KR102091570B1 - Design method of flare system using dynamic modeling - Google Patents

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황성원
조용헌
조연평
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인하대학교 산학협력단
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Abstract

The present invention relates to a design method of a flare system including a pressure relief device, a flare main header, a tail pipe, a knockout drum, and a flare stack. The flare system design method using dynamic modeling comprises the steps of: obtaining a variable value when a Mach number is maximum by performing dynamic modeling by setting a time dependent variable in steady state modeling using an emergency scenario of a flare system; and setting the size of a pipe using the variable value and the Mach number as a design criterion.

Description

동적 모델링을 이용한 플레어 시스템 설계 방법{Design method of flare system using dynamic modeling}Design method of flare system using dynamic modeling}

동적 모델링을 이용한 플레어 시스템 설계 방법에 관한 것이다.A flare system design method using dynamic modeling.

화학 공장의 대부분은 대규모로 구성되어 있으며 압축기(compressor), 증류탑(distillation column), 반응기(reactor), 선박(vessel) 등 다양한 장비로 구성된다. 이 모든 장비는 적절한 작동 조건에서 작동하며 설계 압력을 가진다. 그러나 화재 발생, 유틸리티 고장 및 콘센트 차단과 같은 다양한 비상 상황에서는 과압이 발생하여 적절하게 작동하지 않을 수 있다. 이러한 장비들은 즉시 안정화되지 않으면 더 심각한 화재와 폭발이 일어나 인간의 생명, 재산 및 환경에 심각한 피해를 줄 수 있다. 이러한 사고를 예방하거나 기존 장비를 교체하기 위해 대부분의 화학 플랜트에 압력 방출 시스템(Pressure Relief System)이 설치된다. 공정 상의 다양한 장비를 보호하고 공정의 정상 또는 비정상 작동시 발생하는 과압을 제거한다. 도 1에 압력 방출 시스템의 단순화된 구조를 나타내었다. 압력 방출 장치(Pressure Relief Devices), 플레어 로드(flare load)을 전달하는 헤더와 테일 파이프, 연소(combustion) 전에 액체를 분리하는 녹아웃 드럼, 플레어 가스를 안전하게 불태우는 플레어 스택을 포함한다.Most of the chemical plants are large-scale and consist of various equipment such as compressors, distillation columns, reactors, and vessels. All of this equipment operates under proper operating conditions and has design pressure. However, in a variety of emergencies, such as fires, utility breakdowns, and outlet shutdowns, overpressure may occur and may not work properly. If these equipment are not stabilized immediately, more serious fires and explosions can occur, which can seriously damage human life, property, and the environment. To prevent such accidents or replace existing equipment, most chemical plants are equipped with a Pressure Relief System. It protects various equipment in the process and eliminates overpressure that occurs during normal or abnormal operation of the process. 1 shows a simplified structure of a pressure release system. It includes Pressure Relief Devices, a header and tail pipe that delivers flare loads, a knockout drum that separates liquid before combustion, and a flare stack that safely burns flare gas.

압력 방출 장치에는 압력 안전 밸브(Prssure Safety Valve, PSV), 블로우 다운 밸브(Blow Down Valve, BDV) 및 파열판(rupture disk)이 포함되어 있으며, 장비 내부의 유체를 방출하여 과압을 완화시킨다. 압력 안전 밸브(PSV)는 조작자가 인식하지 못하는 비정상 상태에 대해 자동으로 감압을 수행하고 압력이 지정된 설정 압력에 도달하면 스프링 동작으로 열리는 장치이다. 블로우 다운 밸브(BDV)는 감압을 수행하는 장치이기도 하지만 일반적으로 공정 종료 또는 장비 교체를 위해 유체를 용기에서 신속하게 방출하는 수동 작동에 사용되며 공압식 작동으로 작동된다. 파열판은 압력 컨테이너, 파이프 및 반응기(reactor)와 같은 설비 또는 장치에 설치되며 작동 중에 설정된 압력으로 파손되어 장비를 보호한다. 압력 안전 밸브(PSV)에 비정상적인 물질이 쌓이면 밸브 기능이 손상되거나 밸브가 신속하게 반응하지 못하는 경우에 한 번 사용하기 위해 사용된다. 응급 상황에서 가장 일반적으로 사용되는 장치는 압력 안전 밸브이다. The pressure relief device includes a pressure safety valve (PSV), a blow down valve (BDV) and a rupture disk, which releases fluid inside the equipment to relieve overpressure. The pressure relief valve (PSV) is a device that automatically decompresses an abnormal condition that the operator does not recognize and opens with a spring action when the pressure reaches a specified set pressure. The blow-down valve (BDV) is also a device that performs decompression, but is typically used for manual operation to expel fluid quickly from the vessel for process termination or equipment replacement, and is operated by pneumatic operation. The rupture discs are installed in equipment or devices such as pressure containers, pipes and reactors and are broken to a set pressure during operation to protect the equipment. It is used for one-time use when an abnormal substance accumulates in the pressure relief valve (PSV) or the valve function is impaired or the valve fails to react quickly. The most commonly used device in emergency situations is a pressure relief valve.

압력 안전 밸브(PSV)의 종류와 오리피스의 크기, 플레어 로드 프로파일 및 배압(back pressure) 변화에 따라 안전한 감압을 위한 압력 안전 밸브의 유형, 크기 및 개수를 올바르게 설치하는 것이 중요하다. 각 장비에 연결된 압력 방출 장치에서 방출되는 플레어 가스는 테일 파이프 또는 서브 헤더(sub-header)를 통과하여 메인 헤더(main headeer)에 모인다. 이러한 메인 헤더는 녹아웃 드럼(Knock Out drum, K.O drum)을 통과하여 유체를 플레어 스택으로 보낸다. 정상 작동 중에는 헤더를 통해 흐르는 유체의 양이 적지만 비정상적인 작동의 경우 높은 압력과 속도로 많은 양의 플레어 로드가 흐르게 된다. 각 테일 파이프, 서브 헤더 및 헤더에는 설계 조건이 있으며, PSV 배압의 한계점, 유체의 마하수, 운동량은 라이센스 회사가 설정한다. 파이프 라인의 크기를 결정할 때 응급 시나리오 중 가장 지배적인 시나리오가 모델에 적용되며 계산 결과는 설계 한계를 초과하면 안된다. It is important to properly install the type, size and number of pressure relief valves for safe decompression depending on the type of pressure relief valve (PSV) and the size of the orifice, flare rod profile and back pressure. The flare gas emitted from the pressure relief device connected to each equipment passes through a tail pipe or sub-header and collects in the main headeer. These main headers pass through a knock out drum (K.O drum) to send fluid to the flare stack. During normal operation, the amount of fluid flowing through the header is small, but in the case of abnormal operation, a large amount of flare rod flows at high pressure and speed. Each tail pipe, sub-header and header has design conditions, and PSV back pressure limit, fluid Mach number and momentum are set by the licensing company. When sizing the pipeline, the most dominant of the emergency scenarios is applied to the model, and the calculation results should not exceed design limits.

현재의 석유 및 가스 산업에서, 플레어 시스템(Flare system)은 종래의 방법으로 설계되고 상당한 설계 여유(design margin)을 갖는다. 이것은 자본 비용 측면에서 불필요한 낭비를 초래할 수 있으며, 또한 과도하게 큰 장비 크기는 전체 공정의 공간 및 중량을 증가시킬 수 있다. 따라서 제한된 공간과 무게를 허용하는 해양공정(offshore process)의 경우, 보다 엄격한 설계 방법이 필요하며 기존의 설계 방법은 필요하지 않다.In the current oil and gas industry, flare systems are designed in a conventional way and have significant design margins. This can lead to unnecessary waste in terms of capital cost, and an excessively large machine size can increase the space and weight of the entire process. Therefore, in the case of offshore processes that allow limited space and weight, a more rigorous design method is required and no existing design method is required.

