管壳式换热器管程破裂工况分析

-26-论文广场石油和化工设备2019年第22卷管壳式换热器管程破裂工况分析张学海，高刚，张伟（海洋石油工程股份有限公司上海设计分公司，上海20030）[摘要]分析了管壳式换热器管程破裂的不同泄放工况，包括蒸气泄放、液体泄放和两相流泄放三种工况。基于两个孔的假设，结合API521规范和国外专著，给出了不同工况下通过破裂口的最大泄放量的计算方法。给出了某平台湿气压缩机后冷却器（蒸气泄放）和凝析油冷却器（两相流泄放）两种典型管程破裂工况泄放量计算实例。[关键词]管壳式换热器；管程破裂；泄放工况；蒸气泄放作者简介：张学海（1985—），男，山东临沂人，硕士，工程师。主要从事海洋石油工程工艺设计工作。管壳式换热器是目前石油化工行业中广泛采用的一种换热器型式。API521规范第六版[1]中指出：“换热器及其类似容器应该受具有足够处理能力的泄压装置的保护，以免当内部发生故障时引起超压”。防止管程破裂引起超压的常见方法有两种，一是提高低压侧及其连接管线设计压力，使其水压试验压力等于高压侧的最高操作压力，这需要考虑经济性，尤其在管壳程间压差很大的情况下，成本往往很高；二是在低压侧设置安全泄放装置（如安全阀或者爆破片等），这种方法通常较为经济和实用。换热器管程破裂产生的最大泄放量是选择安全泄放装置的重要工艺参数。本文对管程破裂的不同工况进行分析并介绍泄放量的计算方法。1不同工况泄放量计算1.1工况分析整个管程完全破裂，大量高压侧流体流入换热器低压侧，这是一种较少但可能的意外事故。在进行换热器管程破裂而引起的泄放量时，可作如下假设：(1)换热器中只有一根管子断裂；(2)管子在管板处断裂；(3)高压侧流体一部分通过管板处的断裂口进入低压侧，另一部分通过一段较长的管子流入低压侧。计算时，通常采用两个孔的假设方法，即考虑一根管子完全破裂时，通过两个破裂口的最大泄放量。根据高压侧流体的不同，可分为蒸汽泄放、液体泄放和两相流泄放。1.2蒸气泄放高压侧为蒸气时（如天然气），采用可压缩流体流经喷嘴或孔板的计算公式(1)。有关该公式详细介绍可参见crane公司专著[2]。W=1.265×Yd2C√∆Pρ(1)其中：W—流体泄放量，kg/h；d—换热器管内径，mm；C—排放系数，此处取0.6；ρ—高压侧流体密度，kg/m3；∆P—高压侧流体压力P_1与管程破裂处压力之差，bar(A)；Y—净膨胀因子，仅用于可压缩流体。管程破裂处的压力为低压侧安全泄放装置的泄放压力P2与流体临界流动压力Pcf中的较大值，即，当P2＜Pcf时，流体为临界流动，∆P=P1-Pcf；当P2＞Pcf时，流体为亚临界流动，∆P=P1-P2；蒸气的临界流动压力Pcf，计算公式如下：Pcf=P1[2/(k+1)]k/(k-1)，(2)其中，k为理想气体在泄放温度下的比热比。净膨胀因子Y计算公式如下（有关Y的详细表达式及意义参见PERRY化学工程手册[3]）Y=1-0.317×∆P/P1(3)需要指出，根据两个孔的假设，公式(1)计算的泄放流量的2倍作为总的泄放量。1.3液体泄放对于高压侧为单一液相，且液相在泄放过程中不发生闪蒸的单一液相泄放工况，采用不可压缩流体的计算公式(4)，详细可参阅crane公司专著[2]。-27-第3期张学海等管壳式换热器管程破裂工况分析W=1.265d2C√∆Pρ(4)公式(4)与公式(1)不同之处是去掉了净膨胀因子的概念，并且∆P=P1-P2。同样，上述计算结果的2倍作为总的泄放量。1.4两相流泄放两相流泄放较为复杂，可分为：气、液两相流体流经破裂处的泄放（闪蒸或非闪蒸）；饱和液相流经破裂处发生闪蒸的泄放；过冷液体（非饱和液相）流经破裂处发生闪蒸的泄放。基于两相流泄放的流体模型很多[4]，API521中推荐使用紧急泄放系统设计协会（DIERS）开发的均相流动模型[5]，有关该模型的详细信息可参阅文献[6,7]，本文依据均相流动模型，介绍了适用于两相流泄放的Leungomega法，即ω法。对于高压侧流体为气液两相和过冷液相的两种两相流泄放量计算如下（对于饱和液相的两相流泄放，下述两种方法均适用）。1.4.1气液两相流体泄放量的计算步骤为：(a)计算参数ωω=9×(v9/v1-1)(5)v9—90%泄放压力（90%P1）下高压侧流体的比体积(m3/kg)；v1—泄放压力（P1）下的比体积(m3/kg)。(b)判断流体的流动状态若Pc＞P2为临界流体，反之，Pc＜P2则为亚临界流体。其中：Pc为流体的临界流动压力，Pc=ηcP1(6)；ηc为临界压比，计算公式如下：ηc2+(ω2-2ω)(1-ηc)2+2ω2lnηc+2ω2(1-ηc)=0(7)(c)计算质量通量G对于临界流动：(8)对于亚临界流动：(9)式中：G—质量通量，kg/s•m2；η2—背压比，η2=P2∕P1。(d)计算泄放量由于管程横截面积已知，泄放量计算如下：W=(AKdKbKcKvG)/277.8(10)式中：A—管程横截面积，mm2；W—泄放流量，kg/h；Kd—排放系数，初步计算中可取0.85；Kb—蒸气的背压校正因子，此处为1；Kc—安全阀上游安装爆破片时的校正系数，此处K_c=1；Kv—黏度校正系数，此处为1。