基于Unisim動(dòng)態(tài)模擬的高壓緩沖罐內(nèi)氣體狀態(tài)的分析

賴 寒

[林德工程(杭州)有限公司，浙江 杭州 蓮花街333號(hào) 蓮花商務(wù)中心 北樓 310012]

0 引 言

近幾年來，隨著煤化工、煉化一體化項(xiàng)目的大力推進(jìn)，與之配套的空分規(guī)模越來越大，呈現(xiàn)出單套空分裝置能力趨于8萬(wàn)、10萬(wàn)甚至更大等級(jí)、多系列的特點(diǎn)?？辗盅b置作為全廠的供輔單元，其重要性不言而喻，不穩(wěn)定供氣的空分單元將造成全廠輕則減產(chǎn)，重者全廠停車，甚至造成安全事故。因此對(duì)于空分裝置的供氣可靠性提出了嚴(yán)苛要求。為了提高空分單元供氣的可靠性，一套完善的后備系統(tǒng)將是完美的解決辦法。

對(duì)于煤化工項(xiàng)目來說，其最重要的特點(diǎn)是要求穩(wěn)定運(yùn)行，牽一發(fā)而動(dòng)全身，即使在裝置跳車的情況下，也要求空分單元連續(xù)供氣，維持生產(chǎn)。空分裝置跳車，后備系統(tǒng)啟動(dòng)，中間一定會(huì)留下一定時(shí)間的真空期，出現(xiàn)沒有氣體供入管道而下游持續(xù)生產(chǎn)的情況，管網(wǎng)壓力瞬時(shí)降低。為了解決這一問題，現(xiàn)在大多數(shù)大型空分的后備系統(tǒng)均配置高壓緩沖罐，特別是高壓氧緩沖罐，在收到裝置停車信號(hào)和管網(wǎng)壓力降低的瞬間，即可打開閥門向管網(wǎng)補(bǔ)氣，有效的解決了管網(wǎng)壓力下降的問題，維持下游穩(wěn)定運(yùn)行，后備系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖1。

圖1 后備系統(tǒng)簡(jiǎn)圖

高壓緩沖罐的工作特點(diǎn)屬于養(yǎng)兵千日，用兵一時(shí)。平時(shí)處于備用狀態(tài)時(shí)，里面充滿高壓氣體進(jìn)行保壓，當(dāng)下游需要時(shí)則迅速釋放高壓氣體送入管網(wǎng)，維持管網(wǎng)壓力的穩(wěn)定，泄壓結(jié)束后需要再次對(duì)緩沖罐進(jìn)行補(bǔ)氣，維持備用能力。由熱力學(xué)狀態(tài)方程得知，氣體在壓縮、膨脹時(shí)均會(huì)產(chǎn)生溫度變化，或者在溫度變化時(shí)對(duì)壓力會(huì)有影響，不同的壓力、溫度對(duì)于緩沖罐的備用能力產(chǎn)生較明顯的變化。就此，筆者擬從充壓、泄壓、大氣環(huán)境三個(gè)因素對(duì)高壓緩沖罐內(nèi)氣體的溫度、壓力變化進(jìn)行研究，并且借助于Unisim的動(dòng)態(tài)模擬功能，以便能正確的描述紊態(tài)狀況下的氣體狀況。

1 緩沖罐泄壓過程

由于其具備穩(wěn)定管網(wǎng)壓力的特殊作用，要求高壓緩沖罐具備快速泄壓的能力，約30～60 s內(nèi)將罐內(nèi)壓力從超高壓降低至適合的管網(wǎng)工作壓力，例如從15 MPa(A)降至10 MPa(A)。由于時(shí)間非常短，罐內(nèi)氣體與緩沖罐的傳熱系數(shù)較低，所以在30～60 s內(nèi)的泄壓狀態(tài)下可近似認(rèn)為絕熱過程，絕熱過程中工質(zhì)與外界無(wú)熱量交換。罐內(nèi)氣體可用絕熱膨脹來描述，該狀態(tài)方程如公式(1)。

(1)

式中，T1，p1表示初始的溫度K和壓力MPa(A);T2，p2表示終態(tài)的溫度K和壓力MPa(A)；k表示氣體的絕熱指數(shù)。

以50 m3的高壓氧緩沖罐在不同地域的泄壓過程為例說明，見表1。

表1 高壓氧罐的泄壓過程

從表1可以看出，泄壓過程中罐內(nèi)氣體溫度迅速下降約30 K，表明在不同的地域、不同的環(huán)境溫度下，泄壓過程結(jié)束時(shí)氣體溫度略有不同，取決于環(huán)境溫度，終態(tài)時(shí)溫度可低至零下。由絕熱膨脹公式可知，越大的壓降將會(huì)導(dǎo)致更大的溫度降低。氣體的溫度降低，隨著時(shí)間的推移，必然導(dǎo)致緩沖罐本體溫度有所下降，在緩沖罐的設(shè)計(jì)選材上，還應(yīng)考慮緩沖罐的溫度，選擇合理的材料。

2 緩沖罐充壓過程

充壓不同于泄壓過程，條件允許的情況下可適當(dāng)降低充壓速度，沒有嚴(yán)格的時(shí)間要求。但是多長(zhǎng)時(shí)間充滿，取決于設(shè)計(jì)人員對(duì)于空分裝置可靠性的判斷，裝置先進(jìn)、可靠性高，則可以以最少的充壓設(shè)備投資，緩慢充壓。考慮到充壓時(shí)間較長(zhǎng)，長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)小時(shí)，這時(shí)考慮到實(shí)際情況，罐內(nèi)氣體和緩沖罐之間的傳熱以及同外界環(huán)境的換熱不可忽略，本文將采用Unisim的動(dòng)態(tài)模擬功能來加以描述。