비특허문헌 1에서는 완료된 프로젝트를 사용하여 풀 화재(pool fire) 시나리오의 정상 상태 모델링(steady state modeling)을 수행한 다음 PSV 배압과 속도를 분석하였다. 이 연구의 결과는 테일 파이프의 직경이 화재 시나리오에서 PSV를 손상시키는 높은 배압을 제공하기에는 너무 작음을 나타낸다. 또한, 높은 플레어 로드는 테일 파이프의 속도를 너무 높게하므로 플레어 로드를 분산시키기 위해 테일 파이프의 직경을 2개의 파이프 라인으로 늘리거나 분할해야 함이 개시되어 있다.In Non-Patent Document 1, a steady state modeling of a pool fire scenario was performed using a completed project, and then PSV back pressure and velocity were analyzed. The results of this study indicate that the diameter of the tail pipe is too small to provide high back pressure to damage PSV in fire scenarios. In addition, it has been disclosed that the high flare rod speeds the tail pipe so high that the diameter of the tail pipe must be increased or split into two pipelines to disperse the flare rod.

비특허문헌 2에서는 모델링을 사용하지 않고 방정식을 계산함으로써 냉각수 파괴 및 외부 화재 시나리오의 플레어 네트워크 파이프 라인을 최적화하였다. 헤더의 배압 및 마하수 제한이 제안되었으며 주어진 정보를 사용하여 API521 표준에 따라 마하수 및 배압 등이 계산되었다. 각 소스의 플레어 로드 및 배관 라인의 형상을 결정한 후, 배관 라인의 지름을 다시 계산하여 상기 한도를 만족시켰다. In Non-Patent Document 2, the flare network pipeline for cooling water destruction and external fire scenarios was optimized by calculating equations without using modeling. Header back pressure and Mach number restrictions have been proposed, and Mach number and back pressure have been calculated according to the API521 standard using the information provided. After determining the shape of the flare rod and piping line of each source, the diameter of the piping line was recalculated to satisfy the above limit.

그러나 상기 연구들은 모두 정상 상태의 결과이다.However, all of the above studies are the result of steady state.

기존 화학 공정의 대부분의 플레어 시스템은 정상 상태를 기반으로 하여 설계 여유가 높은 종래 기술로 설계되었다. 일반적으로 이러한 방법들은 도 2(a)에 나타낸 바와 같이, 헤더 파이프에 수집된 플레어 로드의 합을 분석하고 서로 다른 소스의 모든 방출율(discharge rate)을 수용하도록 헤더의 크기를 계산한다. 그러나, PSV에서 방출된 플레어 로드는 도 2(b)와 같이, 순간, 순간 최고점에 도달하고 다시 감소하는 경향이 있으므로 헤더에 부담을 주는 시간은 짧다. 또한, 장비가 일정 거리 떨어져 있고 플레어 로드가 연결되어 있는 PSV에서 방출되는 시간 차가 있으므로 메인 헤더를 통과하는 실제 누적 플레어 로드는 각 플레어 로드의 합보다 작다. 따라서, 플레어 시스템의 올바른 설계가 필요하다Most flare systems in existing chemical processes are designed with the prior art with a high design margin based on steady state. In general, these methods analyze the sum of the flare loads collected in the header pipe as shown in Fig. 2 (a) and calculate the size of the header to accommodate all discharge rates from different sources. However, the flare load emitted from the PSV tends to reach the peak momentarily and momentarily and decrease again, as shown in FIG. In addition, the actual cumulative flare load passing through the main header is less than the sum of each flare rod, since there is a time difference emitted from the PSV to which the flare rod is connected at a certain distance. Therefore, it is necessary to design the flare system properly.

Muktikanta Sahoo, High Back Pressure on Pressure Safety Valves (PSVs) in a Flare System, University of Bergen, Master Thesis, 2013 Muktikanta Sahoo, High Back Pressure on Pressure Safety Valves (PSVs) in a Flare System, University of Bergen, Master Thesis, 2013 Siddhartha Mukherjee, Pressure-Relief System Design, CHEMICAL ENGINEERING, Vol. 113, pp40-45, 2008 Siddhartha Mukherjee, Pressure-Relief System Design, CHEMICAL ENGINEERING, Vol. 113, pp40-45, 2008

전술한 문제점을 해결하고자, 본 발명자들은 해양플랜트의 해상공정 플레어 시스템 설계 방법으로 동적 모델링을 이용한 플레어 시스템 설계 방법을 제시하고자 하는 것이며, 제시하고자 하는 플레어 시스템 설계 방법을 이용함으로써 설계 여유를 줄여 최적의 파이프 크기를 도출할 수 있어 경제성이 우수하며, 단순히 크기만을 줄이는 것이 아니라 응급 상황에서 공정의 실제 거동을 정확하게 예측하여 공정의 안전성도 확보할 수 있는 기술을 제공하고자 한다.In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors intend to present a flare system design method using dynamic modeling as a marine plant flare system design method for an offshore plant, and reduce the design margin by using the proposed flare system design method. It is possible to derive the pipe size, which is excellent in economic efficiency, and not only to reduce the size, but also to provide technology that can secure the safety of the process by accurately predicting the actual behavior of the process in an emergency.

본 발명의 다른 측면에서의 목적은 정상 상태 모델링과 동적 모델링의 차이점을 분석하고 이를 이용하여 앞으로 미래에 플레어 시스템을 설계할 때 새로운 방식을 도입하는 것을 제안하고자 한다.The purpose of another aspect of the present invention is to analyze the difference between steady state modeling and dynamic modeling and propose to introduce a new method when designing a flare system in the future using the analysis.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에서In order to achieve the above object, in one aspect of the present invention

압력 방출 장치, 플레어 메인 헤더, 테일 파이프, 녹아웃 드럼 및 플레어 스택을 포함하는 플레어 시스템의 설계 방법으로,With the design method of flare system including pressure relief device, flare main header, tail pipe, knockout drum and flare stack,

플레어 시스템의 응급 시나리오를 이용한 정상 상태 모델링(steady state modeling)에 시간 의존 변수(time dependent variable)를 설정하여 동적 모델링(dynamic modeling)을 수행하여 마하수(mach number)가 최대일 때 변수 값을 얻는 단계; 및Steps to obtain a variable value when the Mach number is maximum by performing dynamic modeling by setting a time dependent variable in steady state modeling using an emergency scenario of the flare system ; And

상기 변수 값 및 설계 기준이 되는 마하수를 이용하여 파이프의 크기를 설정하는 단계;를 포함하는 동적 모델링을 이용한 플레어 시스템 설계 방법이 제공된다.A method of designing a flare system using dynamic modeling is provided, comprising: setting the size of a pipe using the variable value and the Mach number as a design criterion.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 동적 모델링을 이용한 플레어 시스템 설계 방법은 플레어 시스템에 적용되는 파이프들의 크기를 최적화시킴으로써 경제성 및 안전성을 확보할 수 있다.The flare system design method using dynamic modeling provided in one aspect of the present invention can secure economic efficiency and safety by optimizing the size of pipes applied to the flare system.

도 1은 압력 방출 시스템의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 2는 헤더 파이프에 수집된 플레어 로드의 합을 분석한 그래프(a) 및 시간에 따른 방출되는 플레어 로드의 양을 나타낸 그래프(b)이고;
도 3 및 도 4는 플레어 시스템의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 5는 동적 모델링을 수행하여 고압 평형 분리기에서 시간에 따라 발생하는 변화를 나타낸 그래프이고;
도 6은 동적 모델링을 수행하여 압력 안전 밸브(PSV-A, PSV-B, PSV-C)의 시간에 따라 발생하는 플레어 로드의 양 및 배압을 나타낸 그래프이고;
도 7은 도 3의 파이프(5, Pipe 5)의 시간에 따른 마하수 변화, 및 질량 유량유속 및 압력의 변화를 나타낸 그래프이고;
도 8은 정상 상태 모델링과 동적 상태 모델링으로 계산된 마하수를 비교하여 나타낸 그래프이고;
도 9는 도 8의 결과를 시스템에 결합시킨 모식도이고;
도 10은 정상 상태 모델링과 동적 상태 모델링으로 계산된 파이프 직경을 비교하여 나타낸 그래프이고;
도 11은 도 10의 결과를 시스템에 결합시킨 모식도이다.
1 is a schematic view showing an example of a pressure release system;
2 is a graph (a) analyzing the sum of flare rods collected in the header pipe and a graph (b) showing the amount of flare rods emitted over time;
3 and 4 are schematic views showing an example of a flare system;
5 is a graph showing changes occurring over time in a high pressure equilibrium separator by performing dynamic modeling;
6 is a graph showing the amount and back pressure of flare rods generated over time of pressure relief valves PSV-A, PSV-B, and PSV-C by performing dynamic modeling;
FIG. 7 is a graph showing changes in Mach number over time of pipes 5 and 5 in FIG. 3 and changes in mass flow rate and pressure;
8 is a graph showing a comparison of Mach numbers calculated by steady state modeling and dynamic state modeling;
FIG. 9 is a schematic diagram incorporating the results of FIG. 8 into the system;
10 is a graph comparing pipe diameters calculated by steady state modeling and dynamic state modeling;
FIG. 11 is a schematic diagram in which the results of FIG. 10 are combined into a system.

