李飛飛(中海油石化工程有限公司，山東 青島 266000)

1 塔泄放工況描述

為防止超壓，塔頂配有泄壓閥或其他泄壓裝置，當(dāng)塔壓超過(guò)設(shè)計(jì)壓力時(shí)，這些泄放裝置就會(huì)開(kāi)啟并泄壓。來(lái)自塔和其他設(shè)備的泄放氣收集在一個(gè)集合管中，并輸送至火炬進(jìn)行燃燒。

通常分餾塔泄壓閥和火炬系統(tǒng)的尺寸應(yīng)適用于調(diào)節(jié)異常工況，例如電力故障、冷卻水中斷或其他事故。這些事故導(dǎo)致在再沸器或其他熱源連續(xù)運(yùn)行時(shí)，塔的冷卻中斷。電力故障導(dǎo)致回流冷卻和側(cè)線(xiàn)冷卻的泵及空冷器的風(fēng)扇停止運(yùn)行。由于冷卻器停止運(yùn)行，導(dǎo)致冷卻水無(wú)法帶走熱量，而再沸器持續(xù)運(yùn)行，冷卻水故障可能造成泄放。

通常，部分電力故障是單個(gè)塔和單元泄放系統(tǒng)管道的控制工況。然而，全廠(chǎng)性電力故障可能是普通火炬集管和煙囪的控制工況。全廠(chǎng)性電力故障通常是通過(guò)將每個(gè)單塔電力故障的泄放量相加來(lái)確定火炬總量。

2 動(dòng)態(tài)模擬與傳統(tǒng)方法的對(duì)比

傳統(tǒng)方法是用靜態(tài)方法來(lái)解決暫態(tài)問(wèn)題，因此其塔泄放量計(jì)算結(jié)果是保守的。通過(guò)結(jié)合以下關(guān)鍵部分，動(dòng)態(tài)模擬可以進(jìn)行傳統(tǒng)方法無(wú)法分析的塔動(dòng)作的模擬。

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)改進(jìn)

傳統(tǒng)計(jì)算不包括塔板、再沸器、塔底槽或塔頂系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)。動(dòng)態(tài)模擬通過(guò)包括影響質(zhì)量和能量積累和傳遞的機(jī)械設(shè)計(jì)特征來(lái)確定塔的泄放量。

2.2 流體組成優(yōu)化

傳統(tǒng)的泄放量計(jì)算通常基于簡(jiǎn)化的質(zhì)量和能量平衡。動(dòng)態(tài)模擬與靜態(tài)模擬器使用的嚴(yán)格熱力學(xué)方法相結(jié)合。這些嚴(yán)格的熱力學(xué)方法與塔模擬相結(jié)合，用于確定塔內(nèi)隨時(shí)間變化的質(zhì)量和能量存量。傳統(tǒng)計(jì)算方法往往過(guò)高預(yù)測(cè)寬餾程進(jìn)料的塔泄放量。動(dòng)態(tài)模擬降低了塔的計(jì)算泄放量，因?yàn)樗紤]了有限的輕組分存量和剩余液體的熱容量，這些液體必須加熱以蒸發(fā)較重的組分。

2.3 外圍工藝設(shè)備的影響

傳統(tǒng)計(jì)算不包括外圍設(shè)備對(duì)分餾塔泄放量的影響。動(dòng)態(tài)模擬可以將上游設(shè)備的狀況考慮在內(nèi)，如反應(yīng)器或進(jìn)料/塔底換熱器，以確定隨時(shí)間變化的進(jìn)料速率和進(jìn)料溫度。動(dòng)態(tài)模擬還可以對(duì)與所分析的塔熱集成在一起的其他塔和設(shè)備進(jìn)行建模。

通過(guò)結(jié)合這三個(gè)部分，動(dòng)態(tài)模擬為傳統(tǒng)計(jì)算方法提供了一種嚴(yán)格的替代方法。即使在保守應(yīng)用時(shí)，動(dòng)態(tài)模擬也通常比傳統(tǒng)方法計(jì)算的泄放量低得多。動(dòng)態(tài)模擬分析依照API-521，第3.3節(jié)“泄壓期間，應(yīng)研究不同時(shí)間間隔內(nèi)蒸汽速率和分子量的變化，以確定泄放量峰值和蒸汽的組成”，動(dòng)態(tài)模擬用于火炬和泄放系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)謹(jǐn)慎應(yīng)用[1-3]。

