超临界流体安全阀泄放的动态模拟研究

王磊 郝振鹏 宋悦

中国石油管道局工程有限公司配管室

1 概 述

液化天然气(LNG)管道低温液体的操作温度通常为-150～-130 ℃， API-521-2014《PressurE-relieving and depressuring systems》规定[1]，操作人员误操作、仪表空气失气、失电、火灾等工况均会造成仪表控制阀的关闭，进而形成LNG管道的封闭空间，封闭在管道中的低温液体从环境中吸收热量发生膨胀，导致封闭管段超压、发生危险，而封闭空间的形成是LNG管道发生潜在超压的充分条件。因此，LNG管道应安装热膨胀安全阀，并且热膨胀安全阀计算应分别考虑上述潜在触发形成封闭空间的工况。当封闭空间低温液体处于临界压力以下时，泄放流体可能存在液体、气液两相及气体3种相态。当封闭空间低温液体处于临界压力以上时，流体气液界面消失，流体物性同时兼具液体性质与气体性质，泄放流体状态无法按照绝对的液体、气液两相及气体等相态考虑。虽然API-521-2014给出了处理暴露于明火中的超临界流体泄放量的估算公式，但此公式成立的前提要求是“泄放过程中容器的壁温低于破裂压力”和“泄放状态流体温度没有变化”。在超临界LNG管道安全阀超压泄放的实际过程中，随着火焰连续燃烧，容器壁温和容器内气体的温度随时间的延续而增高，并且在泄放压力下其温度就会更加升高，如果火焰充分延续，泄放温度有可能会超过设计温度，甚至可能会因泄放温度的升高而导致容器破裂。在此期间，泄放流体的温度、压力、绝热系数、压缩因子、热容等热力学参数也在不断发生变化。因此，实际工程项目中，经常遇到超临界流体安全阀泄放过程并不符合API-521-2014推荐公式的适用范围[1]，而规范中并未给出解决此类问题的严格计算公式，在工程设计阶段，设计人员只能参照使用上述公式计算，但计算过程和结果往往难以接受。API-521-2014推荐了采用动态模拟的计算方法，条款中指出动态模拟可用于传统计算方法适用的任何场合，并且能够用于研究工艺操作参数随运行时间的灵敏度分析。

Hysys Dynamic模拟软件是应用最广泛的动态流程模拟软件，可模拟分析石油化工装置的工艺过程，反映实际生产中流量、温度、压力、产品组成等随时间及其他干扰因素的响应变化过程，指导生产装置的正常操作、稳定运行[2-4]，已广泛被国内外研究机构和工程公司应用[5-16]，其计算结果也已被广泛验证和认可。

本研究利用传统计算方法计算超临界流体安全泄放量，列出传统计算方法的局限性。同时，借助Hysys Dynamic模拟对相同目标对象进行动态模拟，实时模拟泄放过程中管道内压力、温度、流体流量等参数随时间的变化，验证安全阀泄放设施的设置是否满足泄放要求，也为类似复杂流体泄放工况提供一种科学准确的解决方法。

2 LNG管道安全阀泄放计算

2.1 LNG管道参数

LNG管道的主要操作参数见表1和表2。

表1 天然气组成Table 1 Composition of natural gas in the study组分摩尔分数CH40.90C2H60.05C3H80.04N20.01

表2 LNG管道的主要参数Table 2 Main parameters of LNG pipeline操作压力(G)/kPa570操作温度/℃-150管道公称直径/mm500管道长度/m24管道容积/m34.7保冷是保冷材料厚度/mm210保冷材料热传导系数/(W·(m·K)-1)0.044安全阀设定压力(G)/kPa12 000安全阀超压/%10安全阀标准代号D安全阀喉径面积/m271火灾工况下环境温度/℃593

2.2 LNG管线安全阀泄放传统计算方法

API-521-2014给出了处理暴露于明火中的超临界流体泄放量的估算公式，如式(1)～式(2)。

(1)

(2)

式中：T1为泄放压力下对应的泄放温度，K；Tw为容器或管道壁温的温度,K，规范推荐最大壁温取值为866 K；Tn为正常操作温度,K，取值为123 K；pn为正常操作压力,kPa，取值670 kPa；p1为安全阀泄放压力,kPa，取值13 300 kPa。经计算得出，安全阀泄放状态下的泄放温度T1约为2441 K(2 168 ℃)，该泄放温度远远大于管道最大壁温，操作压力还未达到安全阀的设定压力，管道就会出现因操作温度过高而破裂的现象。上述传统计算公式无法适用该工况，其适用范围具有一定的局限性。

