劉興冰 中石化上海工程有限公司 上海 200120

聚烯烴工藝中的乙烯或丙烯聚合反應(yīng)是放熱反應(yīng)，若反應(yīng)熱不能及時地被移除，反應(yīng)系統(tǒng)很容易導(dǎo)致產(chǎn)品不合格及發(fā)生爆聚事故[1,2]，甚至發(fā)生火災(zāi)爆炸危險。調(diào)溫水系統(tǒng)作為聚烯烴裝置的核心設(shè)施之一，其主要作用就是移除單體聚合反應(yīng)時產(chǎn)生的反應(yīng)熱[3]。調(diào)溫水系統(tǒng)通常由閉路調(diào)溫水通過換熱器直接移除反應(yīng)熱，再利用開路循環(huán)冷卻水對閉路調(diào)溫水進(jìn)行冷卻。由于整個聚合反應(yīng)系統(tǒng)體積龐大、控制邏輯復(fù)雜，所以，穩(wěn)定調(diào)溫水的各項參數(shù)指標(biāo)才能保證裝置操作的安全性、穩(wěn)定性。然而，設(shè)計時通?？紤]了裝置長期運行后設(shè)備、管道因結(jié)垢而阻力增大的工況，這些參數(shù)在裝置剛投入運行時往往會與設(shè)計值有偏差，特別是在開車過程中，裝置各參數(shù)處于調(diào)試中還未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，調(diào)溫水系統(tǒng)中的各個操作控制參數(shù)包括調(diào)溫水量、調(diào)溫水溫度、調(diào)溫水泵出口壓力等，均需根據(jù)每個裝置特性逐一進(jìn)行調(diào)整。而利用實際裝置進(jìn)行測試確定調(diào)整方案難度較大、成本較高，因此，化工流程模擬成為了確定消除該偏差方案的經(jīng)濟有效方法。

本文針對國內(nèi)某聚乙烯裝置調(diào)溫水系統(tǒng)在開車過程中出現(xiàn)的參數(shù)偏差問題，采用Aspen HYSYS軟件對調(diào)溫水系統(tǒng)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)和動態(tài)流程模擬，并結(jié)合分析現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，確定了該系統(tǒng)偏差修正的最優(yōu)方案。

1 聚烯烴調(diào)溫水系統(tǒng)

1.1 流程簡述

目前，國內(nèi)各聚烯烴工藝技術(shù)中調(diào)溫水系統(tǒng)的設(shè)備配置、系統(tǒng)控制方案均大同小異，典型的聚烯烴反應(yīng)調(diào)溫水系統(tǒng)流程圖見圖1。

圖1 典型的聚烯烴反應(yīng)調(diào)溫水系統(tǒng)流程圖

本文研究的聚烯烴裝置采用氣相法聚乙烯技術(shù)。氣相反應(yīng)物自反應(yīng)器頂部連續(xù)排出，經(jīng)循環(huán)氣壓縮機(K001)、循環(huán)氣冷卻器(E002)，再循環(huán)返回反應(yīng)器床層。循環(huán)氣在循環(huán)氣冷卻器的管程，調(diào)溫水在殼程。調(diào)溫水通過離心式循環(huán)水泵(P001)在整個冷卻系統(tǒng)循環(huán)。調(diào)溫水在調(diào)溫水冷卻器(E001)內(nèi)用開式循環(huán)冷卻水冷卻。在反應(yīng)系統(tǒng)開車時，用蒸汽通過加熱器(E003)加熱調(diào)溫水，待反應(yīng)建立后關(guān)閉蒸汽加熱，調(diào)溫水僅通過加熱器。該系統(tǒng)還設(shè)有一個膨脹罐(D001)。

反應(yīng)器及調(diào)溫水的溫度通過冷水閥(TV001BA/BB)和熱水閥(TV001AA/AB)分別控制冷水、熱水流量，TV001BB、TV001AB分別為TV001BA、TV001AA的在線備用閥。通常，冷、熱水閥開度加和為100%，冷熱水進(jìn)行混合調(diào)溫，以控制反應(yīng)器溫度穩(wěn)定[4-6]。但該裝置在調(diào)試試車過程中出現(xiàn)了與設(shè)計參數(shù)不匹配,并導(dǎo)致反應(yīng)溫度不能穩(wěn)定運行的情況。