3 塔泄放過(guò)程的動(dòng)態(tài)模擬

3.1 減少進(jìn)料和回流量

由于塔板上輕組分的存量有限，進(jìn)料和回流均停

止的塔計(jì)算泄放量可能會(huì)大幅降低。一旦輕質(zhì)組分通過(guò)泄壓閥離開(kāi)塔，再沸器的熱量一定會(huì)提高剩余組分的蒸發(fā)溫度。傳統(tǒng)的計(jì)算沒(méi)有考慮到影響泄放時(shí)間和大小的輕組分的有限存量。

3.2 再沸器夾點(diǎn)

由于較高的沸點(diǎn)和較低的溫度(LMTD)驅(qū)動(dòng)力，在塔壓升高時(shí)，再沸器傳熱負(fù)荷可能會(huì)降低。這種再沸器夾點(diǎn)減低了再沸器的換熱和泄放量。動(dòng)態(tài)模擬通過(guò)模擬塔存量、塔板排液和塔底槽設(shè)計(jì)，提供了隨時(shí)間變化的再沸器組成。

3.3 塔板排液

存在再沸器夾點(diǎn)的塔泄放量取決于塔板排液至再沸器的速率。帶閥塔板的塔排液速度可能比篩板塔慢，泄放量可能會(huì)更低。使用保守的假設(shè)來(lái)模擬塔板排液可以實(shí)現(xiàn)泄放量的顯著降低。

3.4 塔底集液槽的設(shè)計(jì)

塔底集液槽的設(shè)計(jì)會(huì)影響再沸器的夾點(diǎn)，因?yàn)閺乃迮懦龅妮p質(zhì)物料會(huì)被現(xiàn)有的塔底集液槽的存液稀釋。帶有一次通過(guò)式再沸器的塔只有很少的初始存液和相對(duì)較高的泄放量。初始存液量大的塔會(huì)稀釋從塔板排出的物料，并具有更大的再沸器夾點(diǎn)和更低的泄放量。

3.5 安全閥定壓

通常安全閥定壓越高，則再沸器壓力和溫度越高，從而增加再沸器夾點(diǎn)并降低泄放量。然而，對(duì)于塔板排液量大的塔，具有較低設(shè)定壓力的泄壓閥可能會(huì)提前打開(kāi)，以增加塔板蒸汽流量，減少塔板排液，增加再沸器夾點(diǎn)，并降低泄放量。

3.6 氣化進(jìn)料

對(duì)于無(wú)再沸器的塔，當(dāng)傳統(tǒng)計(jì)算的負(fù)荷高于氣化進(jìn)料速率時(shí)，動(dòng)態(tài)模擬就可以降低泄放量。如果傳統(tǒng)方法表明泄放量低于氣化進(jìn)料速率，動(dòng)態(tài)模擬可以提供一個(gè)更現(xiàn)實(shí)的解決方案，證明干燥塔需要多長(zhǎng)的時(shí)間。最終，泄放量將升至氣化進(jìn)料速率。

3.7 進(jìn)料速度或進(jìn)料溫度隨時(shí)間衰減

有汽化進(jìn)料的分餾塔，如粗餾塔或延遲焦化分餾塔，如果進(jìn)料速率或溫度的衰減可以被模擬，則計(jì)算出的泄放量可以大大減少。對(duì)于粗餾裝置，在停止對(duì)進(jìn)料加熱器的加熱過(guò)程中，通過(guò)建立動(dòng)態(tài)傳熱模型，可以確定進(jìn)料溫度的衰減情況。對(duì)于延遲式焦炭分餾塔，建立了焦炭塔裂化過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型，可以確定焦炭塔蒸汽流的衰減情況。

3.8 安全閥位置

安全閥位于塔頂餾出物回收罐上方可能比放置于塔上方更好，前提是塔頂接收罐有足夠的緩沖容量來(lái)防止冷凝器溢流。位于塔頂餾出物回收罐上的安全閥利用冷凝器的持續(xù)冷卻，例如空冷器的自然對(duì)流，來(lái)避免被蒸汽覆蓋。