본 발명의 일 측면에서In one aspect of the invention

압력 방출 장치, 플레어 메인 헤더, 테일 파이프, 녹아웃 드럼 및 플레어 스택을 포함하는 플레어 시스템의 설계 방법으로,With the design method of flare system including pressure relief device, flare main header, tail pipe, knockout drum and flare stack,

플레어 시스템의 응급 시나리오를 이용한 정상 상태 모델링(steady state modeling)에 시간 의존 변수(time dependent variable)를 설정하여 동적 모델링(dynamic modeling)을 수행하여 마하수(mach number)가 최대일 때 변수 값을 얻는 단계; 및Steps to obtain a variable value when the Mach number is maximum by performing dynamic modeling by setting a time dependent variable in steady state modeling using an emergency scenario of the flare system ; And

상기 변수 값 및 설계 기준이 되는 마하수를 이용하여 파이프의 크기를 설정하는 단계;를 포함하는 동적 모델링을 이용한 플레어 시스템 설계 방법이 제공된다.A method of designing a flare system using dynamic modeling is provided, comprising: setting the size of a pipe using the variable value and the Mach number as a design criterion.

이하, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 동적 모델링을 이용한 플레어 시스템 설계 방법에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for designing a flare system using dynamic modeling provided in one aspect of the present invention will be described in detail.

먼저, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 동적 모델링을 이용한 플레어 시스템 설계 방법은 플레어 시스템의 응급 시나리오를 이용한 정상 상태 모델링(steady state modeling)에 시간 의존 변수(time dependent variable)를 설정하여 동적 모델링(dynamic modeling)을 수행하여 마하수(mach number)가 최대일 때 변수 값을 얻는 단계를 포함한다.First, the flare system design method using dynamic modeling provided in one aspect of the present invention is dynamic modeling by setting a time dependent variable in steady state modeling using an emergency scenario of the flare system. modeling) to obtain a variable value when the Mach number is the maximum.

상기 플레어 시스템은 일반적인 플레어 시스템으로, 압력 방출 장치, 플레어 메인 헤더, 테일 파이프, 녹아웃 드럼 및 플레어 스택을 포함할 수 있다. 상기 압력 방출 장치는 강제 차단 밸브(shut down valve, SDV), 압력 안전 밸브(pressure safety valve, PSV), 블로우 다운 밸브(Blow Down Valve, BDV), 파열판 등과, 상기 밸브들이 연결된 각 파이프 라인을 포함할 수 있다.The flare system is a general flare system, and may include a pressure release device, a flare main header, a tail pipe, a knockout drum, and a flare stack. The pressure relief device includes a forced shut-off valve (SDV), a pressure safety valve (PSV), a blow down valve (BDV), a rupture plate, etc., and each pipeline to which the valves are connected. can do.

플레어 로드(flare load)의 방출은 다양한 원인으로 인한 장치의 과압(overpressure)의 결과이다. 특히, 열의 주입으로 열 팽창, 증발 등이 발생하고 이로 인해 압력이 증가하거나 고압 소스의 주입으로 인한 직접적인 압력(direct pressure)의 증가가 주원인이다. 이러한 과압을 유발하는 원인은 매우 다양하기 때문에 미리 여러 유형으로 시나리오(scenario)를 분리하고, 각 시나리오를 설계에 적용하여 안전한 운전이 가능한지 확인한다. 이러한 시나리오를 크게 두 가지로 분류하면 계속적인 시나리오(continuous scenarios)(예로, 조절 밸브 누설(control valve leakage), 퍼지(purge), 공정 환기(process venting))와 계속적인 운전에 의한 것이 아니라 짧은 시간 안에 플레어 로드를 방출시켜 감압(depressurization)하는 응급 시나리오(emergency scenarios)가 있다. 계속적인 시나리오는 일시적인 큰 플레어 로드의 방출이 없기 때문에 파이프의 사이즈를 결정하지 못하여 응급 시나리오를 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 정형적인 응급 시나리오는 API 521에 정리되어 제공되고 있다. The release of flare loads is the result of overpressure of the device due to various causes. In particular, thermal expansion, evaporation, etc. occur due to the injection of heat, and the main cause is an increase in pressure or an increase in direct pressure due to injection of a high pressure source. Since the causes of this overpressure are very diverse, the scenarios are separated into several types in advance, and each scenario is applied to the design to check whether safe operation is possible. Categorizing these scenarios into two broad categories is not due to continuous scenarios (e.g., control valve leakage, purge, process venting) and continuous operation, but rather short periods of time. There are emergency scenarios in which the flare rod is released to depressurize. It is desirable to use the emergency scenario because the continuous scenario does not determine the size of the pipe because there is no temporary large flare rod emission. These formal emergency scenarios are provided in API 521.

본 발명의 일 측면에서 제공되는 동적 모델링을 이용한 플레어 시스템 설계 방법에서 적용하는 응급 시나리오는 분리기 배출구 차단 방출(separator outlet blocked discharge) 시나리오인 것이 바람직하다.The emergency scenario applied in the flare system design method using the dynamic modeling provided in one aspect of the present invention is preferably a separator outlet blocked discharge scenario.

상기 분리기 배출구 차단 방출(separator outlet blocked discharge) 시나리오는 도 3에 나타낸 바와 같이, 원료가 주입되는 원료 주입구(11) 및 원료가 배출되는 원료 배출구(12)를 포함하는 고압 평형 분리기(High Pressure separator, 10); 상기 원료 주입구와 연결된 파이프에 형성된 강제 차단 밸브(20, shut down valve; SDV); 상기 고압 평형 분리기와 연결된 테일 파이프(30, tail pipe)에 형성된 압력 안전 밸브(40, pressure safety valve; PSV); 상기 테일 파이프와 연결된 메인 헤더(50, main header); 상기 메인 헤더와 연결되어 유입되는 성분 중 액체를 분리하는 녹아웃 드럼(60, Knock Out Drum; K.O Drum); 및 상기 녹아웃 드럼과 연결된 플레어 스택(70, flare stack);을 포함하는 시스템(100)에서 수행되는 시나리오일 수 있다.The separator outlet blocked discharge scenario is a high pressure separator, which includes a raw material inlet 11 through which raw materials are injected and a raw material outlet 12 through which raw materials are discharged, as shown in FIG. 3. 10); Forced shut-off valve (20, shut down valve; SDV) formed in the pipe connected to the raw material inlet; A pressure safety valve (PSV) 40 formed in a tail pipe 30 connected to the high pressure equilibrium separator; A main header (50, main header) connected to the tail pipe; A knockout drum (60, Knock Out Drum; K.O Drum) separating the liquid from the inflowing components connected to the main header; And a flare stack connected to the knockout drum (70).

이때, 상기 고압 평형 분리기와 연결된 테일 파이프(30)는 최소한 2개 이상이고, 3개 이상인 것이 바람직하고, 4개 이상인 것이 더욱 바람직하다. 각 테일 파이프는 최소한 2개 이상이 병렬로 위치하고, 각각의 테일 파이프는 메인 헤더와 연결될 수 있으며, 상기 각각의 테일 파이프에는 압력 안전 밸브가 형성될 수 있다.At this time, the tail pipe 30 connected to the high-pressure equilibrium separator is at least two, preferably three or more, more preferably four or more. At least two or more tail pipes are positioned in parallel, and each tail pipe may be connected to a main header, and a pressure relief valve may be formed in each tail pipe.

