萬宇飛， 陳正文， 劉春雨， 杜夏英， 曲兆光， 程 琳

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300452)

堵塞工況下工藝泄壓系統(tǒng)的動態(tài)分析

萬宇飛， 陳正文， 劉春雨， 杜夏英， 曲兆光， 程 琳

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300452)

以國內(nèi)某海上油田中心平臺原油處理一級分離器(CEPA-V-2001A/B)為依托，建立符合實際情況的工藝泄壓模型，用于單體設(shè)備和多體設(shè)備在堵塞工況下，緊急關(guān)斷閥SDV和安全泄壓閥PSV的泄放過程計算與分析。結(jié)果表明，單體一級分離器氣相或油相出口發(fā)生堵塞時，系統(tǒng)壓力均會超過SDV聯(lián)鎖關(guān)斷壓力和PSV設(shè)定壓力，需考慮設(shè)置SDV和/或PSV安全保護裝置；水相出口發(fā)生堵塞時，本由水相出口排出的水量在油相液位控制器的作用下，通過增大油相出口閥門開度實現(xiàn)油、水同時排出，不會引起系統(tǒng)的超壓；對于給定的單體一級分離器，可選取口徑為324.5 mm的G型PSV閥用于堵塞工況的泄壓保護；當(dāng)兩分離器并聯(lián)工作時，其中某一分離器的氣相、油相或水相出口發(fā)生堵塞，不會引起系統(tǒng)超壓。

堵塞； 動態(tài)； SDV； PSV； 泄放特性

在海上油氣處理過程中，處理設(shè)備的出口閥門(氣相、油相、水相)不可避免的因偶然因素而關(guān)閉，可能會造成設(shè)備內(nèi)壓超過其最大允許工作壓力。API RP 14C[1]中明確規(guī)定：當(dāng)容器設(shè)備過壓時，應(yīng)設(shè)有兩級保護裝置。對于壓力容器，一級保護應(yīng)由壓力高高關(guān)斷(PAHH)傳感器提供，以切斷入口緊急關(guān)斷閥(SDV)，如果容器是受熱設(shè)備，PAHH傳感器也應(yīng)關(guān)斷燃料或加熱源；二級保護應(yīng)由安全閥(PSV)提供。緊急關(guān)斷閥是一種主動保護措施[2]，當(dāng)壓力容器內(nèi)壓力或液位出現(xiàn)高高關(guān)斷時，聯(lián)鎖動作切斷容器入口緊急關(guān)斷閥。安全閥作為壓力容器、管道等承壓設(shè)備的最后一道保護裝置[3-4]，在當(dāng)容器或管道內(nèi)壓達到設(shè)定壓力(不大于最大允許工作壓力[5])時，可自動開啟，及時排出聚集的流體而保護設(shè)備的安全，這種方式屬于一種被動保護方式[6-8]。鑒于此，本文考慮壓力容器出口發(fā)生堵塞工況時，SDV和PSV的響應(yīng)情況，為工程設(shè)計人員對泄放過程和泄放特性的理解提供參考。

1 泄壓系統(tǒng)動態(tài)模型建立

1.1基礎(chǔ)參數(shù)

以國內(nèi)某海上油田中心平臺原油一級處理分離器(CEPA-V-2001A/B)為依托，利用Aspen Hysys軟件動態(tài)模塊建立符合實際情況的動態(tài)工藝泄壓模型，用于單體設(shè)備油、氣、水相出口的堵塞和多體設(shè)備中某一設(shè)備油、氣相出口發(fā)生堵塞工況下，緊急關(guān)斷閥和安全泄壓閥的響應(yīng)分析。

根據(jù)相關(guān)資料，一級生產(chǎn)分離器由兩個同系列、規(guī)格為3.6 m(D)×14 m(L)、帶油槽和油堰的臥式三相分離器(CEPA-V-2001A/B)并聯(lián)而成，處理后原油含水率為20%。壓力和液位的控制參數(shù)如表1所示。

