基于Aspen Plus的常壓塔流程模擬與故障診斷

，， ，，

(中海油煉油化工科學(xué)研究院，山東 青島 266500)

常減壓蒸餾是原油加工的第一道工序，其原油處理能力、產(chǎn)品質(zhì)量和操作狀況對下游裝置的生產(chǎn)及石化企業(yè)的總體經(jīng)濟(jì)效益有直接影響[1-3]。Aspen Plus工藝流程模擬軟件用于常壓蒸餾裝置工藝模擬計(jì)算，計(jì)算結(jié)果比較符合生產(chǎn)實(shí)際，可以通過模擬實(shí)際生產(chǎn)過程，對實(shí)際操作中存在的故障進(jìn)行診斷[4-5]。

1 工藝流程及工藝參數(shù)

某公司3 Mt/a常減壓蒸餾裝置，以加工海洋原油為主，在運(yùn)行期間存在常壓塔壓力降增加問題。常壓蒸餾裝置工藝流程示意見圖1。裝置主要產(chǎn)品：常頂油氣、常一線、常二線、常三線以及常底油，采用常一中和常二中兩端回流控制側(cè)線溫度。常壓塔精餾段設(shè)置54層塔盤，提餾段設(shè)置6層塔盤，常一汽提段設(shè)8層浮閥塔盤，常二、常三汽提段各設(shè)6層浮閥塔盤。

圖1 常壓蒸餾裝置工藝流程示意

為診斷常壓塔壓力降增加問題，采用Aspen Plus軟件對常壓塔進(jìn)行物料平衡計(jì)算和常壓塔負(fù)荷計(jì)算，并根據(jù)常壓塔現(xiàn)有設(shè)備尺寸參數(shù)及塔盤開孔率進(jìn)行了塔板水力學(xué)計(jì)算。為保證軟件模擬準(zhǔn)確度，采集了3種不同工況下的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，分別為正常工況加工綏中原油(工況A)、非正常工況加工綏中原油(工況B)、非正常工況加工綏中和錦州原油(工況C)。其中工況A、工況B和工況C的常壓塔頂和進(jìn)料段壓力降分別為22.3 kPa，38 kPa及46 kPa。

根據(jù)DCS(分布式控制系統(tǒng))監(jiān)測數(shù)據(jù)、生產(chǎn)日報(bào)表和內(nèi)操記錄表數(shù)據(jù)，采集常壓塔3種不同工況下的物料平衡和工藝操作數(shù)據(jù)。常壓塔物料平衡計(jì)算見表1，主要工藝操作數(shù)據(jù)見表2。

表1 3種工況下常壓塔物料平衡

表2 主要工藝操作數(shù)據(jù)

續(xù)表2

2 常壓塔流程模擬

物性方法的選擇是流程模擬計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確程度的關(guān)鍵，模擬原油蒸餾過程，BK10法能得到很好的模擬結(jié)果，它比更復(fù)雜的CHAO-SEA和GRAYSON法計(jì)算速度快[6]。

Aspen Plus的單元模塊能夠模擬常壓裝置的物料和熱量平衡所需要的換熱器、泵及蒸餾塔等單元設(shè)備，其中初餾塔和常壓塔是關(guān)鍵設(shè)備。Aspen Plus為蒸餾塔提供了多種模型，該文專為煉油系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇了Petro Frac模型，該模型由一個(gè)主塔連帶一定數(shù)目的中段回流和側(cè)線汽提塔共同組成，主塔可有多種進(jìn)料[7]。

常壓塔實(shí)際塔板數(shù)為60，采用的塔板效率為42%，常壓塔頂冷凝器處為第一塊理論板，故理論板總數(shù)為26。常一線汽提塔理論板數(shù)為3，常二線汽提塔和常三線汽提塔均為2。汽提蒸汽溫度400 ℃，壓力0.35 MPa。

通過流程模擬計(jì)算，得到3種不同工況下常壓塔的計(jì)算結(jié)果，模擬的計(jì)算結(jié)果包括各產(chǎn)品的溫度、流量及壓力等。

不同工況下常壓塔各產(chǎn)品的溫度、壓力和流量等模擬結(jié)果與采集值比較見表3。將常壓塔各產(chǎn)品溫度、壓力和流量的模擬值與采集值進(jìn)行對比，誤差均較小，各產(chǎn)品的溫度、流量均取得與采集值較為一致的結(jié)果，可真實(shí)反映常壓塔的運(yùn)行情況，模擬可信度較高。

表3 不同工況下常壓塔主要模擬結(jié)果

續(xù)表3

3 常壓塔氣液相負(fù)荷

3種工況下常壓塔負(fù)荷性能見圖2至圖4。由常壓塔氣液相負(fù)荷計(jì)算結(jié)果可知，第14塊板上液相負(fù)荷最大，26塊板下氣相負(fù)荷最大。

圖2 工況A常壓塔負(fù)荷性能

圖3 工況B常壓塔負(fù)荷性能

圖4 工況C常壓塔負(fù)荷性能

4 塔板水力學(xué)核算

根據(jù)常壓塔塔板的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用軟件對3種不同工況下的塔板進(jìn)行水力學(xué)核算。工況A、工況B和工況C常壓塔典型塔板水力學(xué)核算結(jié)果見表4至表6。

工況A塔板的溢流強(qiáng)度較大，霧沫夾帶量均小于0.15，閥孔動(dòng)能因子在合理范圍內(nèi)，降液管停留時(shí)間均大于5 s，降液管清液層高度小于塔板間距的一半，塔板均處于良好操作狀態(tài)。