상기 분리기 배출구 차단 방출(separator outlet blocked discharge) 시나리오는 구체적으로 다음과 같다. 도 3의 시스템(100)의 고압 평형 분리기(10)에 일정한 압력 및 유량으로 원료인 탄화수소 혼합물이 들어오고 배출구(12, outlet)를 통해 배출되는데, 배출구가 닫혀 고압 평형 분리기 내부의 원료들이 빠져나가지 못하고 쌓이면서 내부 압력이 상승하게 되며, 이에 따라 PAHH(pressure alarm high-high) 압력 경고에 도달하면 원료 주입구(11)에 연결된 강제 차단 밸브(20)가 작동하여 약 20초 후에는 완전히 차단된다. 강제 차단 밸브가 잠기는 도중에도 압력이 올라가 압력 안전 밸브 설정 압력(set pressure)에 도달하면 압력 안전 밸브(40)가 열려 플레어 로드(flare load)가 방출되는데, 압력 안전 밸브에 연결된 테일 파이프(30, tail pipe)를 거쳐 메인 헤더(50, main header)로 플레어 로드가 모인다. 메인 헤더를 따라 이동하여 녹아웃 드럼(60)을 거치면서 액체는 분리된 후 마지막으로 플레어 스택(70)에서 연소되어 공기 중으로 방출될 수 있다. 이때, 압력 안전 밸브들의 오리피스 사이즈는 모두 동일하지만 설정 압력은 모두 상이할 수 있다.The separator outlet blocked discharge scenario is specifically as follows. The hydrocarbon mixture as a raw material enters the high pressure equilibrium separator 10 of the system 100 of FIG. 3 at a constant pressure and flow rate and is discharged through an outlet 12, and the outlet is closed so that the raw materials inside the high pressure equilibrium separator escape. The internal pressure rises as it fails to accumulate, and accordingly, when a pressure alarm high-high (PAHH) pressure warning is reached, the forced shutoff valve 20 connected to the raw material inlet 11 is activated and completely shut off after about 20 seconds. Even when the forced shut-off valve is closed, when the pressure rises to reach the pressure safety valve set pressure, the pressure safety valve 40 is opened to release a flare load, the tail pipe 30 connected to the pressure safety valve The flare rod is collected through the tail pipe to the main header 50. While moving along the main header and passing through the knockout drum 60, the liquid can be separated and finally burned in the flare stack 70 and released into the air. At this time, the orifice sizes of the pressure safety valves are all the same, but the set pressures may all be different.

상기 정상 상태 모델링은 초기 원료 주입 조건, 분리기의 크기, 배출구의 크기, 강제 차단 밸브의 크기, 강제 차단 밸브가 닫히는 속도 및 압력 안전 밸브의 설정 압력을 포함하는 인자를 설정하는 것일 수 있다.The steady-state modeling may be to set factors including initial raw material injection conditions, the size of the separator, the size of the outlet, the size of the forced shutoff valve, the speed at which the forced shutoff valve closes, and the set pressure of the pressure relief valve.

상기 동적 모델링에 설정되는 시간 의존 변수는 초기 분리기의 정상 운전 시간 및 고압 평형 분리기의 배출구가 닫히고, PAHH의 압력 경보에 도달한 이후 강제 차단 밸브가 닫히는 시간일 수 있다.The time-dependent variable set in the dynamic modeling may be a normal operating time of the initial separator and a discharge port of the high-pressure equilibrium separator closed, and a time when the forced shut-off valve closes after reaching a pressure warning of PAHH.

상기 동적 모델링은 PES사의 gPROMS 프로그램을 이용하여 수행될 수 있다.The dynamic modeling may be performed using a gESMS program from PES.

다음으로, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 동적 모델링을 이용한 플레어 시스템 설계 방법은 상기 변수 값 및 설계 기준이 되는 마하수를 이용하여 파이프의 크기를 설정하는 단계를 포함한다.Next, a flare system design method using dynamic modeling provided in one aspect of the present invention includes setting the size of the pipe using the variable value and the Mach number as a design criterion.

구체적인 일례로, 상기 변수 값 및 설계 기준이 되는 마하수를 이용하여 파이프의 크기를 설정하는 단계는 하기 식 1을 통해 계산될 수 있다.As a specific example, the step of setting the size of the pipe using the variable value and the Mach number as a design criterion may be calculated through Equation 1 below.

<식 1><Equation 1>

Figure 112018093026856-pat00001
Figure 112018093026856-pat00001

(상기 식 1에서,(In the above formula 1,

Ma는 마하수(Mach number)이고; qm은 기체 질량 유량 속도(Mass flowrate, kg/h) 이고; p는 파이프 배출 압력(Outlet pressure, kPa)이고; d는 파이프 내부 직경(Inner diameter, m)이고; Z는 압축계수(Compressibility)이고; T는 절대온도(Absolute temperature, K)이고; Mw는 기체 중량평균분자량(average molecular weight, g/mol)이다).Ma is the Mach number; q m is the gas mass flow rate (kg / h); p is the pipe outlet pressure (kPa); d is the pipe inner diameter (m); Z is the compressibility; T is the absolute temperature (K); Mw is gas average molecular weight (g / mol).

상기 동적 모델링을 이용하여 얻은 변수 값은 마하수가 최대인 시점의 변수 값일 수 있다. 구체적인 일례로, 동적 모델링을 수행하여 마하수가 최대인 시점에서의 유량, 압력, 온도, 압축계수 및 기체의 평균 분자량을 포함하는 변수 값일 수 있다. 마하수가 최대인 시점의 변수 값과 설계 기준이 되는 마하수를 상기 식 1에 적용함으로써 최악의 조건에서도 마하수 제한을 만족하면서 파이프의 크기를 최소화시킬 수 있다.The variable value obtained using the dynamic modeling may be a variable value at a time when the Mach number is maximum. As a specific example, the dynamic modeling may be a variable value including flow rate, pressure, temperature, compression coefficient, and average molecular weight of the gas at the time when the Mach number is the maximum. By applying the variable value at the time when the Mach number is the maximum and the Mach number as a design criterion to Equation 1, the size of the pipe can be minimized while satisfying the Mach number limit even under the worst conditions.

이때, 상기 파이프는 압력 방출 장치, 메인 헤더 등을 연결하는 파이프일 수 있으며, 구체적인 일례로 압력 안전 밸브가 형성된 테일 파이프, 메인 헤더에 형성된 파이프 등일 수 있다.In this case, the pipe may be a pipe that connects a pressure release device, a main header, or the like, and may be, for example, a tail pipe formed with a pressure safety valve, a pipe formed on the main header, or the like.

이하, 본 발명의 실험예를 통해 더욱 상세히 설명하고 자 한다. Hereinafter, it will be described in more detail through experimental examples of the present invention.

단, 하기 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 내용이 하기 실시예 및 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.However, the following experimental examples are only illustrative of the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the following examples and experimental examples.

