模拟软件泄压模块在压力泄放设计中的应用

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摘 要： 系统的压力泄放过程是一个动态过程，在泄放过程中，系统的压力、温度、泄放量、组成等都会随时间变化。传统的方法只能用经验公式对泄压设备的尺寸进行估算，计算结果比较保守，且不能反映系统温度、压力的变化。Pro II、Aspen Plus和Aspen Hysys等流程模拟软件都提供了模拟压力泄放过程的工具，不仅可以计算泄压装置的尺寸，而且可以准确描述泄放过程中，系统压力、温度、泄放量随时间的变化，有助于设备的选材、下游火炬系统的设计等工作。笔者对这些压力泄放模块的功能进行了对比，并介绍了Aspen Hysys在确定泄压装置尺寸、核算设备内壁温度等设计中的应用。

关键词：压力泄放 流程模拟 动态流程模拟 Pro II Aspen Plus Aspen Hysys

在装置停车时或者发生火灾等紧急情况下，系统需通过泄压装置进行泄压。泄压是一个动态过程，对于气相系统，在没有外部火灾的情况下，泄压时系统的压力会逐渐降低，在膨胀过程中温度也有一定的变化；在有外部火灾的情况下，物料在泄放的同时，还会受热膨胀，如泄压装置尺寸过小，系统压力反而还会上升；对于含有液体的系统，除压力、温度外，泄放气体的组成也会不断变化。

泄放系统的设计与被泄放系统的大小、物料性质、泄放压力、泄放温度和火灾情况等诸多因素有关，通常只能按近似的办法估算所需泄放能力。如果泄放能力过小，在规定时间内无法充分泄压，会出现安全事故；如果泄放能力过大，一方面成本会增加，另外也有可能导致火炬系统超载。

如今，流程模拟软件已成为工艺设计人员最重要的设计工具，它将热力学模型、物性计算、单元操作模拟集成在一个平台中，不仅提高了设计人员的效率，更重要的是设计准确性有了极大提高。在Pro II、Aspen Plus和Aspen Hysys等主流流程模拟软件中，都有压力泄放模块，笔者将对各泄压模块进行对比，并介绍其在泄压系统设计中的应用。

一、各流程模拟软件泄压模块的比较

在Pro II中，泄压模块与其它模块一样，可以放置在流程图上，然后连接进出物流；在Aspen Plus 中，泄压模拟是Flowsheeting Option中的一个功能；在Aspen Hysys中，可以通过动态泄压模拟工具进行模拟，每个泄压工具会对应一个动态子流程。在此对各模块的具体功能进行比较。

1.泄放系统初始条件的确定

与常规流程模拟类似，模拟之前要选择组分和热力学方法并确定泄放系统的初始组成和压力、温度等条件。泄放系统的初始组成是整个系统在泄放前物料存量的组成，各泄压模块的确定方法如表1所示。

2.泄放时的传热

在泄放过程中，如果设备设有保温，泄放过程可视为是绝热；如果设备没有保温或者保温无法确保绝热，则泄放过程与外部环境存在热交换，需要指定传热系数和环境温度等信息；如果有外部火灾或者热量输入，则需要指定热负荷的量或者相应的计算公式。各泄压模块所支持的传热模型如表2所示。

3.泄压装置泄放能力的计算

4.主要功能比较

比较而言，Pro II中的泄压模块可模拟基本的泄压过程，无法模拟安全阀的开启和关闭行为，不能计算设备壁温，不能直接指定泄压设备的尺寸，仅支持气相排放。Aspen Plus不仅可以模拟外部火灾或有热量输入情况下的动态泄压过程，而且可以对指定泄放条件下的泄压装置的泄放能力进行估算；支持两相流的泄放，可以对进口和出口管线的压降进行计算，模拟终止条件比较灵活。Aspen Hysys可以对各类泄放过程进行模拟，能够模拟泄放过程中设备壁温的变化，可以根据指定的泄放能力计算所需泄压装置的尺寸。Aspen Plus适于两相流泄放过程的模拟，以及在选定安全阀或爆破片后，对额定泄放能力，进、出口管线的压降进行核算，Aspen Hysys 更适于复杂泄放过程的模拟，可用于计算设备壁温和确定泄压装置的尺寸。在此以Aspen Hysys为例介绍泄压模块在泄压设计中的应用。

二、乙烯缓冲罐泄压装置尺寸的确定

示例：某装置设有一台乙烯缓冲罐，设备的操作压力为30barg，操作温度为30℃，设计压力为40barg，设计温度为80℃，设备直径为3m，设备切线高度为8m，设备材质为碳钢，壁厚为32mm，外壁无保温。现需为该设备设计一套泄压系统。

根据API 521[1]，在池火中，对于1”厚的非湿壁碳钢设备，如果能在15min内将压力泄放到正常操作压力的一半，设备破裂的时间会从15min延长至2～3小时。另外对于操作压力高于17barg的设备，应设置泄压设施，为了降低设备泄漏造成的破坏，最终压力可取6.9barg。

1.公式法

2.用Hysys计算非火灾工况下的泄放面积

3.用Hysys计算火灾工况下的泄放面积

三、泄放过程中最低设备壁温的确定

气体泄压的过程是一个膨胀的过程，在膨胀过程中温度会下降。在计算泄压装置尺寸的过程中，考虑了火灾工况，此时设备壁温不会出现低温。在非火灾工况泄压时，需要考虑是否会由于泄压过快导致设备器壁温度过低，为此要确定泄放过程中的最低设备壁温。

1.影响泄放过程中最低设备壁温的因素

设备在泄压过程中，最终壁温与以下因素有关：a）泄压系统的物料组成、b）泄压系统的初始温度、c）泄压系统的初始压力和终止压力、d）设备的质量、e）设备中的物料量、f）膨胀过程的等熵效率和g）与外部的热交换。

四、结论

使用公式计算的泄放面积为632mm2，利用Hysys进行压力泄放过程模拟，得到非火灾工况下的泄放面积为331mm2，火灾工况下的泄放面积为496mm2， Hysys的计算结果较公式法小21.5～47.6%，因此更加经济。压力泄放模块模拟了系统压力、温度和泄放流量等工艺参数随时间的变化，可以指导下游火炬系统的设计。

Hysys泄压模块可以模拟在泄压过程中设备内壁温度随时间的变化，在其它参数给定的情况下，泄放速度越快，泄放到相同压力时的系统温度越低。设备壁温是设备热容、与内部物料换热和与环境换热共同作用的结果。泄放速度越快，设备换热的时间越短，物料温度虽然低，但设备内壁温度反而更高。模拟表明，虽然在泄放过程中，乙烯缓冲罐中的物料温度会低于-20℃，但是设备壁温不会低于此值，因此可以使用普通碳钢材料。

参考文献

[1]API Std 521， Pressure-relieving and Depressuring Systems [S]

[2]Campbell J. M. Gas Conditioning and Processing （Volume 2） [M]， 7th edition， USA Campbell publishing series， 2004， 28～29.

[3]Guidelines for Pressure Relief and Effluent Handling Systems [M]， American Institute of Chemical Engineers， New York.

[4]田 静， 刘棋， 苏广全. 火灾泄压放空时限流孔板的实验论证 [ J ] . 天 然气与石 油， 2010， 28（4） ： 26～29.

[5]Depressurisation： A Practical Guide， Aspen Tech.