1.2 現(xiàn)場問題

在運行調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，調(diào)溫水系統(tǒng)中調(diào)溫水流量遠(yuǎn)超設(shè)計值，調(diào)溫水泵電機運行功率逼近電機設(shè)計功率。若長期運行，不僅能耗高，還可能造成調(diào)溫水系統(tǒng)突然失控，影響反應(yīng)系統(tǒng)撤熱，存在發(fā)生財產(chǎn)損失或安全事故的風(fēng)險。為此，對現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)與設(shè)計值進(jìn)行對比，對比情況見表1。

表1 現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)與設(shè)計值對比表

從表1可以明顯看出，現(xiàn)場實際運行的調(diào)溫水流量比設(shè)計值偏大約1500t/h、出口壓力偏低，調(diào)溫水泵電機功率接近額定功率。根據(jù)泵的特性方程與管路特性方程分析可知：泵運行點已遠(yuǎn)離設(shè)計時的額定值。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因可能有以下幾種：①調(diào)溫水泵現(xiàn)場實際性能比設(shè)計值大；②現(xiàn)場實際管路的阻力降比設(shè)計值??；③前面兩種情況同時出現(xiàn)。

為排查原因，現(xiàn)場進(jìn)行了調(diào)溫水泵在線性能測試。通過強制調(diào)整調(diào)溫水系統(tǒng)管路中調(diào)節(jié)閥的開度來改變調(diào)節(jié)調(diào)溫水泵流量，并記錄泵出口壓力，得出表2數(shù)據(jù)。

表2 泵在線性能測試數(shù)據(jù)

從表2可以看出，泵入口壓力相對穩(wěn)定，與實際情況相符(泵入口設(shè)有固定高度的膨脹罐)。調(diào)溫水泵現(xiàn)場測試計算壓差值與其出廠性能曲線計算壓差值相比有一定偏差，最大偏差值為6.6kPa，偏差1.9%。出現(xiàn)這種偏差的主要原因是:現(xiàn)場泵進(jìn)出口管件數(shù)量、大小與出廠測試時有區(qū)別，加之泵進(jìn)出口壓力表安裝位置與出廠測試不一致。但偏差較小，在工程上是可以接受的。因此，可以得出，調(diào)溫水泵性能滿足設(shè)計要求。那么，出現(xiàn)上述調(diào)溫水流量偏差的主要原因可能是：現(xiàn)場實際管路的阻力降比設(shè)計值小，從而導(dǎo)致調(diào)溫水泵運行點遠(yuǎn)離設(shè)計額定值。

由于整個調(diào)溫水系統(tǒng)阻力降分布在循環(huán)氣冷卻器、調(diào)溫水冷卻器、調(diào)節(jié)閥、管路以及其它管件等多個部分，系統(tǒng)比較復(fù)雜；若停車進(jìn)行測試，經(jīng)濟損失較大。因此，利用實際反應(yīng)裝置的調(diào)溫水系統(tǒng)做相應(yīng)的測試是不實際的，同時現(xiàn)場也不具備管路系統(tǒng)阻力降測試條件。為此，化工流程模擬技術(shù)成為解決該偏差問題的首選方法。

隨著計算機軟件在化工過程模擬系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，越來越多的工程設(shè)計、運營用戶采用流程模擬軟件進(jìn)行化工工藝設(shè)計計算、操作條件的分析及確定[7-10]。而眾多流程模擬軟件中[11]，Aspen HYSYS具有與序貫求解不一樣的信息數(shù)據(jù)雙向傳遞特點，適合本系統(tǒng)使用。

2 穩(wěn)態(tài)模擬

2.1 穩(wěn)態(tài)流程模擬

按照實際調(diào)溫水系統(tǒng)工藝流程圖，結(jié)合圖2所示調(diào)溫水三維模型中的管道數(shù)據(jù)，搭建了調(diào)溫水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬流程，見圖3。

圖2 調(diào)溫水系統(tǒng)三維模型截圖

圖3 調(diào)溫水系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)模擬流程

將各主要設(shè)備在設(shè)計時正常操作參數(shù)輸入穩(wěn)態(tài)模型，匯總見表3。

表3 穩(wěn)態(tài)模擬輸入?yún)?shù)及運行結(jié)果

穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果顯示，需要調(diào)溫水泵提供壓差為313.2kPa，而實際調(diào)溫水泵能提供壓差為463kPa，即，模擬計算系統(tǒng)阻力降比原設(shè)計阻力降值少149.8kPa。

從穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果可以看出，整個調(diào)溫水系統(tǒng)阻力降比設(shè)計時偏小，進(jìn)而造成泵出口流量偏高，電機功率超出正常值。造成這個偏差的主要原因是:設(shè)計時考慮了裝置長期運行后設(shè)備、管道因結(jié)垢而阻力降增大的工況，而現(xiàn)有調(diào)溫水管路系統(tǒng)是新系統(tǒng)，初期運行階段裕量相對較大、系統(tǒng)阻力降相對較小。根據(jù)穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果，建議解決方案：適當(dāng)調(diào)小調(diào)溫水泵出口手動蝶閥的開度(正常情況下蝶閥全開)以增加調(diào)溫水管路系統(tǒng)阻力降，減少泵流量，降低電機運行功率及能耗。

2.2 現(xiàn)場測試與分析

隨后，對上述建議方案進(jìn)行了現(xiàn)場測試。詳細(xì)測試數(shù)據(jù)見表4。

表4 調(diào)溫水泵出口手動蝶閥開度調(diào)節(jié)現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)

通過以上調(diào)溫水泵出口手動蝶閥開度調(diào)節(jié)的現(xiàn)場試驗結(jié)果可以看出，當(dāng)調(diào)溫水泵出口手動蝶閥開度在30%時，能夠有效地將調(diào)溫水量控制在設(shè)計值5000t/h左右，驗證了方案的可行性。

但用戶綜合考慮，認(rèn)為若采用該方案長期運行，由于沖擊厲害，容易造成蝶閥機械損壞，希望提供更“經(jīng)濟、有效、穩(wěn)定”的方案。

通過穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果分析知道，增加調(diào)溫水管路系統(tǒng)阻力即可。因此。在調(diào)溫水泵出口手動蝶閥全開情況下，建議對TIC控制器的最大輸出作調(diào)整，例如將冷熱水閥開度加和從100%下調(diào)至其它某一值，限制冷、熱水調(diào)節(jié)閥的最大開度以滿足裝置正常生產(chǎn)需要5000t/h調(diào)溫水的要求。此方案既不涉及現(xiàn)場硬件設(shè)備的調(diào)整或更換，又能保證手動蝶閥全開。

3 動態(tài)模擬

3.1 參數(shù)輸入

由于穩(wěn)態(tài)模擬中僅考慮了一個正常操作工況，沒有考慮調(diào)節(jié)閥開度、泵性能變化、換熱器阻力降隨流量變化等情況，所以，穩(wěn)態(tài)模擬無法對控制方案調(diào)整后的效果進(jìn)行評估。需進(jìn)行動態(tài)模擬來確定調(diào)溫水系統(tǒng)冷、熱水閥開度加和最優(yōu)值，得到最優(yōu)的操作變量，指導(dǎo)現(xiàn)場調(diào)試，確定最終方案。

(1)換熱器阻力降

HYSYS中換熱器阻力降與流量的關(guān)系可以簡化為如下式(1)：

(1)

式中，flow為流量，kg/h；density為密度，kg/m3；k為換熱器壓力降-流量系數(shù)，kg/hr/sqrt(kPa-kg/m3)；P1-P2為換熱器阻力降ΔP，kPa。

通過HTRI換熱器計算軟件，分別對循環(huán)氣換熱器E002、開車加熱器E003在不同流量下的阻力降進(jìn)行核算，并回歸擬合得出系數(shù)k分別為17898.8和27384.1kg/h/(kPa-kg/m3)1/2。圖4和圖5分別表示循環(huán)氣冷卻器和調(diào)溫水加熱器的阻力降(P1-P2)1/2與流量(flow)的關(guān)系。

圖4 循環(huán)氣換熱器E002阻力降與流量關(guān)系

圖5 調(diào)溫水加熱器E003阻力降與流量關(guān)系

同理，對E001進(jìn)行計算，得出k為20580.6kg/h/(kPa-kg/m3)1/2。

(2)泵性能曲線

調(diào)溫水泵性能曲線由泵廠家提供，揚程H、效率n、軸功率P與流量Q的關(guān)系見圖6。

(3)閥門參數(shù)

圖6 泵揚程H、效率n、功率P與流量Q的關(guān)系

調(diào)溫水系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)閥主要是冷、熱水調(diào)節(jié)閥，流量系數(shù)Cv值根據(jù)最終選型閥門廠家提供，詳見表5。

表5 主要閥門CV值列表

調(diào)溫水泵出口手動蝶閥開度與流量系數(shù)曲線根據(jù)蝶閥廠家提供，見圖7。

圖7 泵出口手動蝶閥開度與流量系數(shù)曲線

(4)其他參數(shù)