表1 一級分離器壓力和液位的控制參數(shù)Table 1 The controlled pressure and liquid level ofthe CEPA-V-2001A/B

值得注意的是，Hysys軟件中無內(nèi)置帶油槽式的三相分離器，只能通過常規(guī)臥式三相分離器加上堰板形成帶堰板的臥式三相分離器。調(diào)整后的分離器液位控制參數(shù)如表2所示。

表2 一級分離器型式調(diào)整后的液位控制參數(shù)Table 2 The controlled liquid level of the CEPA-V-2001A/B after tuning

進入一級分離器油氣水混合物的溫度為79.8 ℃，壓力為550 kPa，流率為7 235 kg·mole/h，該物流組成如表3所示。

表3 油氣水混合物物流組分Table 3 Composition of oil, gas and water mixture at the entrance

1.2動態(tài)模型的建立

動態(tài)模型建立的一般步驟是[9]，首先在穩(wěn)態(tài)環(huán)境中根據(jù)實際運行情況搭建工藝流程，并輸入各設(shè)備的表征參數(shù)，如分離器的直徑、長度，閥門的Cv值，換熱設(shè)備的k值，安全閥的設(shè)定壓力、最大泄放壓力等。然后根據(jù)控制方案添加進口流量、分離器壓力、油相液位和水相液位等PID控制回路[10-11]。同時，利用Cause & Effect Matrix工具建立高高液位、低低液位和高高壓力的ESD聯(lián)鎖切斷邏輯；使用Event Scheduler工具完成堵塞工況的堵塞方案[12]和采用Strip Charts工具記錄分離器內(nèi)油水液位、壓力、物流量、安全閥開度、泄放量、泄放壓力等關(guān)鍵參數(shù)隨時間的變化情況。最后在穩(wěn)態(tài)環(huán)境下轉(zhuǎn)向動態(tài)模擬環(huán)境運行，觀測各變量的變化情況。

根據(jù)CEPA-V-2001A/B相關(guān)參數(shù)，建立的全動態(tài)單體堵塞工藝模型和多體堵塞工藝模型分別如圖1和圖2所示。

圖1 堵塞工況一級分離器單體設(shè)備動態(tài)模型

Fig.1TheHysysdynamicmodelofCEPA-V-2001Aforblockingcondition

圖2 堵塞工況一級分離器多體設(shè)備動態(tài)模型

Fig.2TheHysysdynamicmodelofCEPA-V-2001A/Bforblockingcondition

2 單體設(shè)備堵塞工況

根據(jù)設(shè)計文件，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)壓力達到高高關(guān)斷(PAHH)900.0 kPa時，觸動緊急關(guān)斷ESD系統(tǒng)，連鎖關(guān)斷容器進口SDV閥門，防止系統(tǒng)的壓力進一步升高。另外當(dāng)容器內(nèi)壓達到1 300.0 kPa時，安全泄壓閥PSV開始泄壓，最大泄放壓力不超過1 430.0 kPa(PSV設(shè)定壓力的110%[13-14])。

2.1氣相出口堵塞

2.1.1 SDV保護 一級分離器單體設(shè)備氣相出口堵塞后SDV閥保護下壓力和液位變化如圖3所示。由圖3可知，一級分離器CEPA-V-2001A運行10 min后，氣體出口閥門因某種因素而關(guān)閉，分離器內(nèi)部壓力明顯上升，在14.9 min時達到900.0 kPa，分離器入口SDV閥聯(lián)鎖關(guān)閉，之后壓力逐步下降，直到27.5 min時兩液體出口閥門關(guān)閉，分離器內(nèi)部壓力穩(wěn)定在859.5 kPa處?？梢钥闯?，當(dāng)氣相出口閥門關(guān)閉后，SDV閥門通過聯(lián)鎖切斷可以有效保護設(shè)備而不超壓。

圖3 一級分離器單體設(shè)備氣相出口堵塞后SDV閥保護下壓力和液位變化Fig.3 The changes of pressure and liquid level under the SDV protection after the gas outlet blocking of CEPA-V-2001A

