基于AspenPlus压力容器火灾工况下安全阀的模拟计算

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摘  要：通过Aspen Plus V12对压力容器在火灾工况下的安全阀进行了模拟计算，根据计算得到安全泄放量和最小泄放面积，选择了合适的安全阀，并对选型后的安全阀进出口降压进行了校验，结果表明模拟计算结果满足要求，且准确高效。

关键词：安全阀；火灾工况；模拟；压力容器

近些年在精细化工领域，工艺安全越来越受到关注。安全阀是压力容器最重要的安全附件之一，是保护设备和人员安全的重要保护层[1]。在实际生产过程中，引起超压事故工况的原因有很多，如火灾，热膨胀，冷却失效等工况。只有准确的计算出所需的泄放量，安全阀厂家才能确定合适的安全阀型号，所以安全阀的计算选型也至关重要。

国内有许多专家学者对安全泄放系统进行了研究。任美凤等[2]对火灾工况压力容器安全泄放量计算公式进行探讨。孔令伟[3]对液体压力容器安全阀安全泄放量计算中容器外壁修正系数、润湿面积和气化潜热等方面存在的问题进行了探讨。白秋云[4]对GB 150与API 520关于压力容器外部火灾工况下安全泄放量的计算进行探讨。孙义峰[5]通过Aspen Plus对精馏塔塔顶回流故障和火灾工况进行了模拟计算。郑志刚等[6]通过HYSYS动态模拟了碳四容器火灾工况安全阀泄放过程。

目前，关于压力容器安全泄放计算主要参照标准有GB 150《固定式压力容器》[7]、API 520《压力泄放装置的设置、选择和安装》以及API 521《泄压和减压系统指南》。在标准中详细的阐述了安全阀各种工况下的计算方法及相应的修正因子。传统的安全阀计算方法主要为查询得相应物质的物性后，根据标准中公式进行计算。随着流程模拟软件Aspen Plus的不断发展，借助于其庞大的物性数据库以及趋于成熟的物性估算方法，可以准确的模拟计算压力容器安全阀。本文主要通过Aspen Plus V12对压力容器火灾工况下的安全阀进行了计算和分析。

1 物性数据及容器参数

本文中涉及物质为二甲苯和乙苯混合物，其物性数据及质量分数见表1。图1为对、间、邻二甲苯和乙苯在不同温度下的汽化潜热。

图2为压力容器尺寸，该容器为立式容器，设计压力为6bar，位于地面上，具备良好的保温，外壁保温材料的导热系数为22.71w/（m2*K）。且有足够的消防保护措施和有能及时排走地面上泄漏的物料措施。

2 安全阀的模拟计算

2.1 模型的建立

在Aspen Plus V12 模拟界面中建立模型后切换至安全分析界面，然后添加安全阀，在安全阀场景设置中选择火灾工况（模拟流程图见图3）。

2.2 火灾工况安全泄放量计算

Aspen Plus V12中火灾工况的计算公式采用API 520和API 521标准。对于有足够的消防保护措施和有能及时排走地面上泄漏的物料措施时，容器的泄放量计算公式为：

（1）

否则为：

（2）

式中：W为气体泄放量（kg/h）；F为容器外壁校正系数；A为润湿面积（m2）；q为泄放条件下介质汽化潜热（kJ/kg）。

对于立式容器的润湿面积，Aspen Plus V12主要采用API 521的计算公式

（3）

式中：H为罐底部距地面的高度（m）； 为外径（m）。

在API 521中，对于火灾工况下卧立式容器的润湿面积只考虑距地面7.5m或距能形成大面积火焰的平台之上7.5m高度范围内。但根据美国消防协会NFPA 30《易燃和可燃液体标准》和API 2000《非制冷/制冷常压与低压储罐的通气》，其火焰高度为9.1m。在Aspen Plus V12中火焰高度采用API 521中的数值7.5m。

