Проблемы расчета и проектирования систем аварийного сброса и деятельность DIERS Использование

Проблемы расчета и проектирования
систем аварийного сброса
и деятельность DIERS
Использование
Simulis Thermodynamics
при разработке новых
нормативных документов
Леонид Корельштейн
Нормативно-методическая
база по ПК - Россия
 ГОСТ 12.2.085-2002






Сосуды, работающие под давлением. Клапаны
предохранительные. Требования безопасности.
ГОСТ 24570-81
Клапаны предохранительные паровых и водогрейных
котлов. Технические требования.
У ТБ 06-90
Указания по выбору, расчету и установке
предохранительных клапанов (в 3 частях).
Миннефтехимпром СССР. 1991
СТП 12-07-01 (НТП Трубопровод, часть 1)
СА 03-005-07, ПБ 09-540-03, ПБ 03-576-03, ПБ 10-573-03,
ПБ 10-574-03, РД 153-34.1-26.304-98, РД 51-0220570-2-93,
ИПМК-2005 и другие отраслевые документы
ГОСТ 31294-2005
Клапаны предохранительные прямого действия.
Общие технические условия
ПБ 03-583-03
Правила разработки, изготовления и применения
мембранных предохранительных устройств
Отсталость российский
нормативно-правовой базы
 Нечетко разделены параметры защищаемой
системы и предохранительного устройства
 Расчетное давление не обязано совпадать с
давлением настройки ПК!
 Расчет пропускной способности может быть и при
давлении выше полного открытия клапана
 Не определены допустимые потери на отводящем




трубопроводе
Нет учета влияния большого противодавления на
пропускную способность для сильфонных
клапанов
Нет учета сопротивления на предохранительных
мембранах до и после ПК
Нет поправки на температуру при подборе пружин
Многие типичные вопросы оставлены без ответа
Отсталость российский
нормативно-правовой базы
 Отсутствует или плохо проработано описание
многих алгоритмов и методов расчета
 Расчет количества сброса – требуемой пропускной






способности (кроме старого УТБ и его клонов)
Расчет пропускной способности при сбросе
многофазного продукта или
вскипании/конденсации при сбросе
Гидравлический расчет отводящего трубопровода
– режимы теплообмена (изотермический?
Адиабатический – течение Fanno?)
– Учет возможности множественного
критического истечения – слабая попытка
сделана в ГОСТ 31294-2005)
Расчета температуры продукта в системе сброса
Поправки на вязкость для высоковязких продуктов
при расчете пропускной способности
Расчет реактивной силы при сбросе
Оценка шума и вибрации при сбросе
Международная
нормативно-методическая база
 ISO 23251:2006 (оно же ANSI/API STD 521 8
edition). Petroleum, petrochemical and natural
gas industries. Pressure-relieving and
depressuring systems
 ISO 4126
Safety devices for protection against excessive
pressure
 Part 1: Safety valves
 Part 2: Bursting disc safety devices
 Part 3: Savety valves and bursting disc safety devices






in combination
Part 4: Pilot-operated savety valves
Part 5: Controlled safety pressure relief systems
(CSPRS)
Part 6: Application, selection and installation of
bursting disc safety devices
Part 7: Common data
Part 9: Application and installation of safety devices
excluding stand-alone bursting disc safety devices
Part 10 : Sizing of safety valves and connected inlet
and outlet lines for gas/liquid two-phase flow
Международная
нормативно-методическая база
 API RP 520. Sizing, Selection, and Installation
of Pressure-Relieving Devices in Refineries.
Part 1. Sizing and Selection. 7th edition, 2000.
8th edition, 2007
 API RP 520. Sizing, Selection, and Installation
of Pressure-Relieving Devices in Refineries.
Part 2. Installation. 5th edition. 2003
 API std 526. Flanged Steel Pressure Relief
Valves. 5th edition. 2002.
 API STD 2000. Venting Atmospheric and LowPressure Storage Tanks Nonrefrigerated and
Refrigerated. 5th edition, 1998
 EN 764-7:2006. European standard. Pressure
equipment – Part 7. Safety systems for
unfired pressure equipment.
Что такое DIERS?
 Design Institute for Emergency Relief Systems of The