3.9 操作員介入

動(dòng)態(tài)模擬可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)安全閥起升前塔壓提升所需的時(shí)間，或充分泄放到最大流量所需的時(shí)間，以評(píng)估操作員干預(yù)的可能性。

4 其他影響因素

4.1 控制系統(tǒng)的響應(yīng)

有時(shí)，自動(dòng)控制器可能采取動(dòng)作，以減少泄放量。但是，API-521不允許對(duì)可能減少泄放量的自動(dòng)控制動(dòng)作進(jìn)行評(píng)分?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)行可能會(huì)因斷電而中斷，控制器的調(diào)整可能與動(dòng)態(tài)模擬中假設(shè)的不同，或者在泄放事件發(fā)生時(shí)，操作員可能有一個(gè)手動(dòng)控制器。應(yīng)該假定控制閥鎖定在最后的位置。然而，當(dāng)自動(dòng)控制動(dòng)作用于增加泄放量時(shí)，它們必須包含在動(dòng)態(tài)模擬中。

4.2 復(fù)雜的熱集成

塔和其他設(shè)備之間復(fù)雜的換熱可以在泄放工況下持續(xù)散熱。然而，塔和其他設(shè)備通常都必須建模。這增加了模型的復(fù)雜性，通常需要對(duì)自動(dòng)控制進(jìn)行模擬。此外，未來(lái)在控制、設(shè)計(jì)或操作上的改變可能需要在新工況下重新進(jìn)行塔的模擬。由于沒(méi)有原始模擬數(shù)據(jù)，重新對(duì)塔進(jìn)行模擬可能很困難或成本很高。更好的方法是假設(shè)出口溫度、逆向流體溫度和流量或熱負(fù)荷在泄壓期間是恒定的，如果這些假設(shè)之一可以被證明是保守的。

4.3 多塔泄放

添加由動(dòng)態(tài)模擬確定的隨時(shí)間變化的塔泄放曲線(xiàn)可以得出更真實(shí)的泄放量峰值，這比每個(gè)塔的泄放量峰值相加所得的值要低得多。然而，用于確定單塔的泄放量峰值的動(dòng)態(tài)模擬可能不適用于總火炬系統(tǒng)分析。對(duì)于泄放量的假設(shè)是保守的，則對(duì)于泄放時(shí)間的假設(shè)可能就不是保守的。例如，壓力控制器可以在泄壓閥升起之前將塔內(nèi)物料排放至火炬系統(tǒng)。這可能會(huì)影響火炬系統(tǒng)的尺寸，但在確定泄壓閥尺寸時(shí)不會(huì)考慮。

5 動(dòng)態(tài)模擬模型的保守假設(shè)

采用動(dòng)態(tài)模擬對(duì)塔泄壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證模型與設(shè)計(jì)目標(biāo)相適應(yīng)。在穩(wěn)態(tài)條件下，動(dòng)態(tài)模型必須與穩(wěn)態(tài)模型嚴(yán)格匹配。在瞬態(tài)條件下，塔動(dòng)態(tài)模型應(yīng)與實(shí)際工廠(chǎng)瞬態(tài)數(shù)據(jù)(如果有)進(jìn)行比較。當(dāng)物理現(xiàn)象不能很好地理解時(shí)，動(dòng)態(tài)模擬模型必須包括保守假設(shè)。這些假設(shè)必須通過(guò)敏感性分析來(lái)檢查，以評(píng)估對(duì)塔泄放量的影響。例如，可能需要多次模擬運(yùn)行來(lái)確定不同泡沫相關(guān)性對(duì)塔板持液率和產(chǎn)生的泄放量的影響。此外，建議讓操作人員檢查模型的適當(dāng)方面。使用自定義模型庫(kù)，仿真模型可以包括以下特征和假設(shè)[4-5]：

(1)該模型具有與穩(wěn)態(tài)(靜態(tài))仿真模型相同數(shù)量的理論板數(shù)和組件。動(dòng)態(tài)模型與穩(wěn)態(tài)模型采用的相關(guān)物性數(shù)據(jù)相同。