<< 실시예Example > 플레어 시스템의 동적 > Flare system dynamic 모델링modelling

대부분의 석유화학, 오일 산업에서 플레어 시스템을 설계할 때는 정상 상태 모델링을 이용하고 Aspen flare system analyzer, Aspen hysys 등의 프로그램이 이용된다. 특히 플레어 시스템 설계에 특화된 AFSA를 이용하여 파이프에서의 마하수(mach number), 운동량(momentum), 노이즈(noise) 등을 계산하여 볼 수 있고 설정한 설계 값을 만족하는지 확인이 가능하다. 그러나, 공정(Process) 부분은 동시에 모델링할 수 없으며 플레어 소스(flare source)에 직접 플레어 로드(flare load)의 양, 설정 압력(set pressure), 오리피스 사이즈, 배출 압력 등을 입력해 주면 그 값을 이용하여 연결된 파이프에서의 마하수(mach number) 등을 계산해준다. 하지만, 실제 생산 공정은 메인 공정(main process) 부분과 플레어 부분이 연결되어 있으며, 메인 공정 부분의 정상 운전, 발화, 배출구 닫힘(outlet block), 자동 제어 파손(automatic control failure) 등의 상황으로 인한 공정 장비의 이상 고압 등의 작용으로 플레어 로드가 연결된 플레어 시스템으로 방출된다. 동시에 모델링 하는 것 대신, 메인 공정 부분의 현상으로 인한 플레어 방출 시나리오를 결정하고 플레어 로드의 양이나 방출 압력 등을 따로 계산하며 또한, 시간에 따른 변화는 고려하지 않는다. 이로 인해 정확한 설계가 가능하지 않기 때문에 계산시 상당한 여유(margin)를 추가하게 된다. When designing flare systems in most petrochemical and oil industries, steady-state modeling is used, and programs such as the Aspen flare system analyzer and Aspen hysys are used. In particular, using the AFSA specialized in flare system design, the Mach number, momentum, and noise in the pipe can be calculated and viewed, and it is possible to check whether the set design value is satisfied. However, the process part cannot be modeled at the same time, and if the amount of flare load, set pressure, orifice size, discharge pressure, etc. is directly input to the flare source, the value is changed. Calculate the Mach number, etc. in the connected pipe. However, in the actual production process, the main process part and the flare part are connected, and due to situations such as normal operation, ignition, outlet block, automatic control failure of the main process part, etc. Due to the abnormal high pressure of the process equipment, the flare rod is discharged to the connected flare system. Instead of modeling at the same time, it determines the flare emission scenario due to the phenomenon of the main process part, calculates the amount of flare rod or discharge pressure separately, and does not take into account changes over time. This adds a significant margin to the calculation because it is not possible to design accurately.

상기 정상 상태 모델링한 시나리오를 gPROMS process builder를 이용하여 동적 모델링을 수행하였다. AFSA와는 다르게 메인 공정 부분을 함께 모델링 하였다. 상기 시나리오는 메인 공정 부분의 분리기(10)의 압력이 어떻게 변화하는지, 그리고 그 압력에 의해 압력 안전 밸브(40, PSV)들이 어떻게 열리게 되는 지가 가장 중요한 포인트이며 이를 동적 모델링을 통해서만 정확하게 구현할 수 있다. 분리기의 압력에 영향을 주는 요인은 초기 피드 조건(initial feed condition)으로 유량, 온도, 압력, 조성이 있으며, 이와 더불어 분리기 및 강제 차단 밸브(20, SDV)의 크기, 배출부 스트림의 닫힘, 강제 차단 밸브가 닫히는 속도가 있다. 먼저 초기 피드 조건, 공정의 구성, 장비의 크기, PSV 설정 압력 등을 이용하여 정상 상태 모델을 만들고, 그 후 스케쥴러(scheduler)를 이용해서 시간 의존 변수(time dependent variable)를 반영하여 동적 모델로 전환시킨다. 상기 동적 모델의 스케쥴러에는 약 50초간의 정상 운전 후 배출부 밸브를 닫음으로써 배출부 닫힘(outlet block)을 구현했다. 그에 따라 분리기의 압력이 초기값 14.7 barg에서 증가하기 시작하여 PAHH(20.69 barg)에 도달하면 20초 동안 강제 차단 밸브가 닫히도록 설정했다. Dynamic modeling was performed for the steady state modeled scenario using the gPROMS process builder. Unlike AFSA, the main process parts are modeled together. The above scenario is the most important point of how the pressure of the separator 10 in the main process part changes, and how the pressure relief valves 40 and PSV are opened by the pressure, which can be accurately implemented only through dynamic modeling. Factors affecting the pressure of the separator are initial feed conditions, such as flow rate, temperature, pressure, and composition. In addition, the size of the separator and the forced shut-off valves (20, SDV), closing of the outlet stream, and forced There is a speed at which the shutoff valve closes. First, create a steady state model using initial feed conditions, process configuration, equipment size, PSV set pressure, etc., and then convert to a dynamic model by reflecting time dependent variables using a scheduler. Order. In the scheduler of the dynamic model, an outlet block was implemented by closing the outlet valve after normal operation for about 50 seconds. Accordingly, the pressure of the separator began to increase at the initial value of 14.7 barg, and when the PAHH (20.69 barg) was reached, the forced shutoff valve was set to close for 20 seconds.

분리기에 5개의 압력 안전 밸브를 연결해 놓았고 설정 압력에 도달하는 압력 안전 밸브는 열리게 되어 파이프 라인으로 분리기 내부에 압축된 유체가 플레어 로드로써 방출된다. 이 또한 동적 모델링이기 때문에 처음 열리게 되었을 때부터 압력 안전 밸브가 닫히게 되는 때까지의 기간 동안 방출되는 플레어 로드의 유량은 일정하지 않다. 또한 각 압력 안전 밸브에 연결된 테일 파이프(tail pipe)들은 네트워크를 구성하며 연결되어 있으며 서로 충전 효과(packing effect), 배압(back pressure) 등의 작용으로 열리는 시간이 다른 압력 안전 밸브끼리 밸브가 열리는 것에 영향을 주게 된다.Five pressure relief valves are connected to the separator, and the pressure relief valve to reach the set pressure is opened and the fluid compressed inside the separator into the pipeline is discharged as a flare rod. Because this is also dynamic modeling, the flow of the flare rod discharged during the period from the first opening to the closing of the pressure relief valve is not constant. In addition, the tail pipes connected to each pressure safety valve constitute a network and are connected to each other, and the valves open between pressure safety valves having different opening times due to the effect of packing effect, back pressure, etc. Impact.

마하수(Mach number)는 유체의 속도(velocity)와 유체에서의 음속의 비로 구할 수 있다. Aspen flare system analyzer에서는 하기 식 2를 이용하여 마하수를 계산하며 유체에서의 음속을 파이프에서의 델타 압력(delta pressure)과 밀도 차이(density difference)를 이용하여 구한다. The Mach number can be determined by the ratio of the velocity of the fluid to the speed of sound in the fluid. In the Aspen flare system analyzer, Mach number is calculated using Equation 2 below, and the sound velocity in the fluid is obtained using the delta pressure and density difference in the pipe.

<식 2><Equation 2>

Figure 112018093026856-pat00002
Figure 112018093026856-pat00002

반면, gPROMS process builder에서는 마하수를 자동적으로 계산하지 않아 새로운 식에 적용하여 계산해야 한다. 본 발명에서는 동적 모델의 마하수를 식 1을 이용하여 계산하였다. 동적 모델링에서도 AFSA와 같이 식 2를 이용할 수 있으나, 식 1을 이용하는 것이 많은 수의 변수가 사용되므로 매우 정확하다. On the other hand, the gPROMS process builder does not automatically calculate the Mach number, so it must be applied to the new equation. In the present invention, the Mach number of the dynamic model was calculated using Equation 1. In dynamic modeling, Equation 2 can be used like AFSA, but using Equation 1 is very accurate because a large number of variables are used.

<< 실험예Experimental example > 동적 > Dynamic 모델링modelling 분석 analysis

1. 고압 평형 분리기(HP separator) 결과 분석1. Analysis of high pressure equilibrium separator (HP separator) results

