劉本旭 唐祖友 王清嶺 陳軍

1中原油田石油工程技術(shù)研究院

2中國石油華北油田分公司第四采油廠

橇裝式CO2注入裝置[1]可用于高滲透和低滲透油田的驅(qū)油[2-4]、二氧化碳泡沫堵水及氣井注二氧化碳控水，注入橇主要由液態(tài)CO2儲罐、注入泵、控制閥和連接管線等組成。裝置在運行時，儲罐液面以下內(nèi)部空間被液態(tài)CO2充滿，發(fā)生緊急情況時，去下游的流程被切斷，整個注入裝置形成一個封閉的容器。由于周圍環(huán)境溫度較高，尤其當(dāng)處于火災(zāi)環(huán)境中時，液態(tài)CO2會不斷汽化，造成裝置壓力升高，為保證安全，注入橇應(yīng)設(shè)置緊急泄壓系統(tǒng)，用于緊急情況時防止設(shè)備超壓。同時，通過模擬計算研究泄壓過程中壓力、溫度和泄放量等參數(shù)的變化，對裝置設(shè)計和現(xiàn)場操作具有指導(dǎo)意義。泄壓過程中溫度參數(shù)的變化可作為裝置設(shè)計時選材的參考；泄放量計算結(jié)果可用于放空系統(tǒng)的設(shè)計[5-8]；壓力和溫度的變化趨勢與裝置實際運行數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，可作為裝置參數(shù)調(diào)整和故障排除的參考依據(jù)。

1 泄壓工況分析

系統(tǒng)中介質(zhì)為純CO2，壓力為2 MPa（G）（下同），溫度為-17.18℃。整個橇塊的容積等量于一個長度12 m、直徑3.2 m的平底圓柱形容器，容器體積為96.49 m3，初始液體體積77 m3。

根據(jù)API RP 521的規(guī)定，在火災(zāi)情況下，減壓泄放速率需滿足15 min內(nèi)使系統(tǒng)減壓至系統(tǒng)設(shè)計壓力的50%或690 kPa，取其中較低值。因此本次計算設(shè)定15 min內(nèi)，系統(tǒng)泄壓至690 kPa。

2 模型初始條件設(shè)定

2.1 HYSYS動態(tài)泄壓模塊

HYSYS中有一個應(yīng)用（Depressuring-Dynam‐ics）可用于模擬容器的降壓過程。此應(yīng)用可以設(shè)置不同的閥門模型和傳熱工況，模型計算采用嚴(yán)格動態(tài)求解器。該求解器用于模擬計算盛裝氣體或氣液混合物的容器、管線和由多個容器或管線組成的系統(tǒng)通過單個閥門的泄壓過程。

有火災(zāi)模型和絕熱模型2種泄壓計算模型。火災(zāi)模型用于模擬火災(zāi)條件下容器泄壓；絕熱模型用于模擬沒有外熱輸入條件下的泄壓。其中火災(zāi)模型有Fire、Fire Stefan Boltzmann和Fire API521共3種。由于泄壓系統(tǒng)設(shè)計普遍參考API521標(biāo)準(zhǔn)，因此本文中對絕熱模型和Fire API521火災(zāi)模型進(jìn)行計算。

2.2 模型參數(shù)設(shè)定

2.2.1 物性計算方程選擇

關(guān)于CO2物性計算方程的選用，文獻(xiàn)研究顯示，在臨界溫度以下Peng-Robinson方程具有較高的精度[9-11]，能夠滿足工程計算的需要，由于本文的計算范圍均在CO2臨界溫度（31.06℃）以下，因此物性計算選用Peng-Robinson方程。

2.2.2 動態(tài)泄壓模塊添加

動態(tài)泄壓模塊可以通過工具下拉菜單中的應(yīng)用進(jìn)行添加。

動態(tài)泄壓過程中可以對多個參數(shù)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控并記錄，本次模擬記錄的參數(shù)包括容器內(nèi)氣相溫度和壓力、容器內(nèi)液相溫度、容器壁溫、泄放氣溫度和瞬時流量。

2.2.3 熱流參數(shù)設(shè)置

絕熱泄壓模型沒有外熱進(jìn)入，因此不需要設(shè)置相關(guān)熱量輸入的參數(shù)。

Fire API521火災(zāi)模型中HYSYS使用的熱流方程為

API標(biāo)準(zhǔn)中的方程為

式中：Q為潤濕部分吸收的熱量，BTU/h；F為環(huán)境因子；A為總的潤濕面積，ft2；V為容器內(nèi)液體體積。

HYSYS中的方程是標(biāo)準(zhǔn)API中方程的延伸，因此C1等于21 000F，C2等于0.82。

潤濕面積是指被容器內(nèi)部液體浸潤的表面積，當(dāng)容器外表面暴露在火焰中時，這部分面積是產(chǎn)生大量揮發(fā)氣體的有效面積。API推薦僅把高于著火源7.6 m以內(nèi)的容器潤濕部分作為有效部分。如果C3取值為0，則整個運算過程都采用初始狀態(tài)的潤濕面積；如果C3取1，則對于立式儲罐來說，潤濕面積與液體體積成正比。為保守計算，火災(zāi)工況下的吸熱量始終按初始狀態(tài)吸熱量計算。

