王磊 郝振鵬 宋悅

中國(guó)石油管道局工程有限公司配管室

1 概 述

液化天然氣(LNG)管道低溫液體的操作溫度通常為-150～-130 ℃， API-521-2014《PressurE-relieving and depressuring systems》規(guī)定[1]，操作人員誤操作、儀表空氣失氣、失電、火災(zāi)等工況均會(huì)造成儀表控制閥的關(guān)閉，進(jìn)而形成LNG管道的封閉空間，封閉在管道中的低溫液體從環(huán)境中吸收熱量發(fā)生膨脹，導(dǎo)致封閉管段超壓、發(fā)生危險(xiǎn)，而封閉空間的形成是LNG管道發(fā)生潛在超壓的充分條件。因此，LNG管道應(yīng)安裝熱膨脹安全閥，并且熱膨脹安全閥計(jì)算應(yīng)分別考慮上述潛在觸發(fā)形成封閉空間的工況。當(dāng)封閉空間低溫液體處于臨界壓力以下時(shí)，泄放流體可能存在液體、氣液兩相及氣體3種相態(tài)。當(dāng)封閉空間低溫液體處于臨界壓力以上時(shí)，流體氣液界面消失，流體物性同時(shí)兼具液體性質(zhì)與氣體性質(zhì)，泄放流體狀態(tài)無(wú)法按照絕對(duì)的液體、氣液兩相及氣體等相態(tài)考慮。雖然API-521-2014給出了處理暴露于明火中的超臨界流體泄放量的估算公式，但此公式成立的前提要求是“泄放過(guò)程中容器的壁溫低于破裂壓力”和“泄放狀態(tài)流體溫度沒(méi)有變化”。在超臨界LNG管道安全閥超壓泄放的實(shí)際過(guò)程中，隨著火焰連續(xù)燃燒，容器壁溫和容器內(nèi)氣體的溫度隨時(shí)間的延續(xù)而增高，并且在泄放壓力下其溫度就會(huì)更加升高，如果火焰充分延續(xù)，泄放溫度有可能會(huì)超過(guò)設(shè)計(jì)溫度，甚至可能會(huì)因泄放溫度的升高而導(dǎo)致容器破裂。在此期間，泄放流體的溫度、壓力、絕熱系數(shù)、壓縮因子、熱容等熱力學(xué)參數(shù)也在不斷發(fā)生變化。因此，實(shí)際工程項(xiàng)目中，經(jīng)常遇到超臨界流體安全閥泄放過(guò)程并不符合API-521-2014推薦公式的適用范圍[1]，而規(guī)范中并未給出解決此類問(wèn)題的嚴(yán)格計(jì)算公式，在工程設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)人員只能參照使用上述公式計(jì)算，但計(jì)算過(guò)程和結(jié)果往往難以接受。API-521-2014推薦了采用動(dòng)態(tài)模擬的計(jì)算方法，條款中指出動(dòng)態(tài)模擬可用于傳統(tǒng)計(jì)算方法適用的任何場(chǎng)合，并且能夠用于研究工藝操作參數(shù)隨運(yùn)行時(shí)間的靈敏度分析。

Hysys Dynamic模擬軟件是應(yīng)用最廣泛的動(dòng)態(tài)流程模擬軟件，可模擬分析石油化工裝置的工藝過(guò)程，反映實(shí)際生產(chǎn)中流量、溫度、壓力、產(chǎn)品組成等隨時(shí)間及其他干擾因素的響應(yīng)變化過(guò)程，指導(dǎo)生產(chǎn)裝置的正常操作、穩(wěn)定運(yùn)行[2-4]，已廣泛被國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和工程公司應(yīng)用[5-16]，其計(jì)算結(jié)果也已被廣泛驗(yàn)證和認(rèn)可。

本研究利用傳統(tǒng)計(jì)算方法計(jì)算超臨界流體安全泄放量，列出傳統(tǒng)計(jì)算方法的局限性。同時(shí)，借助Hysys Dynamic模擬對(duì)相同目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，實(shí)時(shí)模擬泄放過(guò)程中管道內(nèi)壓力、溫度、流體流量等參數(shù)隨時(shí)間的變化，驗(yàn)證安全閥泄放設(shè)施的設(shè)置是否滿足泄放要求，也為類似復(fù)雜流體泄放工況提供一種科學(xué)準(zhǔn)確的解決方法。