고압 평형 분리기(HP separator)는 해저로부터 올라온 두가지 상의 피드 유체를 1 단계로 오일(oil)과 가스(gas)로 분리하는 장치이다. 50초 동안 일정한 압력, 액위(liquid level)로 정상 운전하다가, 50초에 가스 배출부(gas outlet)와 액체 배출부(lquid outlet)가 닫히게 되며 이는 도 5에서 확인할 수 있다. 분리기 주입구(separator inlet)로는 계속해서 피드가 유입되기 때문에 분리기 내부의 압력과 액위는 지속적으로 증가한다(도 5의 Separator pressure 및 Separator liquid level). 이때, 내부 압력이 증가하므로 주입구 질량 유량속도(inlet mass flowrate)가 다소 줄어드는 것을 확인할 수 있다(도 5의 inlet mass flowrate). 압력이 분리기의 PAHH 경고 압력인 22.72 bar에 도달하는 63초 경에 강제 차단 밸브(SDV)가 20초 동안 닫히게 되기 시작하고 주입구 질량 유량속도가 더욱 급속하게 감소한다. 강제 차단 밸브가 잠기고 있는 도중에도 압력이 증가하여 첫 번째 압력 안전 밸브(PSV)의 설정 압력에 도달하면(70초), 압력 안전 밸브가 열리게 되어 분리기 내부의 유체를 압력 안전 밸브로 방출함으로써 더 이상 압력이 증가하지 않도록 분리기를 보호한다. 이때부터는 분리기 압력의 증가하는 기울기가 감소하고, 강제 차단 밸브가 완전히 닫히는 83초 이후부터 분리기 최대 설계 압력(separator maximum design pressure) 이하의 압력으로 일정하게 유지된다. 액위 부분(Liquid level fraction)도 마찬가지로 0.546까지 증가하다 유지되므로, 압력 안전 밸브로는 두가지 상이 아닌 하나의 상의 가스만 방출된다. 하지만, AFSA를 이용하여 모델링할 시 이러한 상의 차이는 고려하지 않고 분리기 주입부 피드(separator inlet feed)의 조성을 그대로 압력 안전 밸브 소스로 입력하게 되므로 마하수를 계산하면서 차이가 나게 되는 것이다.A high pressure equilibrium separator (HP separator) is a device for separating two phases of feed fluid from the seabed into oil and gas in one step. After normal operation at a constant pressure and liquid level for 50 seconds, the gas outlet and the liquid outlet are closed at 50 seconds, which can be confirmed in FIG. 5. Since the feed continuously flows into the separator inlet, the pressure and the liquid level inside the separator continuously increase (separator pressure and separator liquid level in FIG. 5). At this time, since the internal pressure is increased, it can be seen that the inlet mass flow rate is slightly reduced (inlet mass flowrate in FIG. 5). At 63 seconds when the pressure reaches the separator's PAHH warning pressure of 22.72 bar, the forced shut-off valve (SDV) begins to close for 20 seconds and the inlet mass flow rate decreases more rapidly. Even when the forced shut-off valve is closed, the pressure increases and reaches the set pressure of the first pressure relief valve (PSV) (70 seconds), which opens the pressure relief valve and releases the fluid inside the separator to the pressure relief valve. The separator is protected against increasing pressure. From this point on, the increasing slope of the separator pressure decreases, and it remains constant at a pressure below the separator maximum design pressure from 83 seconds after the forced shut-off valve is completely closed. Since the liquid level fraction is also maintained to increase to 0.546, the pressure relief valve releases only one phase of gas, not two phases. However, when modeling using AFSA, the difference in the Mach number is calculated because the composition of the separator inlet feed is input as it is to the pressure safety valve source without taking into account this difference.

2. 압력 2. Pressure 안전 밸브Safety valve 결과 분석 Results analysis

압력 안전 밸브(PSV)의 동적 모델링 결과를 도 6에 나타내었다. 5개의 압력 안전 밸브 중 3개의 압력 안전 밸브만 열리게 되었다. PSV-A가 가장 낮은 설정 압력을 가지고 PSV-A, PSV-B, PSV-C, PSV-D 순으로 설정 압력이 높다. 이로 인해 PSV-A, B, C 순차적으로 열리게 되게 된다. 시간을 보면 PSV-A는 69.95초, PSV-B는 70.73초, PSV-C는 71.96초에 열리게 된다. 또한 분리기 내부 압력이 낮아지면서 압력 안전 밸브들도 닫히는데 PSV-C, B, A 순으로 닫힌다. 압력 안전 밸브에서 방출되는 최대 플레어 로드(flare load)의 양을 비교하면 가장 먼저 열리는 PSV-A가 가장 크고, PSV-B, C 순으로 낮다(모든 PSV의 오리피스 사이즈는 동일하고 설정 압력만 다르다). 이는 시간 차이로 인한 영향도 있지만, 먼저 열리게 되는 압력 안전 밸브에 의해 압력 안전 밸브 후단에 배압(back pressure)이 작용해 밸브의 리프팅(lifting)이 덜 되기 때문이다. 배압을 PSV끼리 비교한 그래프(도 6의 우측 그래프)를 비교하면 PSV-A가 열리는 순간 PSV-B, C에도 동시에 배압이 작용하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 차이로 인해 압력 안전 밸브에서 방출되는 플레어 로드가 모두 다르고, 후단에 연결된 파이프들에서의 마하수가 다르며 이것이 곧 Aspen Flare System Analyzer의 결과와 가장 큰 차이점을 만드는 이유 중의 하나이다.The results of the dynamic modeling of the pressure relief valve (PSV) are shown in FIG. 6. Of the five pressure relief valves, only three pressure relief valves have been opened. PSV-A has the lowest set pressure and the set pressure is highest in order of PSV-A, PSV-B, PSV-C, and PSV-D. As a result, PSV-A, B, and C are sequentially opened. Looking at the time, PSV-A opens at 69.95 seconds, PSV-B at 70.73 seconds, and PSV-C at 71.96 seconds. In addition, as the pressure inside the separator decreases, the pressure relief valves close as well, followed by PSV-C, B, and A. Comparing the maximum amount of flare load discharged from the pressure relief valve, the first PSV-A to open is the largest, and the PSV-B to C are the lowest (all orifice sizes of all PSVs are the same and only the set pressure is different) . This is because there is an effect due to the time difference, but the back pressure is applied to the rear end of the pressure safety valve by the pressure safety valve that is opened first, so that the valve is less lifted. By comparing the graphs comparing PSVs between the back pressures (the graph on the right in FIG. 6), it can be confirmed that the back pressures act simultaneously on PSV-B and C at the moment PSV-A opens. Because of this difference, the flare rods discharged from the pressure relief valve are all different, the Mach number in the pipes connected to the rear end is one of the reasons that makes the biggest difference from the results of the Aspen Flare System Analyzer.

3. 3. 마하수Mach number 계산 결과 및 정상 상태  Calculation result and steady state 모델링과의Department of Modeling 비교 분석 comparison analysis

본 발명의 동적 모델링은 식 1로 마하수를 계산했고 그 중 하나의 파이프에서 마하수 프로파일(Mach number profile)을 도 7에 나타내었다. 압력 안전 밸브(PSV)가 열리게 되는 순간 급격하게 증가하여 피크를 찍는데, 그 값을 선정하여 정상 상태 모델링인 AFSA의 마하수와 비교했다. 압력 안전 밸브가 열리게 되어 플레어 로드(Flare load)가 방출될 때, 마하수가 최대인 시점은 단순히 방출되는 플레어 로드가 최대인 시점과 같지 않다. 도 7의 우측 그래프를 보면, 파이프의 질량 유량속도(mass flowrate)가 증가하고 한 템포 늦게 압력이 증가한다. 식 1에 의하면 마하수는 질량 유량속도에 비례하고, 압력에는 반비례하기 때문에 질량 유량속도가 최대가 되기 이전에 마하수의 최대값을 갖게 된다. 방출되는 플레어 로드의 양만을 이용해 동적 분석(dynamic analysis)을 하는 것은 정확하지 않고 시간에 따른 마하수의 변화를 분석한 결과를 통해 최적의 설계를 할 수 있다. 일반적으로 마하수를 구할 때 파이프의 주입부(inlet)과 배출부(outlet)에서의 마하수를 따로 구한다. 하지만 파이프에서 유체 흐름이 진행되면 파이프 위치에 따른 질량 유량속도는 일정한데 비해, 압력은 압력 강하(pressure drop)로 인해 파이프 배출부에서 더 낮고, 식 1의 결과로 인해 배출부에서 더 큰 마하수를 갖는다. 따라서 본 발명에서는 주로 파이프 배출부에서의 마하수를 이용했다.In the dynamic modeling of the present invention, Mach number is calculated by Equation 1, and a Mach number profile in one pipe is shown in FIG. 7. When the pressure relief valve (PSV) opens, it rapidly increases and takes a peak, and the value is selected and compared with the Mach number of the steady-state model AFSA. When the pressure relief valve opens and the flare load is released, the point in time when the Mach number is maximum is not the same as the point in time when the flare load is simply released. Looking at the graph on the right in FIG. 7, the mass flow rate of the pipe increases and the pressure increases one tempo late. According to Equation 1, the Mach number is proportional to the mass flow rate, and inversely proportional to the pressure, so the Mach number has a maximum value before the mass flow rate becomes maximum. Dynamic analysis using only the amount of flare rods released is not accurate, and the optimal design can be made through the analysis of changes in Mach number over time. In general, when determining the Mach number, the Mach number at the inlet and outlet of the pipe is determined separately. However, when the fluid flows in the pipe, the mass flow rate depending on the pipe position is constant, whereas the pressure is lower at the pipe outlet due to the pressure drop, and as a result of Equation 1, the larger Mach number at the outlet Have Therefore, in the present invention, Mach water is mainly used at the pipe discharge portion.