American Institute of Chemical Engineers
Основан в 1976 как консорциум 29 ведущих компаний
для разработки методов расчета систем аварийного
сброса
В 1985 году преобразован в группу пользователей
DIERS (DIERS User Group – DUG)
Сейчас более 160 организаций членов
Функционирует европейское отделение
Организует инициативную совместную работу по
актуальным проблемам
 Работа в комиссиях по направлениям
 Обсуждение на ежегодных встречах-семинарах (2 раза в




год)
Перекрестное тестирование методик и программ (RoundRobin)
Организация конференций, публикация трудов
Подготовка нормативно-методических документов
Обучение
 НТП Трубопровод член DUG с 2009 года
Международная
нормативно-методическая база
 Методология DIERS (AIChE)
(Design
Institute for Emergency Relief Systems of
The American Institute of Chemical Engineers)
 Emergency Relief System Design Using DIERS
Technology. The Design Institute for Emergency Relief
Systems (DIERS). Project Manual. NY, 1992
 Workbook for Chemical Reactor Relief System Sizing.
Contract Research Report 136/1998. HSE Books. 1998
 Guidelines for Pressure Relief and Enfluent Handling
Systems (GPREH). American Institute of Chemical
Engineers. 1998.
 Работы членов DIERS User Groop (Darby, Leung,
Fisher, Melhem и многие другие)
 Некоторые важные достижения DIERS
 Модели и методы определения режима кипения в
аппаратах и фазового состава при сбросе
 Модели и методы расчета сброса двухфазного
потока через предохранительный клапан
 Методы расчета систем аварийного сброса для
аппаратов, где протекают химические реакции
Как НТП Трубопровод
участвует в работе DIERS?
 Изучает опыт и разработки DIERS для
их последующего использования в
российских нормативно-методических
документах и в программе Предклапан
 Участвует в обсуждении на ежегодных
встречах накопленного опыта, новых
методик и программ
 Докладывает о своем опыте (о
разработке расчета двухфазного
течения в программе Гидросистема)
 Участвует в разработке новой редакции
GPREH
Новая редакция GPREH
 Работа над 2-й редакцией началась в конце 2006 года
 Новая редакция должна включить наиболее
современные методы и подходы
 К настоящему времени работа близится к завершению,
большая часть разделов книги написана
 Структура книги
 Глава 1 – вводная
 Глава 2 – критерии и стратегия проектирования систем
аварийного сброса (обзорная глава)
 Глава 3 – математические модели и методы расчета систем
аварийного сброса. Самая трудная глава, включает
различные виды расчетов:
– требуемой пропускной способности (в том числе с
учетом химических реакций)
– пропускной способности предохранительных устройств
– примыкающих трубопроводов
– Реактивной силы и вибраций
 Глава 4 – системы утилизации (обзорная)
 Глава 5 – системы утилизации (расчетные методы)
 Мы участвуем в редактировании главы 3 и подготовке
расчетных примеров к ней
Основы методологии DIERS
Двухфазный продукт в клапане
 Возможные случаи
 Сброс двухфазной смеси из защищаемой
системы
– В процессе кипения
– Жидкость с неконденсируемыми газами
 Вскипание жидкости в клапане и/или
примыкающих трубопроводах
 Ретроградная конденсация в процессе
сброса
Основы методологии DIERS
Сброс двухфазной среды

Возможные случаи



Пенистая жидкость (высокий коэффициент поверхностного натяжения)
Кипение высоковязкой жидкости
Объемное кипение
– Из-за химических реакций
– Когда пристеночное кипение мало отличается от объемного (большая
поверхность теплообмена по отношению к объему)
– Кипение в обогревающем кожухе
– кипение в межтрубном пространстве теплообменника
– кипение в узких трубках

