堵塞工况下工艺泄压系统的动态分析

万宇飞， 陈正文， 刘春雨， 杜夏英， 曲兆光， 程 琳

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300452)

堵塞工况下工艺泄压系统的动态分析

万宇飞， 陈正文， 刘春雨， 杜夏英， 曲兆光， 程 琳

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300452)

以国内某海上油田中心平台原油处理一级分离器(CEPA-V-2001A/B)为依托，建立符合实际情况的工艺泄压模型，用于单体设备和多体设备在堵塞工况下，紧急关断阀SDV和安全泄压阀PSV的泄放过程计算与分析。结果表明，单体一级分离器气相或油相出口发生堵塞时，系统压力均会超过SDV联锁关断压力和PSV设定压力，需考虑设置SDV和/或PSV安全保护装置；水相出口发生堵塞时，本由水相出口排出的水量在油相液位控制器的作用下，通过增大油相出口阀门开度实现油、水同时排出，不会引起系统的超压；对于给定的单体一级分离器，可选取口径为324.5 mm的G型PSV阀用于堵塞工况的泄压保护；当两分离器并联工作时，其中某一分离器的气相、油相或水相出口发生堵塞，不会引起系统超压。

堵塞； 动态； SDV； PSV； 泄放特性

在海上油气处理过程中，处理设备的出口阀门(气相、油相、水相)不可避免的因偶然因素而关闭，可能会造成设备内压超过其最大允许工作压力。API RP 14C[1]中明确规定：当容器设备过压时，应设有两级保护装置。对于压力容器，一级保护应由压力高高关断(PAHH)传感器提供，以切断入口紧急关断阀(SDV)，如果容器是受热设备，PAHH传感器也应关断燃料或加热源；二级保护应由安全阀(PSV)提供。紧急关断阀是一种主动保护措施[2]，当压力容器内压力或液位出现高高关断时，联锁动作切断容器入口紧急关断阀。安全阀作为压力容器、管道等承压设备的最后一道保护装置[3-4]，在当容器或管道内压达到设定压力(不大于最大允许工作压力[5])时，可自动开启，及时排出聚集的流体而保护设备的安全，这种方式属于一种被动保护方式[6-8]。鉴于此，本文考虑压力容器出口发生堵塞工况时，SDV和PSV的响应情况，为工程设计人员对泄放过程和泄放特性的理解提供参考。

1 泄压系统动态模型建立

1.1基础参数

以国内某海上油田中心平台原油一级处理分离器(CEPA-V-2001A/B)为依托，利用Aspen Hysys软件动态模块建立符合实际情况的动态工艺泄压模型，用于单体设备油、气、水相出口的堵塞和多体设备中某一设备油、气相出口发生堵塞工况下，紧急关断阀和安全泄压阀的响应分析。

根据相关资料，一级生产分离器由两个同系列、规格为3.6 m(D)×14 m(L)、带油槽和油堰的卧式三相分离器(CEPA-V-2001A/B)并联而成，处理后原油含水率为20%。压力和液位的控制参数如表1所示。

表1 一级分离器压力和液位的控制参数Table 1 The controlled pressure and liquid level ofthe CEPA-V-2001A/B

值得注意的是，Hysys软件中无内置带油槽式的三相分离器，只能通过常规卧式三相分离器加上堰板形成带堰板的卧式三相分离器。调整后的分离器液位控制参数如表2所示。

表2 一级分离器型式调整后的液位控制参数Table 2 The controlled liquid level of the CEPA-V-2001A/B after tuning

进入一级分离器油气水混合物的温度为79.8 ℃，压力为550 kPa，流率为7 235 kg·mole/h，该物流组成如表3所示。

表3 油气水混合物物流组分Table 3 Composition of oil, gas and water mixture at the entrance

1.2动态模型的建立

动态模型建立的一般步骤是[9]，首先在稳态环境中根据实际运行情况搭建工艺流程，并输入各设备的表征参数，如分离器的直径、长度，阀门的Cv值，换热设备的k值，安全阀的设定压力、最大泄放压力等。然后根据控制方案添加进口流量、分离器压力、油相液位和水相液位等PID控制回路[10-11]。同时，利用Cause & Effect Matrix工具建立高高液位、低低液位和高高压力的ESD联锁切断逻辑；使用Event Scheduler工具完成堵塞工况的堵塞方案[12]和采用Strip Charts工具记录分离器内油水液位、压力、物流量、安全阀开度、泄放量、泄放压力等关键参数随时间的变化情况。最后在稳态环境下转向动态模拟环境运行，观测各变量的变化情况。

