海上平臺火災(zāi)火炬泄放負(fù)荷計算

海上平臺火災(zāi)火炬泄放負(fù)荷計算

0火炬負(fù)荷的計算方法海洋平臺的火炬出口負(fù)荷直接決定了平臺火炬系統(tǒng)的能力和火炬臂的長度。泄放負(fù)荷的傳統(tǒng)計算方法由受火的單個泄放源最大泄放流量加和確定，結(jié)果較保守，造成火炬系統(tǒng)能力偏大。動態(tài)模擬方法能準(zhǔn)確反映泄放過程中各參數(shù)隨時間的變化，促進(jìn)對泄放過程的理解1井計量pla和生產(chǎn)水處理系統(tǒng)某海上采油平臺原油系統(tǒng)采用兩級脫水處理，工藝流程見圖1。井口物流經(jīng)油嘴降壓后進(jìn)入生產(chǎn)/測試管匯，需要單井計量的物流進(jìn)入測試管匯經(jīng)多相流量計（MFM）計量，進(jìn)入生產(chǎn)管匯，經(jīng)一級分離器處理到含水20%，二級分離器處理到含水0.5%，最后由原油外輸泵輸送到生產(chǎn)儲油船（FPSO）儲存，分離器處理后的污水進(jìn)入生產(chǎn)水處理系統(tǒng)。一、二級分離器在同一火區(qū)內(nèi)且相鄰布置，存在火災(zāi)同時泄壓的工況，且火災(zāi)工況泄放量決定火炬泄放能力2系統(tǒng)的動態(tài)加載計算模型2.1設(shè)備吸熱量的計算外部火災(zāi)引起設(shè)備內(nèi)液體汽化，造成設(shè)備超壓。安全閥需要泄放汽化產(chǎn)生的多余氣體，其泄放流量受火災(zāi)吸熱量和液相汽化潛熱影響，計算見式（1）?；馂?zāi)吸熱量主要受著火燃料類型、火焰包圍程度（與容器大小和形狀有關(guān)）、環(huán)境因子、防火和排放措施影響。對于那些具有有效的滅火措施和易燃物排放系統(tǒng)的設(shè)備，其吸熱量采用式（2），考慮到設(shè)備本身保溫層對吸熱量的影響，對于單層隔熱層的容器，F(xiàn)因子采用式（3）計算。式中：W為安全閥泄放質(zhì)量流量，kg/s;Q為設(shè)備吸熱量，kW;H為泄放溫度壓力下的汽化潛熱，kJ/kg。式中：Q為濕潤表面總吸熱量，kW;F為環(huán)境系數(shù)；A式中：k為平均溫度下的隔熱層導(dǎo)熱系數(shù)，W/m·K；δ2.2破裂溫度對計算的影響容器在火災(zāi)中加熱升溫，設(shè)備材料強(qiáng)度相應(yīng)降低，當(dāng)材料強(qiáng)度低于最大允許工作壓力下的許用應(yīng)力時，設(shè)備有破裂風(fēng)險，此時安全閥將失去保護(hù)作用，因此在模擬計算中泄放溫度應(yīng)限制在破裂溫度下。設(shè)備最大允許工作壓力下材料應(yīng)力見表1，常用碳鋼Q345R的高溫屈服強(qiáng)度2.3工藝參數(shù)各工藝設(shè)計參數(shù)見表2～4。2.4動態(tài)模擬控制首先建立系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬，運(yùn)行穩(wěn)定后切換到動態(tài)模式，輸入分離器、閥門、泵等參數(shù)，對分離器進(jìn)行壓力和液位控制（PIC和LIC控制），PID參數(shù)見表5,HYSYS動態(tài)模擬流程見圖3。根據(jù)式（2)～(3），在Spread-Sheet輸入火災(zāi)吸熱自動計算公式，建立火災(zāi)工況EventScheduler事故邏輯控制，在火災(zāi)工況發(fā)生時關(guān)閉分離器進(jìn)出口，并將火災(zāi)熱量給予分離器，進(jìn)行動態(tài)泄放計算和模擬。利用StripChart監(jiān)測記錄分離器泄放溫度、壓力、液位，安全閥開度、泄放流量等數(shù)據(jù)。