在工況B條件下，1到26塊塔板之間的溢流強(qiáng)度大，閥孔動(dòng)能因子大于12，降液管清液層高度、降液管底隙流速和塔板壓力降均較大，說明在該段液相負(fù)荷最大。該段的塔板壓力降較工況A的塔板壓力降增加了43.6%，而原油量僅增加了0.35%，同時(shí)降液管停留時(shí)間減少，降液管液泛率增加，可能該段的一些塔板發(fā)生堵塞，導(dǎo)致塔板壓力降增加。

在工況C條件下，1塊到26塊塔板之間的溢流強(qiáng)度大，降液管清液層高度、降液管底隙流速和塔板壓力降均較大，說明在該段液相負(fù)荷最大。工況C原油處理量相較于工況A減少了3.32%，而計(jì)算的壓力降大于工況A，可能該段的一些塔板發(fā)生堵塞，導(dǎo)致塔板壓力降增加。

表4 工況A典型塔板水力學(xué)核算結(jié)果

表5 工況B典型塔板水力學(xué)核算結(jié)果

表6 工況C典型塔板水力學(xué)核算結(jié)果

5 塔板實(shí)際開孔率

為了研究塔板的堵塞程度，根據(jù)塔板水力學(xué)數(shù)據(jù)和壓力降，通過人為減少堵塞段塔板的開孔率，使其常頂至進(jìn)料段壓力降與實(shí)際采集值相符。由于計(jì)算獲得的塔板壓力降增加的塔板跨度大，不能一一調(diào)整開孔率，故選取塔板壓力降增加最為明顯的塔板進(jìn)行計(jì)算，即1塊至16塊塔板。

通過分別調(diào)整工況B和工況C 的1塊至16塊塔板開孔率，使其常頂至進(jìn)料段壓力降與實(shí)際采集值相符，該段塔板水力學(xué)計(jì)算結(jié)果見表7及表8。

表7 工況B 1塊至16塊塔板水力學(xué)計(jì)算結(jié)果

在工況B下，當(dāng)常頂至進(jìn)料段壓力降調(diào)整為37.988 kPa，與采集值38 kPa接近時(shí)，1塊至16塊塔板開孔率由13.09%降至11%，開孔率小于設(shè)計(jì)值，同時(shí)閥孔動(dòng)能因子均在14以上，降液管清液高度明顯增加，可能是塔盤阻塞引起的。

表8 工況C 1塊至16塊塔板水力學(xué)計(jì)算結(jié)果

在工況C下，當(dāng)常頂至進(jìn)料段壓力降調(diào)整為45.934 kPa，與采集值46 kPa接近時(shí)，1塊至16塊塔板開孔率由13.09%降至5.5%，開孔率小于設(shè)計(jì)值，同時(shí)閥孔動(dòng)能因子均在21以上，降液管清液高度大于板間距的一半，降液管液泛率大于85%，可能是塔盤阻塞引起的。

塔板結(jié)垢堵塞后會(huì)導(dǎo)致塔板實(shí)際開孔率降低，浮閥不能開啟，塔板上液相負(fù)荷增加，氣液兩相不能充分接觸，油品氣液兩相傳質(zhì)和傳熱作用變差，塔頂溫度和側(cè)線餾出溫度會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)。

6 現(xiàn)場調(diào)查情況

檢修期間經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，常壓塔塔頂?shù)?個(gè)人孔到第3個(gè)人孔塔盤均有不同程度的結(jié)垢物。第2人孔以下處塔盤、浮閥有大量結(jié)垢沉積物，幾乎堵塞整塊塔盤，造成常壓負(fù)荷較大時(shí)，出現(xiàn)精餾效果變差現(xiàn)象。尤其是第2人孔下數(shù)二至五層塔盤(第10層到第13層)充滿了黑色與黃白色相間的致密垢物，塔盤浮閥基本堵滿，浮閥無法正?；貜?。塔盤堵塞情況見圖6。

圖6 第11層塔盤堵塞情況

7 結(jié) 論

根據(jù)工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備參數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)，分別在3種工況下，建立常減壓蒸餾裝置中的常壓塔模型，并對其負(fù)荷和塔板水力學(xué)進(jìn)行了模擬計(jì)算，得到以下結(jié)論：

(1)由常壓塔氣液相負(fù)荷計(jì)算結(jié)果可知，3種工況下的常壓塔均為第14塊板上液相負(fù)荷最大，第26塊板下氣相負(fù)荷最大。

(2)根據(jù)常壓塔塔板水力學(xué)計(jì)算可知，根據(jù)目前塔板結(jié)構(gòu)參數(shù)，工況A塔板的溢流強(qiáng)度較大，霧沫夾帶量均小于0.15，閥孔動(dòng)能因子在合理范圍內(nèi)，降液管停留時(shí)間均大于5 s，降液管清液層高度小于塔板間距的一半，塔板均處于良好的操作狀態(tài)。工況B和工況C的1塊至26塊塔板之間的溢流強(qiáng)度大，降液管清液層高度、降液管底隙流速和塔板壓力降均較大，說明在該段液相負(fù)荷最大。

(3)工況B和工況C的1塊至16塊塔板的實(shí)際開孔率分別為11%和5.5%，該段發(fā)生堵塞，塔板上液相負(fù)荷增加，塔的分餾效果變差，各側(cè)線產(chǎn)品質(zhì)量密度變大，餾程重疊嚴(yán)重，導(dǎo)致產(chǎn)品不合格。

(4)軟件模擬情況與現(xiàn)場調(diào)查情況相符，利用軟件對常壓塔進(jìn)行模擬準(zhǔn)確度高，可以對實(shí)際操作中可能存在的故障進(jìn)行診斷。