2.1.2 PSV保護 氣相出口堵塞工況時G型PSV各關(guān)鍵參數(shù)變化情況如圖4—5所示。由圖4—5可知，當(dāng)氣相閥門在運行10 min后關(guān)閉，分離器內(nèi)部壓力急劇上升，并在21 min時，達到PSV閥的開啟壓力1 300.0 kPa；33.5 min時，閥門開度達到93.4%，此時的泄放壓力和泄放量均達到最大值，分別為1 413.4 kPa和2 595.6 kg/h；當(dāng)達到穩(wěn)定泄放時，泄放壓力為1 411.0 kPa，泄放量為2 574 kg/h。從以上分析可以看出，該G型閥門在CEPA-V-2001A氣相出口被堵塞工況下，最大泄放壓力和穩(wěn)定泄放壓力均不大于最大允許泄放壓力1 430.0 kPa，可以滿足泄放要求。

圖4 氣相出口堵塞工況時G型PSV各關(guān)鍵參數(shù)變化Fig.4 Key parameters of PSV changes under the G-type PSV protection after the gas outlet blocking of CEPA-V-2001A

圖5 氣相出口堵塞時G型PSV保護下一級分離器各關(guān)鍵參數(shù)變化

Fig.5KeyparametersofCEPA-V-2001AchangesundertheG-typePSVprotectionafterthegasoutletblocking

2.2油相出口堵塞

2.2.1 SDV保護 一級分離器運行10 min后，油相出口閥門關(guān)閉，分離器內(nèi)部壓力的上升可以分為兩個階段，如圖6所示。第一階段為分離器內(nèi)部液位不斷升高，直到21 min時充滿整個分離器，壓力表現(xiàn)為小范圍內(nèi)先升后降；第二階段表現(xiàn)為分離器內(nèi)部壓力隨時間顯著升高，氣相出口閥門開度不斷增大，高液位的油相從氣相出口流出。最終在32.6 min時，壓力達到了900.0 kPa，入口SDV閥聯(lián)鎖關(guān)閉，分離器內(nèi)部壓力明顯降低，直至153.5 kPa?？梢钥闯?，當(dāng)油相出口因為某種因素關(guān)閉后，可以通過聯(lián)鎖關(guān)閉入口SDV閥，有效地保護設(shè)備防止超壓。

圖6 一級分離器單體設(shè)備油相出口堵塞后SDV閥保護下壓力和液位變化Fig.6 The changes of pressure and liquid level under the SDV protection after the oil outlet blocking of CEPA-V-2001A

2.2.2 PSV保護 油相出口堵塞工況時G型PSV各關(guān)鍵參數(shù)變化如圖7—8所示。由圖7—8可知，CEPA-V-2001A正常運行10 min后油相出口發(fā)生堵塞，分離器內(nèi)部壓力的變化同樣分為液體充滿整個分離器之前和之后兩個階段。當(dāng)液位達到分離器頂部21 min后，壓力顯著升高，并于30.8 min達到PSV閥的開啟壓力1 300.0 kPa；63 min時，泄放壓力和泄放量均達到最大值，分別為1 420.0 kPa和39 328 kg/h。由此可見，該G型閥門在油相出口發(fā)生堵塞后，能夠在最大允許泄放壓力范圍內(nèi)進行泄放，滿足泄放要求。

圖7 油相出口堵塞工況時G型PSV各關(guān)鍵參數(shù)變化Fig.7 Key parameters of PSV changes under the G-type PSV protection after the oil outlet blocking of CEPA-V-2001 A

圖8 油相出口堵塞時G型PSV保護下一級分離器各關(guān)鍵參數(shù)變化

Fig.8KeyparametersofCEPA-V-2001AchangesundertheG-typePSVprotectionaftertheoiloutletblockingofCEPA-V-2001A