3系統(tǒng)的動態(tài)發(fā)布性能結(jié)果和分析3.1消溫體系內(nèi)部溫度一、二級分離器壓力和液位在設(shè)定點(diǎn)（SP）下，動態(tài)泄放中各參數(shù)曲線見圖4～5，由圖4～5可知：火災(zāi)安全閥泄放流量出現(xiàn)兩個峰值流量，一級分離器在3.4h出現(xiàn)第一個峰值，8.7h出現(xiàn)第二個峰值；二級分離器在2.5h出現(xiàn)第一個峰值，5.9h出現(xiàn)第二個峰值；發(fā)生火災(zāi)后，液體受熱膨脹體積增大，液位會短暫升高，隨著泄放持續(xù)進(jìn)行，液位呈持續(xù)下降趨勢；隨著火災(zāi)吸熱量的不斷輸入，分離器內(nèi)溫度不斷升高，由圖2可知，溫度達(dá)到300℃，材料屈服強(qiáng)度約等于最大允許工作壓力下的材料應(yīng)力，因此泄放溫度限制在300℃；分離器受火加熱后，物料不斷膨脹，壓力升高，在安全閥設(shè)定壓力點(diǎn)，安全閥開始打開，達(dá)到設(shè)定點(diǎn)壓力1.21倍3.2基于敏感性分析的初始壓力、設(shè)備尺寸影響因素泄放流量受物流組分、起始壓力、起始溫度、起始液位、設(shè)備尺寸等因素影響，物流組分、起始溫度、設(shè)備尺寸屬于確定因素，而起始壓力及起始液位往往在一定范圍內(nèi)波動，需要對這兩個變量進(jìn)行敏感性分析。3.2.1泄放流量的影響圖6～7是在相同壓力（SP壓力）不同液位下，泄放流量的變化曲線。由圖6～7可知，不同液位下，安全閥的起跳時間和產(chǎn)生的泄放流量均不同。液位越低，越先達(dá)到起跳壓力；液位越高，泄放流量越大，高高液位相比低低液位，泄放流量分別增加3375kg/h（一級）/1694kg/h（二級），增加幅度約94%和74%。因為液位越低，罐內(nèi)殘留的液相越少，氣液相變轉(zhuǎn)化時間越快；液位越高，沾濕面積越大，吸熱量越大，相變轉(zhuǎn)化為氣相質(zhì)量流量越大，因此泄放流量越大。3.2.2級分離器泄放流量大、壓力小圖8～9是在相同液位（SP液位）不同壓力下，泄放流量的變化曲線。由圖8～9可知，一級分離器在低低壓力下的泄放流量較大，而二級分離器在高高壓力下的泄放流量較大，不同壓力下的泄放流量變化較小。因為壓力不同，達(dá)到相平衡的氣相和液相中的組分也不同，導(dǎo)致泄放流量有所差異，而分離器操作壓力的變化范圍不大，對氣液相平衡的組分影響較小?？紤]在正常工況下2臺分離器處于SP壓力下，因此將高高液位和正常壓力將作為安全閥泄放流量的最大工況，進(jìn)行系統(tǒng)泄放負(fù)荷計算。3.3泄放峰值的時間在高高液位和正常壓力下，重新進(jìn)行一、二級分離器動態(tài)泄放模擬，得到系統(tǒng)動態(tài)泄放負(fù)荷曲線，見圖10。由于一、二級分離器內(nèi)物料量不同，達(dá)到泄放峰值的時間也不同，即存在錯峰現(xiàn)象。由3.1節(jié)可知，動態(tài)泄放溫度限制在300℃，系統(tǒng)動態(tài)泄放負(fù)荷曲線調(diào)整后見圖11。由圖11可知，一二級分離器只出現(xiàn)一次泄放峰值，對應(yīng)泄放流量分別為7864、4667kg/h，系統(tǒng)動態(tài)最大泄放流量為8368kg/h。表6對比常規(guī)加和法和系統(tǒng)動態(tài)模擬法，可知系統(tǒng)動態(tài)方法對火炬系統(tǒng)的影響，系統(tǒng)動態(tài)模擬可以明顯縮減火炬系統(tǒng)負(fù)荷，降低設(shè)備和管線尺寸。4泄放流量敏感性分析通過系統(tǒng)動態(tài)模擬方法，研究火災(zāi)工況下安全閥動態(tài)泄放過程，得出如下結(jié)論：1）單分離器在整個泄放過程中會出現(xiàn)兩個峰值，由于設(shè)備材料的高溫屈服強(qiáng)度對泄放溫度的限制，第二個峰值位于該泄放溫度以上，將不考慮第二個峰值流量。2）對影響泄放流量的起始液位和起始壓力兩個因素進(jìn)行敏感性分析，結(jié)果表明起始液位對泄放峰值流量影響很大，液位越高，泄放流量越大，起始壓力對泄放流量的影響較小。3）在高高液位和正常