Повышение уровня жидкости при кипении, что может привести к
двухфазному потоку через клапан

Режимы кипения (flow patterns) по DIERS



Однородный (Homogenious)
Пузырковый (bubble)
Эмульсионный (Churn – turbulent)

DIERS выработал методики и формулы, позволяющие предсказать наличие
сброса двухфазного продукта, режим течения, объемное и массовое
газосодержание в сбрасываемом продукте

При наличии химических реакций методология DIERS позволяет
предсказать их течение на основе уравнений химической кинетики с учетом
данных о тепловыделении реакций, полученных на специальном
лабораторном оборудовании (адиабатические калориметры)
Основы методологии DIERS
Расчет пропускной способности клапана
 В большинстве случаев двухфазного течения
пропускная способность предохранительного клапана
может быть рассчитана на основе комбинации
 модели идеального штуцера при изэнтропном течении
 модели однородного равновесного течения (модели HEM)
для двухфазного потока
 Адекватных коэффициентов расхода, корректирующих
результаты для идеального штуцера
 Для двухфазного течения без массообмена (жидкость +
неконденсируемый газ) необходима поправка на
проскальзывание фаз (истинное объемное
газосодержание)
 Для небольших клапанов (длина штуцера до 10 см) и
кипящей жидкости с массовым газосодержанием менее
0.1 термодинамическое равновесие не успевает
установиться. Модель HEM недооценивает пропускную
способность (иногда в несколько раз). Для более
точного расчета необходимо учитывать
термодинамическую неравновесность и задержку
кипения
Расчет пропускной
способности клапана
 Из уравнения Бернулли в
дифференциальной форме
 v2 
 d    0

2
dP
 Получаем, интегрируя по входному
штуцеру клапана и считая скорость на
входе в клапан приближенно нулевой, для
массового потока

G 2   t2

P


dP

 2 



P
1

 max
 
 Критическое и некритическое истечение
 Из этого выражения явным
интегрированием можно, например,
получить формулы стандартов для
идеальной жидкости и идеального газа
Метод прямого
интегрирования (HDI - Darby)
 Рассчитываем расход через идеальный
штуцер прямым численным
интегрированием формулы для расхода
 Плотность берем как
  G  1    L
x

x  S 1  x  G /  L
 Температуру и массовое газосодержание
определяем в результате расчета
однократного изэнтропного испарения
при заданном давлении (необходим
термодинамический пакет, позвляющий
это делать
 Наиболее универсальный метод
Омега-метод (Leung)
 Для однокомпонентного продукта
вдали от критической точки, когда
недоступен инструмент
термодинамических расчетов
 Поведение продукта приближенно
описывается формулой
o
 Po

    1  1

P

 2 Po GLo
   o 1 

hGLo

 C pLoTo Po   GLo



 hGL

Lo

 o




2
 Дальнейшие формулы выводятся из
того же интеграла аналитически
Коэффициенты расхода
для двухфазного течения
 Предложение профессора Darby
 Использовать коэффициент расхода для
газа для критического истечения
 Использовать коэффициент расхода для
жидкости для докритического истечения
2 проблемы, над которыми
сейчас идет работа
 Учет термодинамической
неравновесности
 Методика предсказания
неустойчивости работы клапана и
оценка опасности разрушения
клапана (замена пресловутого
правила 3%)
Учет термодинамической
неравновесности
 Darby - Метод HNDI (Homogenious
Non-Equillibrium Direct Integration)
x  xo   xe  xo  L /10
 Leung – Омеga HNE метод
 Омега – метод Diener-Schmidt
 Методы релаксации
 Нет методов, применимых к
многокомпонентному продукту
Модели расчета
устойчивости работы ПК
 Неудовлетворительность правила
3%
 Более корректные эмпирические
правила
 Модель Fisher-Melhem
 Модель Darby (API)