根据CEPA-V-2001A/B相关参数，建立的全动态单体堵塞工艺模型和多体堵塞工艺模型分别如图1和图2所示。

图1 堵塞工况一级分离器单体设备动态模型

Fig.1TheHysysdynamicmodelofCEPA-V-2001Aforblockingcondition

图2 堵塞工况一级分离器多体设备动态模型

Fig.2TheHysysdynamicmodelofCEPA-V-2001A/Bforblockingcondition

2 单体设备堵塞工况

根据设计文件，当系统内压力达到高高关断(PAHH)900.0 kPa时，触动紧急关断ESD系统，连锁关断容器进口SDV阀门，防止系统的压力进一步升高。另外当容器内压达到1 300.0 kPa时，安全泄压阀PSV开始泄压，最大泄放压力不超过1 430.0 kPa(PSV设定压力的110%[13-14])。

2.1气相出口堵塞

2.1.1 SDV保护 一级分离器单体设备气相出口堵塞后SDV阀保护下压力和液位变化如图3所示。由图3可知，一级分离器CEPA-V-2001A运行10 min后，气体出口阀门因某种因素而关闭，分离器内部压力明显上升，在14.9 min时达到900.0 kPa，分离器入口SDV阀联锁关闭，之后压力逐步下降，直到27.5 min时两液体出口阀门关闭，分离器内部压力稳定在859.5 kPa处。可以看出，当气相出口阀门关闭后，SDV阀门通过联锁切断可以有效保护设备而不超压。

图3 一级分离器单体设备气相出口堵塞后SDV阀保护下压力和液位变化Fig.3 The changes of pressure and liquid level under the SDV protection after the gas outlet blocking of CEPA-V-2001A

2.1.2 PSV保护 气相出口堵塞工况时G型PSV各关键参数变化情况如图4—5所示。由图4—5可知，当气相阀门在运行10 min后关闭，分离器内部压力急剧上升，并在21 min时，达到PSV阀的开启压力1 300.0 kPa；33.5 min时，阀门开度达到93.4%，此时的泄放压力和泄放量均达到最大值，分别为1 413.4 kPa和2 595.6 kg/h；当达到稳定泄放时，泄放压力为1 411.0 kPa，泄放量为2 574 kg/h。从以上分析可以看出，该G型阀门在CEPA-V-2001A气相出口被堵塞工况下，最大泄放压力和稳定泄放压力均不大于最大允许泄放压力1 430.0 kPa，可以满足泄放要求。

图4 气相出口堵塞工况时G型PSV各关键参数变化Fig.4 Key parameters of PSV changes under the G-type PSV protection after the gas outlet blocking of CEPA-V-2001A

图5 气相出口堵塞时G型PSV保护下一级分离器各关键参数变化

Fig.5KeyparametersofCEPA-V-2001AchangesundertheG-typePSVprotectionafterthegasoutletblocking

2.2油相出口堵塞

2.2.1 SDV保护 一级分离器运行10 min后，油相出口阀门关闭，分离器内部压力的上升可以分为两个阶段，如图6所示。第一阶段为分离器内部液位不断升高，直到21 min时充满整个分离器，压力表现为小范围内先升后降；第二阶段表现为分离器内部压力随时间显著升高，气相出口阀门开度不断增大，高液位的油相从气相出口流出。最终在32.6 min时，压力达到了900.0 kPa，入口SDV阀联锁关闭，分离器内部压力明显降低，直至153.5 kPa。可以看出，当油相出口因为某种因素关闭后，可以通过联锁关闭入口SDV阀，有效地保护设备防止超压。

