基于安全閥定額泄增量的火炬系統(tǒng)設(shè)計

0泄放所需流量的確定作為石油和天然氣設(shè)備的最后一個安全裝置，確保安全裝置必須根據(jù)技術(shù)要求降低生產(chǎn)流量，選擇合適的安全標準，并計算和模擬火炬系統(tǒng)。泄放量的確定需要對各種事故工況進行逐一分析，海洋石油平臺常見的事故工況包括堵塞、控制閥失效、換熱器故障和外部火災(zāi)等1外輸管線出口堵塞以某海上采油平臺為例進行火炬動態(tài)模擬研究，工藝流程見圖1。其主要流程如下:井口產(chǎn)出物經(jīng)井下關(guān)斷閥、主閥、翼閥，油嘴，進入生產(chǎn)/測試管匯，油嘴前操作壓力為13.6MPa，經(jīng)油嘴降低為5.6MPa，需要單井計量的物流進入測試管匯進行單井計量，其他井生產(chǎn)物流進入生產(chǎn)管匯，最后匯合經(jīng)海管外輸至中心處理平臺。系統(tǒng)采用降壓設(shè)計，在XV關(guān)斷閥后系統(tǒng)設(shè)計壓力降低為7MPa，為保護下游系統(tǒng)設(shè)置堵塞工況安全閥。根據(jù)平臺事故工況逐一分析，確定外輸管線出口堵塞工況下流量為火炬系統(tǒng)最大設(shè)計泄放量。火炬系統(tǒng)的模擬主要分析火炬燃燒產(chǎn)生的熱輻射對平臺人員的影響，標準API5212安全運行手冊的動態(tài)模擬2.1hysys動態(tài)模擬實現(xiàn)首先根據(jù)工藝流程建立穩(wěn)態(tài)模擬，然后切換到動態(tài)模式輸入所需的管線、閥門、油嘴等參數(shù)，其中管線規(guī)格及布置根據(jù)3D模型抽取，動態(tài)模擬輸入數(shù)據(jù)見表2;安全閥堵塞工況的發(fā)生采用關(guān)閉海管入口關(guān)斷閥模擬實現(xiàn)，HYSYS動態(tài)模擬流程見圖2。模擬工況為外輸海管下游發(fā)生堵塞，引起外輸管線超壓，達到高高關(guān)斷壓力觸發(fā)單井緊急關(guān)停，單井的主閥、翼閥、油嘴隨之執(zhí)行關(guān)閥操作，根據(jù)已有文獻關(guān)于井口超壓保護系統(tǒng)的失效分析，考慮1口井存在關(guān)閥失效的工況2.2關(guān)閥控制在低壓力下的泄量圖3給出了海管關(guān)斷閥開始關(guān)閥到安全閥泄放穩(wěn)定的整個動態(tài)變化過程，反映出外輸管線操作壓力、安全閥開度、泄放量隨時間的變化過程，同時也跟蹤了主閥、翼閥、油嘴的關(guān)閥過程對工藝系統(tǒng)的影響，由圖3看出:1)150s海管關(guān)斷閥開始執(zhí)行關(guān)閥操作，168s關(guān)斷閥完全關(guān)上，壓力達到高高關(guān)斷壓力6300kPa時，主閥、翼閥、油嘴開始執(zhí)行關(guān)閥操作。2)安全閥從168s開始逐漸打開，到170s壓力達到7700kPa(安全閥設(shè)定點的1.1倍)時，安全閥達到全開狀態(tài)，全開時泄放量達到額定泄放量86648kg/h。3)因主閥、翼閥、油嘴分別有10、10、14s的關(guān)閥時間，在關(guān)閥過程中井口高壓物流會持續(xù)進入外輸管線，因此在170s安全閥全開后，管線操作壓力會持續(xù)上升，安全閥前后壓差持續(xù)升高，泄放量也隨之上升，在176s達到峰值，峰值泄放量為100300kg/h。4)178s時主閥、翼閥全部關(guān)上，182s時油嘴完全關(guān)上，因油嘴閥門的特性在閥門完全關(guān)閉后會保持在5%開度，之后壓力逐漸穩(wěn)定在7500kPa左右，泄放量穩(wěn)定在62600kg/h。3計算模式及熱輻射強度Flaresim模擬需要輸入氣體組分、環(huán)境風(fēng)速、火炬臂長度、火炬頭尺寸及動態(tài)泄放量、感受點坐標。計算方法選擇dynamic計算模式，氣體組分及動態(tài)泄放量由動態(tài)模擬讀出，環(huán)境風(fēng)速考慮3個最高頻率風(fēng)速2、5、9m/s，火炬臂長度及尺寸根據(jù)表3輸入，感受點選取熱輻射強度相對較高的三處:平臺甲板邊緣(A)、吊機操作室(B)、電器操作間(C)，坐標依據(jù)設(shè)備布置總圖讀出，高度上考慮增加人員操作站立高度2m。3.1熱輻射系數(shù)和釋放熱量使用集成混合源式中:a為經(jīng)驗常數(shù);D為從火炬中心或點源至感受點之間的最小距離，m;F為熱輻射系數(shù);Q為釋放熱量(低熱值)，kW;K為允許的熱輻射，kW/m3.2熱輻射模擬的結(jié)果分析3.2.1風(fēng)速影響熱輻射強度計算受環(huán)境風(fēng)速3.2.2熱輻射強度分布在最惡劣風(fēng)速9m/s下，不同火炬臂長度54、42m下對應(yīng)熱輻射強度見圖5～6。從圖5～6可以看出，火炬臂在54m下任意感受點在泄放過程中的熱輻射強度均不超過4.7kW/m火炬臂42m下熱輻射強度變化趨勢與火炬臂54m相同，只是感受點處的熱輻射強度均有不同程度增加，且平臺甲(A)和(C)的感受點均存在熱輻射強度超過4.7kW/m4安全閥泄放可靠性分析通過HYSYS動態(tài)模擬，得到了在海洋平臺堵塞工況下，基于超壓安全保護系統(tǒng)作用的全平臺動態(tài)數(shù)據(jù)，結(jié)合Flaresim動態(tài)計算功能，得到火炬熱輻射強度動態(tài)模擬結(jié)果，發(fā)現(xiàn):1)在實際泄放中，由于安全閥額定尺寸大于所需尺寸和主閥/翼閥關(guān)閥存在滯后性，導(dǎo)致安全閥泄放過程中會出現(xiàn)超過必需泄放量的峰值區(qū)域。2)火炬臂長度敏感性分析得出，基于額定泄放量下的火炬臂長度過于保守，必需泄放量下的火炬臂長度，雖然熱輻射會出現(xiàn)超過4.7kW/m3)HYSYS動態(tài)模擬和Flaresim動態(tài)計算相結(jié)合，進行火炬熱輻射精確分析