2 LNG管道安全閥泄放計(jì)算

2.1 LNG管道參數(shù)

LNG管道的主要操作參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

表1 天然氣組成Table 1 Composition of natural gas in the study組分摩爾分?jǐn)?shù)CH40.90C2H60.05C3H80.04N20.01

表2 LNG管道的主要參數(shù)Table 2 Main parameters of LNG pipeline操作壓力(G)/kPa570操作溫度/℃-150管道公稱直徑/mm500管道長(zhǎng)度/m24管道容積/m34.7保冷是保冷材料厚度/mm210保冷材料熱傳導(dǎo)系數(shù)/(W·(m·K)-1)0.044安全閥設(shè)定壓力(G)/kPa12 000安全閥超壓/%10安全閥標(biāo)準(zhǔn)代號(hào)D安全閥喉徑面積/m271火災(zāi)工況下環(huán)境溫度/℃593

2.2 LNG管線安全閥泄放傳統(tǒng)計(jì)算方法

API-521-2014給出了處理暴露于明火中的超臨界流體泄放量的估算公式，如式(1)～式(2)。

(1)

(2)

式中：T1為泄放壓力下對(duì)應(yīng)的泄放溫度，K；Tw為容器或管道壁溫的溫度,K，規(guī)范推薦最大壁溫取值為866 K；Tn為正常操作溫度,K，取值為123 K；pn為正常操作壓力,kPa，取值670 kPa；p1為安全閥泄放壓力,kPa，取值13 300 kPa。經(jīng)計(jì)算得出，安全閥泄放狀態(tài)下的泄放溫度T1約為2441 K(2 168 ℃)，該泄放溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管道最大壁溫，操作壓力還未達(dá)到安全閥的設(shè)定壓力，管道就會(huì)出現(xiàn)因操作溫度過(guò)高而破裂的現(xiàn)象。上述傳統(tǒng)計(jì)算公式無(wú)法適用該工況，其適用范圍具有一定的局限性。

2.3 LNG管線安全閥泄放動(dòng)態(tài)模型

2.3.1LNG管線動(dòng)態(tài)模型

采用Hysys Dynamic中的管段、安全閥等模塊建立模型，利用趨勢(shì)圖來(lái)研究LNG管線安全閥放空過(guò)程壓力、溫度、流體流量等參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)。由于在模擬過(guò)程中需多次輸入放空時(shí)間、喉徑面積等參數(shù)，軟件操作繁瑣，為了提高輸入不同工況參數(shù)的操作效率，在動(dòng)態(tài)模型中增加了流量控制閥、壓力控制閥、流量控制器、壓力控制器、電子表格等模塊工具，動(dòng)態(tài)模型如圖1所示。

其中，對(duì)上述動(dòng)態(tài)模型中的幾個(gè)單元模塊說(shuō)明如下：

(1) 控制閥可進(jìn)行進(jìn)出口物流間的物料和熱量平衡計(jì)算，基于兩股物流相等的質(zhì)量和焓進(jìn)行閃蒸計(jì)算，該模塊假定流動(dòng)過(guò)程為等焓過(guò)程。

(2) 安全閥通常用來(lái)模擬工程項(xiàng)目中的彈簧式安全閥，用來(lái)防止系統(tǒng)的壓力積累造成的危險(xiǎn)情況的發(fā)生。

(3) 管段用于模擬包含一系列不同種類的管道系統(tǒng)或大容量的閉合管網(wǎng)系統(tǒng)，可對(duì)單相或多相管網(wǎng)進(jìn)行嚴(yán)格熱傳遞計(jì)算。