其他管道及管件參數(shù)與穩(wěn)態(tài)模擬一致，根據(jù)三維模型輸入?？刂崎yP、I、D參數(shù)根據(jù)現(xiàn)場實際組態(tài)參數(shù)輸入。

3.2 動態(tài)流程模擬

(1)動態(tài)模型驗證

首先，以穩(wěn)態(tài)模擬計算結(jié)果為初始值，在正常操作工況下，對上述“調(diào)小出口蝶閥開度”方案進(jìn)行復(fù)合驗證。即在正常操作工況穩(wěn)定運行一段時間后，將蝶閥開度逐步從100%調(diào)整為35%，步長為10%，得到圖8所示曲線結(jié)果。

圖8 泵出口手動蝶閥開度對流量的影響

從圖8可以看出，開度為50%時，泵流量為6000t/h；開度為40%時，泵流量為5300t/h；開度為35%時，泵流量為4610t/h。模擬結(jié)果與表4中現(xiàn)場測試結(jié)果接近，但在相同流量下，蝶閥開度與測試值有約5%的偏差，出現(xiàn)這個偏差的主要原因是手動蝶閥的流量系數(shù)為估算值，與真實值有偏差。

隨后，修正手動蝶閥Cv估算值，將其調(diào)大7%后再次計算，模擬結(jié)果與測試值偏差縮小至1%以內(nèi)。

(2)冷、熱水閥開度加和計算

將泵出口手動蝶閥全開，冷、熱水調(diào)節(jié)閥開度之和置于100%，調(diào)節(jié)TIC101自動控制冷水調(diào)節(jié)閥使調(diào)溫水溫度穩(wěn)定在40℃，熱水調(diào)節(jié)閥開度等于100%減去冷水調(diào)節(jié)閥開度。反應(yīng)熱負(fù)荷為定值，開路循環(huán)水量由TIC100自動控制。當(dāng)穩(wěn)定運行一段時間后，強制調(diào)整冷、熱水調(diào)節(jié)閥開度之和，使其按每小時5%梯度逐漸調(diào)小。運行結(jié)果見圖9。

圖9 冷、熱水調(diào)節(jié)閥開度和減小對流量的影響

從圖9可以看出，隨著冷、熱水調(diào)節(jié)閥開度加和的減小，泵出口流量也隨之減少；當(dāng)加和從100%減少到85%時，調(diào)溫水量從5740t/h減少到5500t/h；繼續(xù)減少到65%時，調(diào)溫水量達(dá)到5000t/h；當(dāng)冷、熱水調(diào)節(jié)閥開度之和突然下調(diào)時，調(diào)溫水溫度會波動下降，最大波動為偏離設(shè)定值-1.3℃；當(dāng)調(diào)整結(jié)束,泵流量穩(wěn)定后，溫度會逐漸穩(wěn)定在設(shè)定值附近。

為了驗證改變冷熱水調(diào)節(jié)閥開度加和后，調(diào)溫水系統(tǒng)對反應(yīng)熱負(fù)荷變化的靈敏度，進(jìn)行如下模擬：當(dāng)冷、熱水調(diào)節(jié)閥開度加和為85%時，對反應(yīng)器熱負(fù)荷加以擾動，見圖10。

圖10 反應(yīng)熱負(fù)荷擾動對冷、熱水調(diào)節(jié)閥開度的影響

可以看出，當(dāng)反應(yīng)器負(fù)荷變化后，調(diào)溫水泵流量始終維持穩(wěn)定，冷熱調(diào)溫水閥能夠快速響應(yīng)，調(diào)溫水水溫波動后快速趨于設(shè)定值；當(dāng)反應(yīng)器負(fù)荷變化5%時，調(diào)溫水溫度最大波動為0.7℃，約1小時后逐漸趨于穩(wěn)定。恢復(fù)穩(wěn)定之后，將控制方案調(diào)整為:由反應(yīng)器進(jìn)口溫度串級調(diào)溫水溫度來控制冷水閥，并對反應(yīng)器產(chǎn)量變化率波動加以噪音(noise)干擾以觀察反應(yīng)器進(jìn)出口溫度及冷水閥開度變化，見圖11。