对于容器外壁校正系数F，API 521中也有详细规定，当容器在地面上有良好保温时计算公式为

（4）

式中：  为保温材料的导热系数（kJ/（m*h*°C））； 为保温材料厚度（m）；t为泄放温度（°C）。

2.3 安全阀的选型和计算

安全阀类型主要有三种，普通型弹簧式安全阀、平衡波纹管式安全阀和先导式安全阀（见图4）。这三种安全阀主要区别在容许背压的不同，普通型弹簧式安全阀可容许总被压不超过设定压力的10%，平衡波纹管式安全阀容许总背压最大不超过设定压力的50%，而先导式安全阀则对背压没有要求。从容许背压、经济型及工况综合考虑，平衡波纹管式安全阀应用相对较广。

a 普通型弹簧式 b 平衡波纹管式c 先导式

图4 （a） 普通型弹簧式安全阀 （b） 平衡波纹管式安全阀 （c） 先导式安全阀*

对于平衡波纹管式安全阀气体泄放尺寸的计算，Aspen Plus V12采用API 520中临界流动泄放尺寸计算公式

（5）

（6）

式中：A为最小泄放面积（mm2）；W为泄放量（kg/h）； 为有效流量系数； 为泄放压力（kPaA）； 为背压修正系数； 为组合修正系数（爆破片）；T为泄放温度（K）；Z为气体压缩系数；M为介质分子量；k为绝热指数（Cp/CV）。

图5为Aspen Plus V12安全阀在火灾工况下的模拟计算结果，其中热量输入为1.552*106kJ/h，安全泄放量为6135kg/h，最小泄放面积为7.273cm2。根据最小泄放面积可选择流道代号为J类型安全阀，其有效流道面积为8.303 cm2，相应的有效泄放量为7005kg/h。

当确定安全阀尺寸后，在将安全阀进出口管道及相应管道附件信息输入Aspen Plus V12，可以计算的得到进口压降为0.12bar，压降比率为1.6%满足进口压降低于设定压力3%的要求；出口压降为0.26bar，压降比率为3.4%满足出口压降低于设定压力50%的要求。由此可知通过Aspen Plus V12模拟计算得到安全阀的泄放量及选择的安全阀型号满足安全泄放的要求。

2.4 两相流安全泄放讨论

与单相（汽/液相）安全泄放的情况相比，汽-液两相安全泄放计算则要复杂的多。在火灾工况下通常不考虑汽-液两相流的安全泄放，但若存在以下情况则需要特别注意：

汽相泄放时在安全阀内冷却导致蒸汽凝结

由外部火灾导致物质反应/分解，造成液位上升

目前有很多种两相流安全阀泄放面积的计算方法，如均相平衡模型HEM，均相非平衡模型HNM等。美国紧急泄放系统设计协会（Design Institute for Emergency Relief Systems，简称DIERS）对两相流安全阀泄放计算有深入研究。在Aspen Plus V12中主要采用DIERS和H.G.Fisher等人的计算方法，可以通过选择计算汽/液相分离功能，来预测是否为两相流安全泄放过程。若预测存在两相流，则需要重新选择两相流方法（Omega 2-phase）进行模拟计算。

3 结论

通过Aspen Plus V12对压力容器在火灾工况下的安全阀进行模拟计算，得到了热量输入值1.552*106kJ/h，安全泄放量6135kg/h和最小泄放面积7.273cm2。根据最小泄放面积选择了合适的安全阀，其有效流道面积为8.303 cm2，相应的有效泄放量为7005kg/h。并对选型后的安全阀进出口降压进行了校验，结果表明模拟计算结果满足要求。

参考文献：

[1]赵恒亮，罗艳玲.基于Aspen Plus安全阀的计算与应用[J].化学工程与装备，2017， 3（3）： 138-140.

[2]任美凤，卞潮渊，杨健.火灾工况压力容器安全泄放量计算公式的探讨[J].化工设计 ，2006，16（1）： 47-48.

[3]孔令伟.压力容器安全阀火灾工况泄放量计算的探讨[J].安全管理，2014，10： 41-42.

[4]白秋云.国标与API标准中安全泄放量计算的比较[J].山东化工，2013，3（42）： 80-82.

[5]孙义峰.ASPEN PLUS在安全阀计算中的应用[J]. 天津化工，2016，30（1）： 55-58.

[6]郑志刚，潘澍宇，邓婷婷，等.碳四容器安全阀火灾工况泄放的动态模拟[J].广州化工， 2013，41（22）： 202-204.

[7]全国锅炉压力容器标准化技术委员会.GB 150-2011， 压力容器[S].北京中国标准出版社，2011.