(2)模型中的每個(gè)塔板都有根據(jù)實(shí)際塔板與理論塔板的比率校正的實(shí)際質(zhì)量和能量存量。泡沫相關(guān)性和降液管液柱高度可計(jì)算出塔板液體存量。此外，可能需要在蒸氣速率降低時(shí)的漏液和液泛的詳細(xì)方程。閥板漏液和液泛的模型必須保守，因?yàn)槟承╅y門(mén)會(huì)損壞或腐蝕，并且可能無(wú)法正確復(fù)位。一個(gè)保守的閥板排液模型的例子是，假設(shè)50%的塔板浮閥不能復(fù)位，該模型的泄放量可能比傳統(tǒng)方法低得多。

(3)安全閥可以模擬為調(diào)節(jié)式或突開(kāi)式安全閥。調(diào)節(jié)式安全閥模型用于在保持塔壓幾乎恒定的情況下，得出新建塔的最大可持續(xù)泄放量。這種可持續(xù)的泄放量是評(píng)估火炬系統(tǒng)的重要參數(shù)。突開(kāi)式安全閥模型用于模擬現(xiàn)有的塔和安全閥，以確定系統(tǒng)在泄放工況下是否會(huì)超過(guò)最大允許的累積量。

(4)空冷器可以使用傳熱面積來(lái)建模，也可以使用經(jīng)驗(yàn)法則，例如根據(jù)公司的設(shè)計(jì)實(shí)踐，將自然對(duì)流的負(fù)荷設(shè)置為正常負(fù)荷的固定百分比。為了進(jìn)行更詳細(xì)的分析，自然對(duì)流傳熱系數(shù)可以通過(guò)換熱器核算程序來(lái)確定。這些傳熱系數(shù)可以與動(dòng)態(tài)過(guò)程變量相關(guān)聯(lián)，以開(kāi)發(fā)更嚴(yán)格的模型。

(5)塔頂餾出物回收罐模型不應(yīng)假定汽液始終處于汽液平衡狀態(tài)。動(dòng)態(tài)模型應(yīng)具有非平衡界面混合，以模擬熱蒸汽旁路，以便回收罐液體凝結(jié)蒸汽的能力不被高估。

(6)再沸爐建模時(shí)可以取正常操作值，保持負(fù)荷恒定。蒸汽再沸器的負(fù)荷可根據(jù)熱驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行建模。熱驅(qū)動(dòng)力將隨著塔壓的增加和再沸器成分的變化而變化。

(7)塔底集液槽應(yīng)該仔細(xì)地建模，以包括熱虹吸隔板、帶抽板的一次通過(guò)式再沸器或其他集液槽配置的正確存液量?？紤]模擬是在集液槽的低液位、正常 液位還是高液位開(kāi)始。

(8)當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)泵由于停電而跳閘時(shí)，進(jìn)出塔的流量通常保持恒定或設(shè)為零。因此，通常無(wú)需對(duì)泵進(jìn)行詳細(xì)的建模。此外，可能沒(méi)有必要對(duì)塔控制系統(tǒng)進(jìn)行建模，因?yàn)榧僭O(shè)控制閥一直在原位。但是，如果控制措施起到了增大泄放量的作用，則必須對(duì)其進(jìn)行建模。

6 火炬系統(tǒng)分析方法

動(dòng)態(tài)模擬可以確定單塔以及涉及多塔的整個(gè)火炬系統(tǒng)的泄放量。采用動(dòng)態(tài)模擬進(jìn)行的塔泄放量的計(jì)算必須遵循API RP 521和運(yùn)營(yíng)公司設(shè)計(jì)規(guī)范制定的相同規(guī)則，以便使用傳統(tǒng)計(jì)算方法進(jìn)行泄放量計(jì)算。以下介紹了將動(dòng)態(tài)模擬應(yīng)用于火炬和泄壓分析的一些方法。