圖11 產(chǎn)率波動對反應(yīng)器溫度、熱負(fù)荷及冷水閥開度的影響

從圖11可以看出，隨著產(chǎn)率的波動，熱負(fù)荷及反應(yīng)器出口溫度隨之波動；而調(diào)溫水溫度、反應(yīng)器進(jìn)口溫度則相對比較穩(wěn)定；冷水閥開度較為穩(wěn)定。

綜上，強制冷、熱水調(diào)節(jié)閥開度加和調(diào)整至65%-85%時，調(diào)溫水量能夠平穩(wěn)地將流量控制在5000-5500t/h附近；系統(tǒng)對反應(yīng)器熱負(fù)荷擾動變化響應(yīng)迅速，調(diào)溫水溫度及反應(yīng)器進(jìn)口溫度能很好地維持。從動態(tài)模擬結(jié)果看，調(diào)小冷、熱水調(diào)節(jié)閥開度加和的方案在理論上可行。

3.3 現(xiàn)場測試與分析

根據(jù)上述動態(tài)模擬結(jié)果及分析得出：當(dāng)冷、熱調(diào)節(jié)閥開度加和調(diào)整到65%-85%時，能夠解決調(diào)溫水量出現(xiàn)的偏差、調(diào)溫水溫度波動較大問題。為了進(jìn)一步驗證方案的可靠性，進(jìn)行了該方案的驗證性測試。為了保證調(diào)溫水系統(tǒng)有10%余量以應(yīng)對110%生產(chǎn)負(fù)荷，確定測試方案中冷、熱調(diào)節(jié)閥開度加和為85%。

測試工況一：IC001BA+TIC001AA=100%；通過強制調(diào)整TV001BA開度，觀察調(diào)溫水流量。

測試工況二：TIC001BA+TIC001AA=85%；通過強制調(diào)整TV001BA開度，觀察調(diào)溫水流量。

測試結(jié)果見圖12。

圖12 工況一、二測試記錄數(shù)據(jù)(開度加和100%、85%)

工況一時，泵出口總流量在5600t/h左右；TV001BA在80～100%開度時，流量在5600～5300t/h之間變化。工況二時，泵出口總流量在5300t/h左右；TV001BA在80～100%開度時，流量在5300～4900t/h之間變化。二個測試工況，泵出口壓力均在0.51～0.56MPa(G)之間變化。

從以上測試數(shù)據(jù)可以看出，測試結(jié)果與動態(tài)模擬計算結(jié)果趨勢一致；在開度加和100%下，動態(tài)模擬值比測試流量值偏大140t/h左右，偏差約2.5%；在開度加和85%下，動態(tài)模擬值比測試流量值偏大200t/h左右，偏差約4%。測試結(jié)果與動態(tài)模擬結(jié)果出現(xiàn)的偏差原因應(yīng)該在于：動態(tài)模擬中流量計、壓力表等少數(shù)管件未計算阻力降，此偏差在工程設(shè)計可接受范圍內(nèi)。根據(jù)現(xiàn)場反饋，自調(diào)溫水系統(tǒng)優(yōu)化后運行一年多以來，調(diào)溫水系統(tǒng)控制穩(wěn)定，反應(yīng)器溫度控制良好，表明本動態(tài)模擬模型適用于該調(diào)溫水系統(tǒng)。

4 結(jié)語

(1)通過穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果分析，確定了調(diào)溫水系統(tǒng)流量偏高主要原因是:調(diào)溫水管路系統(tǒng)設(shè)計裕量偏大，導(dǎo)致裝置現(xiàn)場實際阻力降較設(shè)計值偏小，同時排除調(diào)溫水泵性能原因，并通過現(xiàn)場測試驗證了穩(wěn)態(tài)模擬的結(jié)果。

(2)通過動態(tài)模擬，確定了更優(yōu)的調(diào)整方案，即當(dāng)冷熱水調(diào)節(jié)閥開度加和在65%-85%時，能夠?qū)⒄{(diào)溫水量穩(wěn)定控制在5000-5500t/h左右，系統(tǒng)對反應(yīng)器熱負(fù)荷變化擾動反應(yīng)較快，能夠穩(wěn)定控制調(diào)溫水溫度和反應(yīng)器進(jìn)口溫度。

(3)現(xiàn)場測試結(jié)果與動態(tài)模擬結(jié)果接近，與實際運行數(shù)據(jù)相當(dāng)，模型適用于該調(diào)溫水系統(tǒng)。修改方案在裝置運行中得到驗證，解決了調(diào)溫水系統(tǒng)流量偏差問題，穩(wěn)定了反應(yīng)器進(jìn)口溫度。