1.4.2过冷液相的两相流泄放(a)计算饱和ωs参数ωs=9×(ρ1/ρ9-1)(11)式中：ρ1—高压侧流体密度，kg/m3；ρ9—密度，kg/m3；90%饱和压力（Ps）和泄放温度T1下的密度，对于多组分流体，可用泡点压力代替Ps。(b)计算过冷程度PS≥ηstP1—低过冷区域（闪蒸发生在破裂孔的上游）；PSηstP1—高过冷区域（闪蒸发生在破裂孔处）；ηst—瞬间饱和压力比率；ηst=(2ωs)/(1+2ωs)(12)(c)计算流体为临界流还是非临界流对于低过冷区域：Pc≥P2临界流动；PcP2亚临界流动。对于高过冷区域：PS≥P2—临界流动；PSP2—亚临界流动（全液相流）Pc为临界流动压力，Pc=ηcP1，ηc的计算：若ηS≤ηst，那么ηc=ηS其中：ηs=Ps/P1为饱和压比，η2=P2/P1为亚临界压比。(d)计算质量通量G在低过冷区域：-28-论文广场石油和化工设备2019年第22卷在过过冷区域：G=1.414[ρ1(P1-P)]1⁄2上述公式中，如果流体为临界流动，用ηc代替η，用Ps代替P；如果流体为亚临界流动，用η2代替η，用P2代替P。(e)计算泄放量WW=(AKdKbKvG)/277.8另外，早期的一些标准资料中，计算两相流时，采用将气、液两相分别计算的方法。该类计算方法的结果可能并不保守，需引起工程设计人员的注意。2计算实例2.1例一（蒸气泄放）已知某气田湿气（天然气）压缩机出口冷却器（管壳式），高压侧设计压力P1=89.5bar(A)，密度ρ=110kg/m3，低压侧安全阀泄放压力P2=8.25bar(A)，管程内径d=15mm，高压侧流体比热比k=1.302。求管程破裂工况的泄放量。根据已知数据，采用蒸气泄放工况的计算公式。Pcf=89.5×[2/(1.302+1)](1.302/(1.302-1))=48.8bar；P2＜Pcf，为临界流动，故∆P=P1-Pcf=40.7bar；Y=1-0.317×40.7/89.5=0.856；于是，泄放量W=1.265×152×0.6×√(40.7×110)=11426.6kg/h；两个孔的总泄放量为22853.2kg/h。2.2实例二（饱和液相泄放）已知某平台凝析油冷却器（管壳式），高压侧设计压力P1=117.5bar(A)，密度ρ1=780.1kg/m3，低压侧安全阀泄放压力P2=17.6bar(A)，管程内径d=15mm，高压侧流体比热比k=1.132。求管程破裂工况的泄放量。从HYSYS中可得到90%泄放压力下的流体密度ρ9=752.3kg/m3，ω=9×(780.1/752.3-1)=0.3326，带入式(7)可求得ηc=0.46；Pc=0.46×117.5=54.05bar，PC＞P2，为临界流动；质量通量：泄放量：两个孔的总泄放量为82479.6kg/h。3结语管程破裂工况复杂，对不同工况分析和合理计算，是安全阀选型的重要依据，直接决定了管壳式换热器的安全保护措施是否有效。本文对各类工况进行了分析，并结合国外标准规范和专著，详细介绍了不同工况的管程破裂计算方法，是目前工程上应用的计算方法之一。伴随着科技的发展，新的理论和计算方法层出不穷，工程设计人员应该时刻关注其发展，选择合理可靠的计算方法。收稿日期：2018-12-06；修回日期：2019-01-22◆参考文献[1]APIStd.521,sixthedition,January2014,Pressure-relievingandDepressurizingSystems[S].[2]CraneEngineeringDivision.FlowofFluidsthroughValves,Fittings,andPipe[M],England:CraneLTD,1988.[3]ByronC.Sakiadis.PERRY化学工程手册第五篇流体与颗粒学[M].北京：化学工业出版社，1992.[4]J.LencludandJ.Venard.Singleandtwo-phasedischargefromapressurizedvessel[J],RevGenTherm,1996,35(4):503-516.[5]IEC61511,Functionalsafety-Safetyinstrumentedsystemsfortheprocessindustrysector[S].[6]J.C.Leung.SizeSafetyReliefValvesforFlashingLiquids[J],ChemicalEngineeringProgress,February1992,88(2):70-75.[7]J.C.Leung,andF.N.Nazario,Two-PhaseFlashingFlowMethodsandComparison[J].JournalofLossPreventionProcessIndustries,1990,3(2):253-260.