6.1 單塔泄放量

如果動(dòng)態(tài)模擬用于確定單塔安全閥的尺寸，則應(yīng)按照本文前面討論的方法進(jìn)行分析。為了確定所需的安全閥孔口面積，模型應(yīng)使用調(diào)節(jié)式安全閥來(lái)確定恒定塔壓下的泄放量峰值。如果采用突開(kāi)式安全閥，模擬結(jié)果只會(huì)指出安全閥的容量，而不會(huì)指出工藝的泄放需求?？梢詸z查安全閥設(shè)計(jì)，以確定使用所選的突開(kāi)式安全閥不會(huì)超過(guò)最大超壓。

6.2 多塔同時(shí)泄放

火炬系統(tǒng)分析評(píng)估了常見(jiàn)公用設(shè)施故障情況下的多塔泄放，如冷卻水或電力故障。定義泄放情況的假設(shè)，包括自動(dòng)控制的運(yùn)行和泵汽輪機(jī)的自動(dòng)啟動(dòng)，無(wú)論使用傳統(tǒng)計(jì)算方法還是動(dòng)態(tài)計(jì)算方法，該假設(shè)都是相同的。同時(shí)泄放是將動(dòng)態(tài)模擬的泄放量峰值與其他來(lái)源的泄放量相加的一種直接方法。在某些情況下，塔排放至火炬的泄放量峰值可能來(lái)自自動(dòng)調(diào)節(jié)閥，而不是安全閥。由于只將泄放量峰值相加，而不考慮泄放的時(shí)間，因此得出的火炬系統(tǒng)的總負(fù)荷是保守的。由于采用傳統(tǒng)方法的火炬系統(tǒng)分析使用的是計(jì)算出的塔泄放量，而不是基于閥容量的流量，因此應(yīng)該通過(guò)調(diào)節(jié)式安全閥對(duì)塔進(jìn)行模擬。對(duì)現(xiàn)有工廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，一種實(shí)用的方法是首先對(duì)泄放量降低潛力最大的塔進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，將其泄放量峰值與傳統(tǒng)方法計(jì)算的其他來(lái)源的泄放量相加，然后重新評(píng)估火炬系統(tǒng)。如果泄放量降低不充分，將動(dòng)態(tài)模擬擴(kuò)展到下一個(gè)泄放量降低潛力最大的塔，直到所需的火炬系統(tǒng)改造被消除或最小化。

6.3 與時(shí)間相關(guān)的多塔泄放

另一種對(duì)公用設(shè)施故障情況進(jìn)行全面火炬系統(tǒng)分析的方法是考慮塔不會(huì)同時(shí)泄放。添加從動(dòng)態(tài)模擬中得到的與時(shí)間相關(guān)的塔泄放曲線(xiàn)可以提供一個(gè)更真實(shí)的峰值，這比假設(shè)所有峰值同時(shí)出現(xiàn)要低得多。但是，對(duì)單個(gè)塔的分析變得更加復(fù)雜。對(duì)于單塔法和多塔同時(shí)泄放法，只需在泄放量大小上做出保守假設(shè)。對(duì)于與時(shí)間相關(guān)的泄放法，還必須考慮影響泄放時(shí)間的因素。

例如，催化裂化裝置主分餾塔泄放的單塔模擬假設(shè)，由于自動(dòng)控制動(dòng)作，塔頂餾出物回收罐的安全閥不會(huì)打開(kāi)。然而，安全閥可能會(huì)打開(kāi)，這將加快達(dá)到泄放量峰值的時(shí)間。如果采用與時(shí)間相關(guān)的泄放法，則必須進(jìn)行敏感性分析，以評(píng)估一些因素(如容量過(guò)剩的突開(kāi)式調(diào)節(jié)閥、自動(dòng)控制的動(dòng)作、控制器調(diào)整、與其他塔的熱集成以及操作者的干預(yù))的影響。

7 結(jié)語(yǔ)

煉油廠(chǎng)和石化裝置的火炬系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常由塔的泄放量決定。計(jì)算塔泄放量負(fù)荷的傳統(tǒng)方法較為保守，可能造成泄放和火炬系統(tǒng)的過(guò)度設(shè)計(jì)。動(dòng)態(tài)模擬可以降低塔的計(jì)算泄放量，為泄放量的計(jì)算提供了一個(gè)新方法。