도 8, 도 9 및 하기 표 1에 Aspen Flare System Analyzer를 이용하여 정상 상태 모델링으로 계산한 마하수(mach number)와 gPROMS를 이용하여 동적 모델링으로 계산한 마하수의 값을 비교하여 나타내었다. 이때, 각 파이프의 표시(Pipe 1-16)는 도 4에 1-16으로 표시된 부분의 파이프와 같다.8, 9 and Table 1 below show the Mach number calculated by steady state modeling using Aspen Flare System Analyzer and the Mach number calculated by dynamic modeling using gPROMS. At this time, the display of each pipe (Pipe 1-16) is the same as the pipe of 1-16 in FIG.

Pipe
12
Pipe
12
Pipe
13
Pipe
13
Pipe
14
Pipe
14
Pipe
15
Pipe
15
Pipe
16
Pipe
16
Pipe
2
Pipe
2
Pipe
7
Pipe
7
Pipe
3
Pipe
3
Pipe
8
Pipe
8
Pipe
4
Pipe
4
Pipe 9Pipe 9 Pipe
5
Pipe
5
Pipe
10
Pipe
10
AFSAAFSA 0.090.09 0.190.19 0.300.30 0.440.44 0.280.28 0.580.58 0.380.38 0.570.57 0.370.37 0.580.58 0.380.38 0.610.61 0.40.4 gPROMSgPROMS 0.000.00 0.040.04 0.160.16 0.430.43 0.290.29 0.000.00 0.000.00 0.220.22 0.160.16 0.640.64 0.490.49 0.890.89 0.890.89

일부를 제외하고 대부분의 파이프에서 동적 모델링을 통해 얻은 마하수가 낮게 계산되었다. Pipe 1, 6에 형성된 압력 안전 밸브를 제외하고 4개의 압력 안전 밸브 중 3개의 압력 안전 밸브만 열리게 되었고 다소 높은 설정 압력을 가진 Pipe 2, 7에 형성된 압력 안전 밸브는 열리지 않아 일부 파이프에서 유량이 없어 마하수가 0으로 계산되었다. 특히 테일 파이프에 해당하는 Pipe 4, 5, 9, 10은 동적 모델링에서 더 큰 마하수를 가지며 특히 Pipe 5, 10은 설계 기준인 마하수 0.7을 초과하여 실제 운전 시 진동 발생 등의 안전문제를 일으킬 수 있다. 이는 동일한 오리피스 사이즈를 가지지만 서로 다른 설정 압력으로 인해 발생한 순차적 발생이 원인이다. 가장 낮은 설정 압력을 가지는 Pipe 5에 연결된 압력 안전 밸브에서 가장 큰 플레어 로드가 방출되므로 거기에 연결된 테일 파이프에서 가장 큰 마하수가 계산된다. 또한 설정 압력이 높아 더 늦게 열리는 Pipe 4, Pipe 3에 형성된 압력 안전 밸브 쪽으로 갈수록 순차적으로 낮은 마하수를 갖는다. 반면, Aspen Flare System Analyzer(AFSA)의 경우에는 gPROMS와 달리 공정 부분과 플레어 네트워크 부분을 동시에 모델링 하는 것이 아닌 플레어 네트워크 부분만 계산한다. 따라서 모든 압력 안전 밸브에서 모두 같은 양의 플레어 로드가 방출된다고 가정하고 분리기 주입부의 유량을 압력 안전 밸브의 개수로 나눈 값을 입력하며 실제 일반적인 프로젝트에서 이와 같은 방법으로 진행한다. 이러한 이유들로 인해 정상 상태 모델링과 동적 모델링에서 가장 큰 차이가 나타나게 된다.For most but few pipes, the Mach number obtained through dynamic modeling was calculated low. Except for the pressure relief valves formed on Pipes 1 and 6, only 3 of the 4 pressure relief valves were opened, and the pressure relief valves formed on Pipes 2 and 7 with somewhat higher set pressure did not open, so there was no flow in some pipes. Mach number was calculated as 0. In particular, pipes 4, 5, 9, and 10, which are tail pipes, have a larger Mach number in dynamic modeling, and especially pipes 5 and 10 may exceed the design standard Mach number of 0.7, which may cause safety problems such as vibration during actual operation. . This is due to the sequential occurrence caused by different set pressures having the same orifice size. The largest flare rod is released from the pressure relief valve connected to Pipe 5 with the lowest set pressure, so the largest Mach number in the tail pipe connected to it is calculated. In addition, the higher the set pressure, the slower the Mach number gradually increases toward the pressure relief valves formed on the pipes 4 and 3 that open later. On the other hand, in the case of Aspen Flare System Analyzer (AFSA), unlike gPROMS, only the flare network part is calculated, rather than modeling the process part and flare network part at the same time. Therefore, assuming that all pressure relief valves release the same amount of flare rods, enter the value of the flow rate of the separator inlet divided by the number of pressure relief valves, and proceed in the same way in a typical general project. For these reasons, the biggest difference between steady-state modeling and dynamic modeling appears.

4. 헤더/파이프 크기 최적화 결과4. Header / pipe size optimization results

동적 모델링 결과를 이용하여 API 521 standard와 라인 크기 기준(line sizing criteria)에 맞게 헤더 크기(header size)를 최적화하였으며, 그 결과를 도 10, 도 11 및 하기 표 2에 나타내었다. The header size was optimized according to the API 521 standard and line sizing criteria using the dynamic modeling results, and the results are shown in FIGS. 10, 11, and Table 2 below.

Pipe
12
Pipe
12
Pipe
13
Pipe
13
Pipe
14
Pipe
14
Pipe
15
Pipe
15
Pipe
16
Pipe
16
Pipe
2
Pipe
2
Pipe
7
Pipe
7
Pipe
3
Pipe
3
Pipe
8
Pipe
8
Pipe
4
Pipe
4
Pipe 9Pipe 9 Pipe
5
Pipe
5
Pipe
10
Pipe
10
AFSAAFSA 2424 2424 2424 2424 3030 1010 1212 1010 1212 1010 1212 1010 1212 gPROMSgPROMS -- 88 1414 2424 2424 -- -- -- -- 1010 1212 1212 1414

일반적으로 헤더(header)와 테일 파이프(tail pipe) 혹은 서브 헤더(sub-header)는 0.7이나 0.5 이하의 마하수를 갖도록 그 크기를 정한다. 본 발명에서는 헤더는 0.5 이하, 테일 파이프는 0.7 이하의 마하수를 갖도록 크기를 최적화했으며, 최대 허용가능한 배압(Maximum Allowable Black Pressure, MABP)이 압력 안전 밸브(PSV)의 설정 압력의 50%가 넘지 않는 것을 확인하였다. 먼저 기준이 되는 마하수(0.5 또는 0.7)을 식 1에 대입하고 동적 모델링 결과를 통해 마하수가 최대인 시점의 변수들(직경(diameter)을 제외한 변수로, 유량, 압력, 온도, 압축계수(compressibuility factor) 및 기체의 평균 분자량)을 입력한다. 그 결과로 최악의 조건에서도 마하수 제한을 만족하면서 그 크기는 최소화한 파이프의 직경을 구할 수 있었다.In general, headers and tail pipes or sub-headers are sized to have a Mach number of 0.7 or less than 0.5. In the present invention, the header is 0.5 or less, and the tail pipe is optimized to have a Mach number of 0.7 or less, and the maximum allowable black pressure (MABP) does not exceed 50% of the set pressure of the pressure relief valve (PSV). Was confirmed. First, the standard Mach number (0.5 or 0.7) is substituted into Equation 1, and the dynamic modeling results show the variables at the time when the Mach number is the maximum (a variable excluding diameter). Flow, pressure, temperature, and compression coefficient ) And the average molecular weight of the gas). As a result, it was possible to find the diameter of the pipe with the minimum size while satisfying the Mach number limit even under the worst conditions.