2.3 LNG管线安全阀泄放动态模型

2.3.1LNG管线动态模型

采用Hysys Dynamic中的管段、安全阀等模块建立模型，利用趋势图来研究LNG管线安全阀放空过程压力、温度、流体流量等参数的动态变化趋势。由于在模拟过程中需多次输入放空时间、喉径面积等参数，软件操作繁琐，为了提高输入不同工况参数的操作效率，在动态模型中增加了流量控制阀、压力控制阀、流量控制器、压力控制器、电子表格等模块工具，动态模型如图1所示。

其中，对上述动态模型中的几个单元模块说明如下：

(1) 控制阀可进行进出口物流间的物料和热量平衡计算，基于两股物流相等的质量和焓进行闪蒸计算，该模块假定流动过程为等焓过程。

(2) 安全阀通常用来模拟工程项目中的弹簧式安全阀，用来防止系统的压力积累造成的危险情况的发生。

(3) 管段用于模拟包含一系列不同种类的管道系统或大容量的闭合管网系统，可对单相或多相管网进行严格热传递计算。

2.3.2模拟计算结果

本研究以LNG管道封闭空间的超临界流体为研究对象，模拟火灾工况下封闭管道内LNG与环境间的热量传递，研究封闭空间LNG的操作压力、操作温度、安全阀泄放量等工艺参数随时间的变化趋势，进而验证并判断所选取安全泄放设施是否能保证装置的安全。火灾工况下，封闭空间内LNG主要通过热传导和对流等传热方式同环境空气进行热量传递，此工况环境温度按照593 ℃考虑。封闭空间的LNG操作温度和操作压力的关系如图2所示,传热量和安全阀泄放量随时间的变化趋势如图3所示。

由图2和图3可见：

(1) 封闭空间LNG的起始状态的操作点位于A处，A处液体的操作压力和操作温度低，此时LNG同环境传热量约为356 000 kJ/h，安全阀处于关闭状态。

(2) 随着传热的进行，封闭空间内LNG继续吸热，体积膨胀，操作压力迅速升高，操作温度也稍有升高，当运行时间约为65 min时，封闭空间的操作压力达到安全阀的设定压力(G)12 000 kPa，安全阀开启，泄放流体操作温度约为-96 ℃，超压流体约2 900 kg/h，此时操作点位于C处，LNG管线同环境的传热量约为211 000 kJ/h。

(3) 示例中选中的安全阀在正常泄放过程中，由于吸热量较低，不足以维持安全阀一直处于全部开启状态，当安全阀开启泄放掉少量超压液体时，安全阀随后回座，操作压力在安全阀的回座压力和泄放压力间不停波动，操作温度不断升高。

(4) 随着操作温度的逐渐升高，操作点右移，LNG完全气化为气相天然气，天然气同环境的换热量逐渐降低，直至达到热平衡。

(5) 由计算可知，火灾工况下LNG管线操作压力升高至安全阀设定压力后，操作压力一直在安全阀设定压力和泄放压力之间波动，并未继续升高，因此可说明该管线所选择的TRV能够满足管线火灾超压工况的泄放要求。

3 结 论

通过采用传统计算方法和Hysys Dynamic模拟对LNG管道超临界流体安全泄放分别进行计算，得出以下结论：

(1) 采用传统计算方法计算出超临界流体安全阀的泄放温度远远大于管道最大壁温，操作压力还未达到安全阀的设定压力，管道就会因操作温度过高而破裂。传统计算公式无法适用该工况，其适用范围具有一定的局限性。

(2) 动态模拟软件可准确和实时模拟泄放过程中流体物性、压力、温度、流体流量等参数随时间的变化，真实反映安全阀泄放过程，有利于提高设计者对泄放过程的理解。同时，动态模拟方法也为设计者提供了一种解决复杂流体泄放工况准确合理的解决途径。

(3) 采用动态模拟不仅能对已选型的安全阀喉径面积进行校核，验证安全阀泄放设施的设置是否满足泄放要求，也可借助试差的方法计算出合理的安全阀喉径面积，用于安全阀的选型。