1.表2為不考慮與外界環(huán)境的換熱，環(huán)境溫度T=293 K，依然考慮絕熱壓縮，則可以得出絕熱壓縮后終態(tài)氣體溫度達(dá)到328.8 K，溫升達(dá)到35.8 K。

表2 高壓氧罐的絕熱充壓過程

2.表3為環(huán)境溫度T=293 K，考慮環(huán)境換熱，采用動(dòng)態(tài)模擬得出的數(shù)據(jù)，終態(tài)時(shí)氣體溫升為28 K，小于絕熱壓縮的35.8 K，假定外表面換熱系數(shù)為10 W/(m2·℃)，則與環(huán)境的換熱量為13.5 kW。

表3 高壓氧罐的快速充壓過程

從圖2可以看出，在經(jīng)過約20 min即完成了對(duì)緩沖罐的充壓。

圖2 罐內(nèi)氧氣溫升

3.如果采用更加慢速的充壓，溫升會(huì)是多少呢。見表4，環(huán)境溫度T=293 K,考慮與環(huán)境換熱,實(shí)行緩慢充壓，約60 min充滿緩沖罐，終態(tài)時(shí)氣體溫度為311 K，溫升僅18 K。慢速充壓可減少壓縮熱量，降低罐內(nèi)的氣體溫度，還可以降低充壓設(shè)備的投資，經(jīng)濟(jì)性較高。

表4 高壓氧罐的慢速充壓過程

建議在實(shí)際中，可采用更慢的方式充壓，將充壓時(shí)間延長(zhǎng)至幾個(gè)小時(shí)，則氣體溫升可大大降低，經(jīng)濟(jì)性更高。

4.充壓結(jié)束后，緩沖罐處于備用狀態(tài)，由于緩沖罐與環(huán)境溫度存在著溫差，隨著與環(huán)境的換熱，罐內(nèi)氣體溫度下降，壓力降低，從圖3可以得出，約7～8 h后，換熱趨于平穩(wěn)，壓力穩(wěn)定在13.83 MPa(A)，降低了1.17 MPa(A)。為了保證緩沖罐的足夠的備用能力，還應(yīng)重新對(duì)緩沖罐進(jìn)行充壓，然后靜置，直至將緩沖罐壓力維持在設(shè)計(jì)狀態(tài)。

圖3 與環(huán)境換熱的罐內(nèi)氧氣溫度

3 大氣溫度的影響

從圖3觀察到，環(huán)境溫度的高低會(huì)影響罐內(nèi)氣體壓力的變化。如果高壓緩沖罐安裝在西北區(qū)域，具有春夏季早晚溫差大的特點(diǎn)，對(duì)于一個(gè)正常備用的緩沖罐，其內(nèi)部氣體壓力的影響，將借助于Unisim的動(dòng)態(tài)模擬進(jìn)行計(jì)算。

假設(shè)如下條件：夏季凌晨溫度為10℃，在正午12點(diǎn)溫度升高至35℃。

高壓緩沖罐設(shè)計(jì)的常規(guī)工作壓力為15 MPa(A)，機(jī)械設(shè)計(jì)壓力16.8 MPa(A)。從圖4看出，到正午12點(diǎn)時(shí)，由于環(huán)境溫度的升高，罐內(nèi)壓力可提升至16.8 MPa(A)，達(dá)到設(shè)計(jì)壓力值。如果某個(gè)地區(qū)早晚溫差更大，那么罐內(nèi)壓力肯定存在超過機(jī)械設(shè)計(jì)壓力的風(fēng)險(xiǎn)，那么在設(shè)計(jì)上可采取以下幾個(gè)防范措施。

圖4 高溫環(huán)境下的罐內(nèi)氧氣溫升

1.配置熱力安全閥；

2.早晚溫差大的地區(qū)將常規(guī)工作壓力維持在低于15 MPa(A)的水平。

4 總 結(jié)

通過前面的幾個(gè)因素分析，可知高壓緩沖罐在充壓、泄壓、備用時(shí)均存在壓力、溫度變化的情況，如果不采取合理的措施，可能會(huì)出現(xiàn)備用能力短缺、超過機(jī)械設(shè)計(jì)壓力等風(fēng)險(xiǎn)，在實(shí)際操作中，應(yīng)隨時(shí)關(guān)注以下工況。

1.充壓時(shí)，應(yīng)盡可能降低充罐速度，拉長(zhǎng)時(shí)間，減少壓縮熱，避免出現(xiàn)備用能力不足的問題；

2.泄壓時(shí)，由于近似于絕熱膨脹，罐內(nèi)氣體溫度降低明顯，在緩沖罐設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)加以考慮；

3.備用時(shí)，還應(yīng)隨時(shí)關(guān)注天氣溫度狀況，在早晚溫差大的地區(qū)，罐內(nèi)工作壓力宜維持在稍低的水平，避免超壓的風(fēng)險(xiǎn)；

本文結(jié)合Unisim的動(dòng)態(tài)模擬功能，針對(duì)高壓緩沖罐在實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的幾種工況作了研究。希望在緩沖罐設(shè)計(jì)時(shí)，能結(jié)合實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出完善的后備系統(tǒng)。