프로젝트에서 주어진 값 대비 본 발명에 따른 동적 모델링을 통해 계산시 얼마만큼 파이프의 사이즈를 줄일 수 있을지 비교하였다. 대부분의 파이프 직경을 줄이거나 그대로 유지할 수 있다는 결과를 얻었는데 PSV-A에 연결되어 있는 테일 파이프인 Pipe 5와 Pipe 10의 경우 오히려 직경을 더 키워야 안전하다는 결과를 얻었다. 이는 앞서 설명했듯이 압력 안전 밸브의 순차적 방출로 인한 플레어 로드 쏠림에 의한 마하수 차이가 그 원인이다. How much the size of the pipe can be reduced when calculating through dynamic modeling according to the present invention compared to a given value in the project. The results showed that most pipe diameters could be reduced or maintained, but the tail pipes connected to the PSV-A, Pipe 5 and Pipe 10, showed that it was safer to increase the diameter. This is due to the difference in Mach number due to flare rod tilt due to the sequential release of the pressure safety valve as described above.

일반적으로 현재 널리 이용되고 있는 정상 상태 모델링을 통한 플레어 네트워크 설계는 큰 여유(margin)로 인해 오버사이징(oversizing) 되어있는 것으로 알려져 있다. 본 발명의 설계 방법을 통해 파이프 크기를 줄임으로써 비용을 줄이고, 해양플랜트 해상공정의 중량을 줄일 수 있다. 또한, 현재 작은 직경으로 설계된 Pipe 5, Pipe 10의 직경을 설계 변경함으로써 사고가 일어나는 것을 방지할 수 있다.In general, it is known that flare network design through steady state modeling, which is currently widely used, is oversized due to a large margin. Through the design method of the present invention, it is possible to reduce the cost by reducing the pipe size and to reduce the weight of the offshore plant offshore process. In addition, it is possible to prevent an accident from occurring by changing the diameters of pipes 5 and 10, which are currently designed with a small diameter.

100 : 플레어 시스템
10 : 고압 평형 분리기
11 : 주입부
12 : 배출부
20 : 강제 차단 밸브
30 : 테일 파이프
40 : 압력 안전 밸브
50 : 메인 헤더
60 : 녹아웃 드럼
70 : 플레어 스택
100: flare system
10: high pressure equilibration separator
11: Injection part
12: outlet
20: forced shut-off valve
30: tail pipe
40: pressure safety valve
50: main header
60: knockout drum
70: flare stack

Claims (7)

압력 방출 장치, 플레어 메인 헤더, 테일 파이프, 녹아웃 드럼 및 플레어 스택을 포함하는 플레어 시스템의 컴퓨터에 의해 수행되는 설계 방법으로,
플레어 시스템의 응급 시나리오를 이용한 정상 상태 모델링(steady state modeling)에 시간 의존 변수(time dependent variable)를 설정하여 동적 모델링(dynamic modeling)을 수행하여 마하수(mach number)가 최대일 때 변수 값을 얻는 단계; 및
상기 변수 값 및 설계 기준이 되는 마하수를 이용하여 파이프의 크기를 설정하는 단계;를 포함하고,
상기 응급 시나리오는 분리기 배출구 차단 방출(separator outlet blocked discharge) 시나리오이고,
상기 분리기 배출구 차단 방출(separator outlet blocked discharge) 시나리오는,
원료가 주입되는 원료 주입구 및 원료가 배출되는 원료 배출구를 포함하는 고압 평형 분리기(High Pressure separator);
상기 원료 주입구와 연결된 파이프에 형성된 강제 차단 밸브(shut down valve, SDV);
상기 고압 평형 분리기와 연결된 테일 파이프(tail pipe)에 형성된 압력 안전 밸브(pressure safety valve, PSV);
상기 테일 파이프와 연결된 메인 헤더(main header);
상기 메인 헤더와 연결되어 유입되는 성분 중 액체를 분리하는 녹아웃 드럼(Knock Out Drum); 및
상기 녹아웃 드럼과 연결된 플레어 스택(flare stack);을 포함하는 장치에서 수행되는 시나리오인 것을 특징으로 하는 동적 모델링을 이용한 플레어 시스템 설계 방법.
A design method carried out by a computer in a flare system that includes a pressure relief device, a flare main header, a tail pipe, a knockout drum and a flare stack,
Steps to obtain a variable value when the Mach number is maximum by performing dynamic modeling by setting a time dependent variable in steady state modeling using an emergency scenario of the flare system ; And
Including the step of setting the size of the pipe using the variable value and the Mach number as a design reference;
The emergency scenario is a separator outlet blocked discharge scenario,
The separator outlet blocked discharge scenario,
A high pressure separator including a raw material inlet through which raw materials are injected and a raw material outlet through which raw materials are discharged;
A forced down valve (SDV) formed in the pipe connected to the raw material inlet;
A pressure safety valve (PSV) formed on a tail pipe connected to the high pressure equilibrium separator;
A main header connected to the tail pipe;
Knock Out Drum (Knock Out Drum) for separating the liquid from the incoming component is connected to the main header; And
Flare stack (flare stack) connected to the knockout drum; flare system design method using dynamic modeling, characterized in that the scenario performed in the device comprising a.
삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 테일 파이프는 최소한 2개 이상이고, 각 테일 파이프에는 압력 안전 밸브가 형성된 것을 특징으로 하는 동적 모델링을 이용한 플레어 시스템 설계 방법.
According to claim 1,
The tail pipe is at least two, and each tail pipe is provided with a pressure relief valve. A flare system design method using dynamic modeling.
제1항에 있어서,
상기 정상 상태 모델링은 초기 원료 주입 조건, 분리기의 크기, 배출구의 크기, 강제 차단 밸브의 크기, 강제 차단 밸브가 닫히는 속도 및 압력 안전 밸브의 설정 압력을 포함하는 인자를 설정하는 것을 특징으로 하는 동적 모델링을 이용한 플레어 시스템 설계 방법.
According to claim 1,
The steady state modeling is a dynamic modeling characterized by setting factors including initial raw material injection conditions, separator size, outlet size, forced shutoff valve size, forced shutoff valve closing speed, and pressure relief valve set pressure. Flare system design method using.
제1항에 있어서,
상기 동적 모델링에 설정되는 시간 의존 변수는,
초기 분리기의 정상 운전 시간 및 고압 평형 분리기의 배출구가 닫히고, PAHH의 압력 경보에 도달한 이후 강제 차단 밸브가 닫히는 시간인 것을 특징으로 하는 동적 모델링을 이용한 플레어 시스템 설계 방법.
According to claim 1,
The time-dependent variable set in the dynamic modeling,
A method of designing a flare system using dynamic modeling, characterized in that the normal operating time of the initial separator and the outlet of the high pressure equilibrium separator are closed, and the forced shutoff valve is closed after reaching the pressure warning of PAHH.
제1항에 있어서,
상기 변수 값 및 설계 기준이 되는 마하수를 이용하여 파이프의 크기를 설정하는 단계는 하기 식 1을 통해 계산되는 동적 모델링을 이용한 플레어 시스템 설계 방법:
<식 1>
Figure 112018093026856-pat00003

(상기 식 1에서,
Ma는 마하수(Mach number)이고; qm은 기체 질량 유량 속도(Mass flowrate, kg/h) 이고; p는 파이프 배출 압력(Outlet pressure, kPa)이고; d는 파이프 내부 직경(Inner diameter, m)이고; Z는 압축계수(Compressibility)이고; T는 절대온도(Absolute temperature, K)이고; Mw는 기체 중량평균분자량(average molecular weight, g/mol)이다).
According to claim 1,
The step of setting the size of the pipe using the variable value and the Mach number as a design criterion is a flare system design method using dynamic modeling calculated through Equation 1 below:
<Equation 1>
Figure 112018093026856-pat00003

(In the above formula 1,
Ma is the Mach number; q m is the gas mass flow rate (kg / h); p is the pipe outlet pressure (kPa); d is the pipe inner diameter (m); Z is the compressibility; T is the absolute temperature (K); Mw is gas average molecular weight (g / mol).
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