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 n ГОСТ Сосуды, работающие под давлением. Клапаны предохранительные. Требования безопасности. n ГОСТ Клапаны предохранительные паровых и водогрейных котлов. Технические требования. n У ТБ Указания по выбору, расчету и установке предохранительных клапанов (в 3 частях). Миннефтехимпром СССР n СТП (НТП Трубопровод, часть 1) n СА , ПБ , ПБ , ПБ , ПБ , РД , РД , ИПМК-2005 и другие отраслевые документы n ГОСТ Клапаны предохранительные прямого действия. Общие технические условия n ПБ Правила разработки, изготовления и применения мембранных предохранительных устройств

Отсталость российский нормативно-правовой базы n 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 n Не определены допустимые потери на отводящем трубопроводе n Нет учета влияния большого противодавления на пропускную способность для сильфонных клапанов n Нет учета сопротивления на предохранительных мембранах до и после ПК n Нет поправки на температуру при подборе пружин n Многие типичные вопросы оставлены без ответа

Отсталость российский нормативно-правовой базы n 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 ) 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 n ISO 23251:2006 (оно же ANSI/API STD edition). Petroleum, petrochemical and natural gas industries. Pressure-relieving and depressuring systems n 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 n API RP 520. Sizing, Selection, and Installation of Pressure-Relieving Devices in Refineries. Part 1. Sizing and Selection. 7th edition, th edition, 2007 n API RP 520. Sizing, Selection, and Installation of Pressure-Relieving Devices in Refineries. Part 2. Installation. 5th edition n API std 526. Flanged Steel Pressure Relief Valves. 5th edition n API STD Venting Atmospheric and Low- Pressure Storage Tanks Nonrefrigerated and Refrigerated. 5 th edition, 1998 n EN 764-7:2006. European standard. Pressure equipment – Part 7. Safety systems for unfired pressure equipment.

Что такое DIERS? n Design Institute for Emergency Relief Systems of The American Institute of Chemical Engineers n Основан в 1976 как консорциум 29 ведущих компаний для разработки методов расчета систем аварийного сброса n В 1985 году преобразован в группу пользователей DIERS (DIERS User Group – DUG) n Сейчас более 160 организаций членов n Функционирует европейское отделение n 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 (Round- Robin) Организация конференций, публикация трудов Подготовка нормативно-методических документов Обучение n НТП Трубопровод член DUG с 2009 года

Международная нормативно-методическая база n 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 Guidelines for Pressure Relief and Enfluent Handling Systems (GPREH). American Institute of Chemical Engineers Работы членов DIERS User Groop (Darby, Leung, Fisher, Melhem и многие другие) n 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? n Изучает опыт и разработки DIERS для их последующего использования в российских нормативно-методических документах и в программе Предклапан n Участвует в обсуждении на ежегодных встречах накопленного опыта, новых методик и программ n Докладывает о своем опыте (о разработке расчета двухфазного течения в программе Гидросистема) n Участвует в разработке новой редакции GPREH

Новая редакция GPREH n Работа над 2-й редакцией началась в конце 2006 года n Новая редакция должна включить наиболее современные методы и подходы n К настоящему времени работа близится к завершению, большая часть разделов книги написана n 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) n Мы участвуем в редактировании главы 3 и подготовке расчетных примеров к ней

Основы методологии DIERS Двухфазный продукт в клапане n 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 n 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 n Повышение уровня жидкости при кипении, что может привести к двухфазному потоку через клапан n Режимы кипения (flow patterns) по DIERS Однородный (Homogenious) Пузырковый (bubble) Эмульсионный (Churn – turbulent) n DIERS выработал методики и формулы, позволяющие предсказать наличие сброса двухфазного продукта, режим течения, объемное и массовое газосодержание в сбрасываемом продукте n 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)

n 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 n Для двухфазного течения без массообмена (жидкость + неконденсируемый газ) необходима поправка на проскальзывание фаз (истинное объемное газосодержание) n 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 Основы методологии DIERS Расчет пропускной способности клапана

Расчет пропускной способности клапана n Из уравнения Бернулли в дифференциальной форме n Получаем, интегрируя по входному штуцеру клапана и считая скорость на входе в клапан приближенно нулевой, для массового потока n Критическое и некритическое истечение n Из этого выражения явным интегрированием можно, например, получить формулы стандартов для идеальной жидкости и идеального газа

Метод прямого интегрирования (HDI - Darby) n Рассчитываем расход через идеальный штуцер прямым численным интегрированием формулы для расхода n Плотность берем как n Температуру и массовое газосодержание определяем в результате расчета однократного изэнтропного испарения при заданном давлении (необходим термодинамический пакет, позвляющий это делать n Наиболее универсальный метод

Омега-метод (Leung) n Для однокомпонентного продукта вдали от критической точки, когда недоступен инструмент термодинамических расчетов n Поведение продукта приближенно описывается формулой n Дальнейшие формулы выводятся из того же интеграла аналитически

Коэффициенты расхода для двухфазного течения n 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 n Учет термодинамической неравновесности n Методика предсказания неустойчивости работы клапана и оценка опасности разрушения клапана (замена пресловутого правила 3%)

Учет термодинамической неравновесности n Darby - Метод HNDI (Homogenious Non-Equillibrium Direct Integration) n Leung – Омеga HNE метод n Омега – метод Diener-Schmidt n Методы релаксации n Нет методов, применимых к многокомпонентному продукту

Модели расчета устойчивости работы ПК n Неудовлетворительность правила 3% n Более корректные эмпирические правила n Модель Fisher-Melhem n Модель Darby (API)