2.3水相出口堵塞

一級分離器單體設(shè)備水相出口堵塞后壓力和液位變化如圖9所示。由圖9可以看出，一級分離器CEPA-V-2001A運行10 min后，水相出口閥門發(fā)生堵塞，分離器壓力變化幅度很小，很快又恢復(fù)到起始壓力550.0 kPa。當(dāng)水相出口閥門關(guān)閉后，水位不斷攀升，直到堰板的高度2.2 m處，進入油室，油室的液位通過油相出口閥門的開度來控制，保持在1.3 m處，這主要是因為從水相出口流出的水量較小，對油室的液位影響不大，在油相出口閥門未完全打開之前，就可以將本身從水相出口流出的水相同油相一同排出，值得注意的是，此時處理的原油含水率將高于設(shè)計值20%。同時，水位上升而減少的氣相空間所產(chǎn)生的壓力通過氣相出口閥門的調(diào)節(jié)，維持在550.0 kPa。也就是說，水相出口閥門的突然關(guān)閉不會引起設(shè)備的超壓，不需要通過任何的保護措施。

圖9 一級分離器單體設(shè)備水相出口堵塞后壓力和液位變化

Fig.9ThechangesofpressureandliquidlevelundertheSDVprotectionafterthewateroutletblockingofCEPA-V-2001A

3 多體設(shè)備堵塞工況

該海上油田中心平臺原油處理一級分離器由兩臺同系列設(shè)備并聯(lián)而成。利用建立的并聯(lián)一級分離器(CEPA-V-2001A/B)的Aspen Hysys動態(tài)模型，計算在某一設(shè)備發(fā)生堵塞工況下，該系統(tǒng)內(nèi)各參數(shù)的變化情況。

3.1氣相出口堵塞

并聯(lián)布置下CEPA-V-2001A氣相出口發(fā)生堵塞時該分離器各關(guān)鍵參數(shù)變化如圖10—11所示。由圖可知，CEPA-V-2001A/B正常運行10 min后，CEPA-V-2001A分離器氣相出口發(fā)生堵塞。兩分離器內(nèi)部壓力明顯增高，在20.1 min時壓力達到最大值711.8 kPa，沒有超過SDV閥聯(lián)鎖關(guān)斷壓力900.0 kPa。同時還可以看出，進入CEPA-V-2001A中的物流在壓力升高過程中顯著減小，直到物流全部進入CEPA-V-2001B中脫水處理。而CEPA-V-2001B中因為進入的物流大范圍超過設(shè)計處理量，并在液位控制器的作用下，液相的停留時間有所降低，使出口原油含水率大于設(shè)計值。經(jīng)過分析可以看出，當(dāng)兩分離器并聯(lián)布置時，其中某一設(shè)備氣相出口閥門的關(guān)閉不會引起系統(tǒng)內(nèi)壓超過允許值，也就是說在對并聯(lián)系統(tǒng)的安全分析時，不需考慮這種并聯(lián)設(shè)備的堵塞而引起的超壓。

圖10 并聯(lián)布置下CEPA-V-2001A氣相出口發(fā)生堵塞時該分離器各關(guān)鍵參數(shù)變化

Fig.10KeyparametersofCEPA-V-2001Achangesaftergasoutletchokingunderparallellayout

3.2油相出口堵塞

并聯(lián)布置下CEPA-V-2001A油相出口發(fā)生堵塞時分離器各關(guān)鍵參數(shù)變化如圖12—13所示。由圖12和圖13可以看出，CEPA-V-2001A/B正常運行10 min后，CEPA-V-2001A分離器油相出口閥門關(guān)閉。兩分離器內(nèi)部壓力的變化可以分為兩個階段：上升的油位在到達CEPA-V-2001A頂部之前，和原油從CEPA-V-2001A氣相出口排出兩個過程。整個過程中兩分離器內(nèi)部壓力最大值為655.0 kPa，不超過SDV閥聯(lián)鎖關(guān)斷壓力。同時進入CEPA-V-2001A中的物流隨壓力的升高而減小，直至物流全部通過CEPA-V-2001B進行處理。值得注意的是雖然壓力未超過關(guān)斷壓力，但CEPA-V-2001B原油出口含水率會因為處理量增大，停留時間縮短而超過原設(shè)計值。由以上分析可知，當(dāng)多體設(shè)備并聯(lián)時，如果其中某一設(shè)備的油相出口發(fā)生堵塞，不會引起設(shè)備的超壓。