2.3.2模擬計(jì)算結(jié)果

本研究以LNG管道封閉空間的超臨界流體為研究對(duì)象，模擬火災(zāi)工況下封閉管道內(nèi)LNG與環(huán)境間的熱量傳遞，研究封閉空間LNG的操作壓力、操作溫度、安全閥泄放量等工藝參數(shù)隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，進(jìn)而驗(yàn)證并判斷所選取安全泄放設(shè)施是否能保證裝置的安全。火災(zāi)工況下，封閉空間內(nèi)LNG主要通過(guò)熱傳導(dǎo)和對(duì)流等傳熱方式同環(huán)境空氣進(jìn)行熱量傳遞，此工況環(huán)境溫度按照593 ℃考慮。封閉空間的LNG操作溫度和操作壓力的關(guān)系如圖2所示,傳熱量和安全閥泄放量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖3所示。

由圖2和圖3可見(jiàn)：

(1) 封閉空間LNG的起始狀態(tài)的操作點(diǎn)位于A處，A處液體的操作壓力和操作溫度低，此時(shí)LNG同環(huán)境傳熱量約為356 000 kJ/h，安全閥處于關(guān)閉狀態(tài)。

(2) 隨著傳熱的進(jìn)行，封閉空間內(nèi)LNG繼續(xù)吸熱，體積膨脹，操作壓力迅速升高，操作溫度也稍有升高，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間約為65 min時(shí)，封閉空間的操作壓力達(dá)到安全閥的設(shè)定壓力(G)12 000 kPa，安全閥開(kāi)啟，泄放流體操作溫度約為-96 ℃，超壓流體約2 900 kg/h，此時(shí)操作點(diǎn)位于C處，LNG管線同環(huán)境的傳熱量約為211 000 kJ/h。

(3) 示例中選中的安全閥在正常泄放過(guò)程中，由于吸熱量較低，不足以維持安全閥一直處于全部開(kāi)啟狀態(tài)，當(dāng)安全閥開(kāi)啟泄放掉少量超壓液體時(shí)，安全閥隨后回座，操作壓力在安全閥的回座壓力和泄放壓力間不停波動(dòng)，操作溫度不斷升高。

(4) 隨著操作溫度的逐漸升高，操作點(diǎn)右移，LNG完全氣化為氣相天然氣，天然氣同環(huán)境的換熱量逐漸降低，直至達(dá)到熱平衡。

(5) 由計(jì)算可知，火災(zāi)工況下LNG管線操作壓力升高至安全閥設(shè)定壓力后，操作壓力一直在安全閥設(shè)定壓力和泄放壓力之間波動(dòng)，并未繼續(xù)升高，因此可說(shuō)明該管線所選擇的TRV能夠滿足管線火災(zāi)超壓工況的泄放要求。

3 結(jié) 論

通過(guò)采用傳統(tǒng)計(jì)算方法和Hysys Dynamic模擬對(duì)LNG管道超臨界流體安全泄放分別進(jìn)行計(jì)算，得出以下結(jié)論：

(1) 采用傳統(tǒng)計(jì)算方法計(jì)算出超臨界流體安全閥的泄放溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管道最大壁溫，操作壓力還未達(dá)到安全閥的設(shè)定壓力，管道就會(huì)因操作溫度過(guò)高而破裂。傳統(tǒng)計(jì)算公式無(wú)法適用該工況，其適用范圍具有一定的局限性。

(2) 動(dòng)態(tài)模擬軟件可準(zhǔn)確和實(shí)時(shí)模擬泄放過(guò)程中流體物性、壓力、溫度、流體流量等參數(shù)隨時(shí)間的變化，真實(shí)反映安全閥泄放過(guò)程，有利于提高設(shè)計(jì)者對(duì)泄放過(guò)程的理解。同時(shí)，動(dòng)態(tài)模擬方法也為設(shè)計(jì)者提供了一種解決復(fù)雜流體泄放工況準(zhǔn)確合理的解決途徑。

(3) 采用動(dòng)態(tài)模擬不僅能對(duì)已選型的安全閥喉徑面積進(jìn)行校核，驗(yàn)證安全閥泄放設(shè)施的設(shè)置是否滿足泄放要求，也可借助試差的方法計(jì)算出合理的安全閥喉徑面積，用于安全閥的選型。