时气体储罐排放量的计算公式最近有同志在使用室里发布的安全阀计算程序时发现，当储罐的操作温度较高时会出现（866-T ）为负值的情况，使计算无法进行。

为搞清楚问题的原因，我进行了初步的研究，首先找公式的出处，然后分析问题出现的原因。

该公式来自API521中的3.15.2.1.2节，文中讲：对于非湿润情况的储罐（指气体罐）在火灾情况下排放量的计算应用下式：1,,P A F A =------------------------------------------------------------------⑴式中的,A 是储罐的受热面积，A 是安全阀的排放面积，F ，是环境系数，可查表或用下式计算：dCK 1406.0F =()⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡-6506.0125.11w T T T -----------------------------------------------⑵而T 1是安全阀排放时的温度，T w 是储罐的壁温。

T 1的计算是用下式：1T =n n 1T PP ⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛ ----------------------------------------------------------------⑶式（2）中的C 用下式计算：C=1-k 1k 1k 2k 520+⎪⎭⎫⎝⎛+ -----------------------------------------------------⑷而安全阀排放面积的计算可用下式： A=MTZK K P CK W cb 1d ---------------------------------------------------⑸整理以上5个公式，化简后可得到下式：W=0.1406()⎪⎪⎭⎫⎝⎛-1.1506125.11,1T T Tw A MP ------------------------------------⑹ 上式换算为公制就是我们应用的公式：换算过程是：英制公式中温度单位是：兰氏R ，1RK=0.5556K ；1ft 2=0.3048m 2 1 pou/in 2=6.8947kpa 1 lb/h=0.45359kg/h 整理得下式：()() 1.251 1.150611.2511.150611110.304820.5556W 0.4535910.5556T W W A T T T A T T W ⎡⎤⎡⎤-⨯⎥⎢⎥⎣⎦⎥⨯=⎥⎡⎤⨯⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎤-=⎥⎥⎦换为我们标准中的符号得：W=8.765M P 1⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-25.11506.111w T T T A --------------------------------------⑺在API521的文字说明中，编者强调对F ，的数值推荐最小值是0.01，又说当最小值未知时，可以使用0.045来计算。

火灾工况安全泄放量计算

火灾工况安全泄放量计算

1.气瓶火灾工况安全泄放量计算（依据HG/T 20570.2-95）无湿润表面的容器在外部火灾情况下，容器将在短时间内由于金属材料的软化而发生破坏。

设置安全阀将不能独立保护这类容器不受损坏，仅能在短时间内（金属软化之前）起作用。

因此要采取其它的办法如外保温、水喷淋或自动/手动泄压系统（安装控制阀。

无湿润表面的容器在外部火灾情况下的泄放量W=8.764(T w−T)1.25T1.1506∙A1∙MP式中：W——安全泄放量，Kg/h；A1——暴露面积（）为距地面或能形成大面积火焰的平台上方7.5m以下的气瓶外表面；Tw——金属壁温，对于碳钢为593℃（866K）；P——介质泄放压力（绝压），MPa；T——泄放温度，根据理想气体状态方程计算。

2.最小泄放面积计算（依据HG/T 20570.2-95）a=576.7×′1PF’——泄放阀因子按下式计算，F’的最小值为0.01，如果F’没有足够的数据进行计算，则F’取0.045。

F′=0.2∙(T w−T)1.25X∙C0∙T0.6505式中：C0——流量系数，由制造厂提供，如没有制造厂数据时，C0取0.975；X——气体特性系数，查表16.0.1。

3. 以气瓶WGS-558.8-2250-20型气瓶为例计算（介质为CNG）：3.1火灾工况安全泄放量计算D——气瓶外直径，D=558.8mm;L——气瓶总长度，L=10980mm;R——封头外半径，R=279.4mm;L1——瓶口端面至封头切线距离，L1=360mm;L2——瓶体直段长度，L2=10260mm;A1——气瓶外表面积，A1=4πR2+πDL2=19.0m2；M——介质气体分子量，M=16.04；P——介质泄放压力（绝压），T=33.5MPa;P n——介质正常操作压力，P n=20.1MPa;T n——介质气体正常操作温度，Tn=333K（取最高工作温度）;T——介质泄放温度，T=PT nP n=555K;T w——金属壁温，对于碳钢T w=866K；W=8.764×(866−555)1.255551.1506×19.0×16.04×33.5=3507Kg/h 3.2火灾工况最小泄放面积计算C0——流量系数，C0=0.975；X——气体特性系数，查表HG/T 20570.2-95中表16.0.1，X=348。