圖11 并聯(lián)布置下CEPA-V-2001A氣相出口堵塞時CEPA-V-2001B關(guān)鍵參數(shù)變化

Fig.11KeyparametersofCEPA-V-2001BchangesaftertheCEPA-V-2001Agasoutletchokingunderparallellayout

圖12 并聯(lián)布置下CEPA-V-2001A油相出口發(fā)生堵塞時分離器各關(guān)鍵參數(shù)變化

Fig.12KeyparametersofCEPA-V-2001Achangesafteroiloutletchokingunderparallellayout

圖13 并聯(lián)布置下CEPA-V-2001A油相出口堵塞時CEPA-V-2001B關(guān)鍵參數(shù)變化

Fig.13KeyparametersofCEPA-V-2001BchangesaftertheCEPA-V-2001Aoiloutletchokingunderparallellayout

4 結(jié)論

通過以某海上平臺原油處理一級分離器CEPA-V-2001A/B為例，對單體設(shè)備和多體設(shè)備在堵塞工況下，緊急關(guān)斷閥SDV和安全泄壓閥PSV的安全泄放過程進行計算和分析，得到如下結(jié)論：單體一級分離器氣相或油相出口發(fā)生堵塞時，系統(tǒng)壓力均會超過SDV閥聯(lián)鎖關(guān)斷壓力和PSV閥設(shè)定壓力，需要考慮設(shè)定SDV和/或PSV安全保護裝置；水相出口發(fā)生堵塞時，本由水相出口排出的水量在油相液位控制器的作用下，通過增大油相出口閥門開度實現(xiàn)油、水同時排出，不會引起系統(tǒng)的超壓；對于給定單體一級分離器單獨工作發(fā)生的堵塞工況，依據(jù)油、氣相出口堵塞而產(chǎn)生的最大泄放量與泄放壓力，這里選取口徑為324.5 mm的G型PSV閥；當(dāng)兩分離器并聯(lián)工作時，其中某一分離器的氣相、油相或水相出口發(fā)生堵塞，不會引起系統(tǒng)超壓?；蛘哒f當(dāng)分離器并聯(lián)設(shè)置時，會減緩或消除因為堵塞引起的系統(tǒng)超壓現(xiàn)象。

[1] American Petroleum Institute. API RP 14C，Recommended practice for analysis design, installation and testing of basie surface safety systems for offshore production platforms[S]．7th edition. Washington D C:API Publishing Services，2001．

[2] 顏映霄．三相分離器安全閥的設(shè)計[J]．中國海洋平臺，1999(5)：26-28．

Yan Yingxiao．PSV selection for three phase separator[J]．China Offshore Platform，1999(5)：26-28．

[3] 李治貴，宮儉純，姜來舉．海洋平臺上安全閥的設(shè)計與選型[J]．儀器儀表用戶，2015，22(2)：96-98．

Li Zhigui，Gong Jianchun，Jiang Laiju．The design and selection of pressure relief valve for offshore platform[J]．Electronic Instrumentation Customers，2015，22(2)：96-98．

[4] 傅小立，陳兵．壓力容器安全閥泄放量計算的探討[J]．中國特種設(shè)備安全，2009，25(6)：10-12．

Fu Xiaoli，Chen Bing．Disscuasion on PSV discharge capacity for pressure vessel[J]．China Special Equipment Safety，2009，25(6)：10-12．

[5] American Petroleum Institute.API RP 520:Sizing selection and installation of pressure-relieving devices[S]．7th edition. Washington D C:API Publishing Services，2000．

[6] 關(guān)新鳳，劉德俊，葛嵐，等．無風(fēng)條件下大型油罐密封圈火災(zāi)的安全評估[J]．遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報，2015，35(3)：31-34．