图6 一级分离器单体设备油相出口堵塞后SDV阀保护下压力和液位变化Fig.6 The changes of pressure and liquid level under the SDV protection after the oil outlet blocking of CEPA-V-2001A

2.2.2 PSV保护 油相出口堵塞工况时G型PSV各关键参数变化如图7—8所示。由图7—8可知，CEPA-V-2001A正常运行10 min后油相出口发生堵塞，分离器内部压力的变化同样分为液体充满整个分离器之前和之后两个阶段。当液位达到分离器顶部21 min后，压力显著升高，并于30.8 min达到PSV阀的开启压力1 300.0 kPa；63 min时，泄放压力和泄放量均达到最大值，分别为1 420.0 kPa和39 328 kg/h。由此可见，该G型阀门在油相出口发生堵塞后，能够在最大允许泄放压力范围内进行泄放，满足泄放要求。

图7 油相出口堵塞工况时G型PSV各关键参数变化Fig.7 Key parameters of PSV changes under the G-type PSV protection after the oil outlet blocking of CEPA-V-2001 A

图8 油相出口堵塞时G型PSV保护下一级分离器各关键参数变化

Fig.8KeyparametersofCEPA-V-2001AchangesundertheG-typePSVprotectionaftertheoiloutletblockingofCEPA-V-2001A

2.3水相出口堵塞

一级分离器单体设备水相出口堵塞后压力和液位变化如图9所示。由图9可以看出，一级分离器CEPA-V-2001A运行10 min后，水相出口阀门发生堵塞，分离器压力变化幅度很小，很快又恢复到起始压力550.0 kPa。当水相出口阀门关闭后，水位不断攀升，直到堰板的高度2.2 m处，进入油室，油室的液位通过油相出口阀门的开度来控制，保持在1.3 m处，这主要是因为从水相出口流出的水量较小，对油室的液位影响不大，在油相出口阀门未完全打开之前，就可以将本身从水相出口流出的水相同油相一同排出，值得注意的是，此时处理的原油含水率将高于设计值20%。同时，水位上升而减少的气相空间所产生的压力通过气相出口阀门的调节，维持在550.0 kPa。也就是说，水相出口阀门的突然关闭不会引起设备的超压，不需要通过任何的保护措施。

图9 一级分离器单体设备水相出口堵塞后压力和液位变化

Fig.9ThechangesofpressureandliquidlevelundertheSDVprotectionafterthewateroutletblockingofCEPA-V-2001A

3 多体设备堵塞工况

该海上油田中心平台原油处理一级分离器由两台同系列设备并联而成。利用建立的并联一级分离器(CEPA-V-2001A/B)的Aspen Hysys动态模型，计算在某一设备发生堵塞工况下，该系统内各参数的变化情况。

3.1气相出口堵塞

并联布置下CEPA-V-2001A气相出口发生堵塞时该分离器各关键参数变化如图10—11所示。由图可知，CEPA-V-2001A/B正常运行10 min后，CEPA-V-2001A分离器气相出口发生堵塞。两分离器内部压力明显增高，在20.1 min时压力达到最大值711.8 kPa，没有超过SDV阀联锁关断压力900.0 kPa。同时还可以看出，进入CEPA-V-2001A中的物流在压力升高过程中显著减小，直到物流全部进入CEPA-V-2001B中脱水处理。而CEPA-V-2001B中因为进入的物流大范围超过设计处理量，并在液位控制器的作用下，液相的停留时间有所降低，使出口原油含水率大于设计值。经过分析可以看出，当两分离器并联布置时，其中某一设备气相出口阀门的关闭不会引起系统内压超过允许值，也就是说在对并联系统的安全分析时，不需考虑这种并联设备的堵塞而引起的超压。

