Transcript презентацию
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
2Po 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)