Guan Xinfeng，Liu Dejun，Ge Lan，et al．Safety assessment of large storage tank’s seal ring fire[J]．Journal of Liaoning Shihua University，2015，35(3)：31-34．

[7] 馮濤江．壓力容器安全泄放量的計算與安全閥的選擇[J]．中國化工裝備，2008，10(4)：43-44．

Feng Taojiang．The calculation of security leaking quantity and the selection of safety valve for pressure vessels[J]．China Chemical Industry Equipment，2008，10(4)：43-44．

[8] 劉茜，李春磊．海洋平臺壓力容器安全閥最大泄放量的確定[J]．船海工程，2013，42(3)：182-183．

Liu Qian， Li Chunlei．Determination of maximal discharge of the pressure vessel relief valve on offshore platform[J]．Ship & Ocean Engineering，2013，42(3)：182-183．

[9] 郭廣智，何中德，黃磊．用動態(tài)模擬軟件HYSYS指導(dǎo)裝置生產(chǎn)[J]．石油化工設(shè)計，1997(4)：53-57．

Guo Guangzhi，He Zhongde，Huang Lei．Dynamie simulation software hysys for unit operation[J]．Petrochemical Design，1997(4)：53-57．

[10] Padula F，Visioli A．Tuning rules for optimal PID and fractional-order PID controllers [J]．Journal of Process Control，2011，21(1)：69-81．

[11] 李琦瑰，杜雪麟．差壓法測量油水兩相流流量[J]．石油化工高等學(xué)校學(xué)報，2015，28(1)：70-77．

Li Qigui，Du Xuelin. Flow measurement of the oil water two phase flow by differential pressure method[J]. Journal of Petrochemical Universities, 2015, 28(1): 70-77.

[12] Alshammari Y M，Hellgardt K．A new HYSYS model for underground gasification of hydrocarbons under hydrothermal conditions [J]．International Journal of Hydrogen Energy，2014，39(24)：12648-12656．

[13] American Petroleum Institute.API Standard 521:Pressure relieving and depressuring systems[S]．5th edition. Washington D C:API Publishing Services，2007．

[14] 陳榮旗．海上平臺火炬系統(tǒng)設(shè)計泄放量的確定[J]．中國海上油氣(工程)，1997，9(5)：4-7．

Chen Rongqi．Determine the design release quantity of flare system on offshore platform[J]．China Offshore Oil and Gas：Engineering，1997，9(5)：4-7．

Dynamic Analysis on Pressure Relief Process under Blocking Accident

Wan Yufei, Chen Zhengwen, Liu Chunyu, Du Xiaying, Qu Zhaoguang, Cheng Lin

(TianjinBranch,CNOOCLtd.,Tianjin300452,China)

Based on the primary production separators (CEPA-V-2001A/B) of an offshore center platform in domestic, models, in line with actual production, are established. Key parameters in the separators and relief characteristics are investigated when choking accident occurs. Following conclusion is drawing: Firstly, when oil or gas outlet of CEPA-V-2001A is blocked, separator pressure will surpass the set point of SDV and PSV, and protection devices, such as SDV or PSV, should be taken into account. However, while the water outlet is choked, the pressure will not climb too high to protection; Secondly, according to simulation and comparison, a G-type PSV with 324.5 mm-diameter is selected for protection under blocking accident; Lastly, equipping with two separators in parallel can ease, or eliminate the pressure climbing of the system.

Block；Dynamics； SDV； PSV； Relief characteristics

1006-396X(2017)05-0072-08

投稿網(wǎng)址：http://journal.lnpu.edu.cn

TE832

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.05.014

2016-06-23

2017-09-06

國家重大專項“渤海油田高效開發(fā)示范工程”(2016ZX05058004-003)。

萬宇飛(1988-)，男，碩士，從事海上油田開發(fā)方面研究；E-mail：wanyf2@cnooc.com.cn。

(編輯 王亞新)