為了同API521標(biāo)準(zhǔn)中推薦的吸熱量方程相吻合，本次模擬中C1取值21 000，C2取值0.82，C3取值0。

3 結(jié)果與分析

動態(tài)模擬計算結(jié)果顯示，絕熱工況下所需孔板泄放面積為7 096 mm2，火災(zāi)工況下所需孔板泄放面積為8 053 mm2。容器泄壓過程中壓力、溫度等參數(shù)是隨時間不斷變化的，其變化規(guī)律可以從本次模擬計算結(jié)果中得到。

3.1 壓力變化

容器壓力隨時間的變化如圖1所示，在15 min內(nèi)，容器壓力由初始壓力2 MPa（G)（下同）降至0.56 MPa。在泄壓的前半段，約380 s以前，即壓力從2 MPa降至1.14 MPa是一個加速下降的過程，平均降壓速率為2.26 kPa/s；380～900 s，即壓力從1.14 MPa降至0.56 MPa，壓力降低速率曲線逐漸變緩，平均減壓速率為1.12 kPa/s。此降壓曲線可與實際降壓過程中的壓力變化進(jìn)行對比，用于分析降壓過程中是否發(fā)生凍堵或其他異常情況。

3.2 溫度變化

圖1 容器內(nèi)頂部氣相壓力隨時間的變化Fig.1 Change of gas pressure at the top of the vessel with time

圖2 容器內(nèi)氣相溫度隨時間的變化Fig.2 Change of gas phase temperature in the vessel with time

圖3 容器內(nèi)液相溫度隨時間的變化Fig.3 Change of liquid phase temperature in the vessel with time

容器內(nèi)介質(zhì)的溫度變化如圖2、圖3所示。溫度的下降基本與時間呈線性關(guān)系，其下降速率約為2.2℃/min。容器內(nèi)壁溫度隨時間的變化如圖4、圖5所示。容器壁溫在開始階段下降較慢，但速率在不斷增加，并逐漸變成線性變化。同時氣相介質(zhì)溫度與壁溫的差距大于液相介質(zhì)同壁溫的差距，這是由于液相的對流傳熱系數(shù)大于氣相的對流傳熱系數(shù)。泄放出的CO2氣體溫度變化如圖6所示。由于壓力迅速降低產(chǎn)生節(jié)流效應(yīng)，泄放氣的溫度低于容器內(nèi)氣相溫度，最初泄放氣的溫度為-52.01℃，并且隨著容器壓力的不斷降低，節(jié)流溫差越來越小。這是由于壓差不斷減小造成的，但泄放氣的溫度在不斷降低，泄放達(dá)到終止壓力時溫度為-60.8℃。

圖4 容器氣相內(nèi)壁溫度隨時間的變化Fig.4 Change of the inner wall temperature of the gas phase in the vessel with time

圖5 容器液相內(nèi)壁溫度隨時間的變化Fig.5 Change of the inner wall temperature of the liquid phase in the vessel with time

圖6 泄放氣體溫度隨時間的變化Fig.6 Venting gas temperature changes with time

3.3 泄放量的變化

如圖7所示，瞬時泄放量的變化規(guī)律與容器壓力變化類似，泄放量的降低經(jīng)歷了先加速后減速的過程?；馂?zāi)工況和絕熱工況的最大泄放量均位于泄放的最開始，火災(zāi)情況下的最大泄放速率為222.8 t/h，總泄放量為31.2 t，泄壓前后容器內(nèi)氣相質(zhì)量分別為1.07 t和0.95 t，液相質(zhì)量分別為78.4 t和47.2 t；絕熱工況下最大泄放速率為196.6 t/h，總泄放量為27.6 t，泄壓前后容器內(nèi)氣相質(zhì)量分別為1.07 t和0.9 t，液相質(zhì)量分別為78.4 t和50.8 t；火災(zāi)工況比絕熱工況多放出3.6 t CO2，這是由于火災(zāi)工況下對容器的持續(xù)熱量輸入，使得一部分液態(tài)CO2汽化造成的。

圖7 瞬時泄放量隨時間的變化Fig.7 Instantaneous bleed amount changes with time

4 結(jié)論

采用HYSYS中的動態(tài)泄壓模塊對液態(tài)CO2注入橇的泄壓過程進(jìn)行了動態(tài)模擬，計算了絕熱工況和火災(zāi)工況下所需的孔板孔口面積，對泄壓過程中的壓力、溫度和泄放量的變化趨勢進(jìn)行了分析。計算結(jié)果表明：在泄壓過程中，容器壓力的下降經(jīng)歷了先加速再降速的過程；容器內(nèi)介質(zhì)溫度基本呈線性變化；泄放量的變化同壓力的變化規(guī)律類似。動態(tài)泄壓模塊可用于液態(tài)CO2注入橇的動態(tài)泄壓過程參數(shù)變化規(guī)律的模擬計算，計算結(jié)果可作為液態(tài)CO2注入設(shè)備設(shè)計和選材依據(jù)，并可作為實際運行過程中參數(shù)調(diào)節(jié)和故障排除的參考。