图10 并联布置下CEPA-V-2001A气相出口发生堵塞时该分离器各关键参数变化

Fig.10KeyparametersofCEPA-V-2001Achangesaftergasoutletchokingunderparallellayout

3.2油相出口堵塞

并联布置下CEPA-V-2001A油相出口发生堵塞时分离器各关键参数变化如图12—13所示。由图12和图13可以看出，CEPA-V-2001A/B正常运行10 min后，CEPA-V-2001A分离器油相出口阀门关闭。两分离器内部压力的变化可以分为两个阶段：上升的油位在到达CEPA-V-2001A顶部之前，和原油从CEPA-V-2001A气相出口排出两个过程。整个过程中两分离器内部压力最大值为655.0 kPa，不超过SDV阀联锁关断压力。同时进入CEPA-V-2001A中的物流随压力的升高而减小，直至物流全部通过CEPA-V-2001B进行处理。值得注意的是虽然压力未超过关断压力，但CEPA-V-2001B原油出口含水率会因为处理量增大，停留时间缩短而超过原设计值。由以上分析可知，当多体设备并联时，如果其中某一设备的油相出口发生堵塞，不会引起设备的超压。

图11 并联布置下CEPA-V-2001A气相出口堵塞时CEPA-V-2001B关键参数变化

Fig.11KeyparametersofCEPA-V-2001BchangesaftertheCEPA-V-2001Agasoutletchokingunderparallellayout

图12 并联布置下CEPA-V-2001A油相出口发生堵塞时分离器各关键参数变化

Fig.12KeyparametersofCEPA-V-2001Achangesafteroiloutletchokingunderparallellayout

图13 并联布置下CEPA-V-2001A油相出口堵塞时CEPA-V-2001B关键参数变化

Fig.13KeyparametersofCEPA-V-2001BchangesaftertheCEPA-V-2001Aoiloutletchokingunderparallellayout

4 结论

通过以某海上平台原油处理一级分离器CEPA-V-2001A/B为例，对单体设备和多体设备在堵塞工况下，紧急关断阀SDV和安全泄压阀PSV的安全泄放过程进行计算和分析，得到如下结论：单体一级分离器气相或油相出口发生堵塞时，系统压力均会超过SDV阀联锁关断压力和PSV阀设定压力，需要考虑设定SDV和/或PSV安全保护装置；水相出口发生堵塞时，本由水相出口排出的水量在油相液位控制器的作用下，通过增大油相出口阀门开度实现油、水同时排出，不会引起系统的超压；对于给定单体一级分离器单独工作发生的堵塞工况，依据油、气相出口堵塞而产生的最大泄放量与泄放压力，这里选取口径为324.5 mm的G型PSV阀；当两分离器并联工作时，其中某一分离器的气相、油相或水相出口发生堵塞，不会引起系统超压。或者说当分离器并联设置时，会减缓或消除因为堵塞引起的系统超压现象。

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Dynamic Analysis on Pressure Relief Process under Blocking Accident

Wan Yufei, Chen Zhengwen, Liu Chunyu, Du Xiaying, Qu Zhaoguang, Cheng Lin

(TianjinBranch,CNOOCLtd.,Tianjin300452,China)

Based on the primary production separators (CEPA-V-2001A/B) of an offshore center platform in domestic, models, in line with actual production, are established. Key parameters in the separators and relief characteristics are investigated when choking accident occurs. Following conclusion is drawing: Firstly, when oil or gas outlet of CEPA-V-2001A is blocked, separator pressure will surpass the set point of SDV and PSV, and protection devices, such as SDV or PSV, should be taken into account. However, while the water outlet is choked, the pressure will not climb too high to protection; Secondly, according to simulation and comparison, a G-type PSV with 324.5 mm-diameter is selected for protection under blocking accident; Lastly, equipping with two separators in parallel can ease, or eliminate the pressure climbing of the system.

Block；Dynamics； SDV； PSV； Relief characteristics

1006-396X(2017)05-0072-08

投稿网址：http://journal.lnpu.edu.cn

TE832

A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.05.014

2016-06-23

2017-09-06

国家重大专项“渤海油田高效开发示范工程”(2016ZX05058004-003)。

万宇飞(1988-)，男，硕士，从事海上油田开发方面研究；E-mail：wanyf2@cnooc.com.cn。

(编辑 王亚新)