芳烴裝置泄放優(yōu)化的數(shù)值模擬研究

韓小迪，趙延良，孫鵬鵬，耿書林

（1.東營聯(lián)合石化有限責(zé)任公司，山東 東營 257200；2.山東京博石油化工有限公司，山東 濱州 256600）

1 研究對象

模型研究對象設(shè)定為某煉廠的高架火炬，其配置高壓和低壓兩條火炬總管，低壓火炬設(shè)計(jì)背壓為0.05 MPa(G)，高壓火炬設(shè)計(jì)背壓為0.15 MPa(G)，本文采用某專利商提供的火炬泄放數(shù)據(jù)，通過靜、動(dòng)態(tài)模擬消減火炬泄放量。

2 模擬條件

2.1 泄放量疊加原則

1）在全廠性事故工況（本項(xiàng)目中是指全廠停電、全廠停水工況）下，一個(gè)裝置的總泄放量等于各個(gè)泄放源最大泄放量的直接累加。

2）在全廠性事故工況（本項(xiàng)目中是指全廠停電和全廠停水工況）下，全廠總泄放量等于各裝置最大泄放量的直接累加。。

2.2 全局性通用假設(shè)條件

本文對芳烴裝置分析適用的全局性的假設(shè)條件，這些假設(shè)條件將成為本項(xiàng)目分析的基礎(chǔ)。具體如下：

1）全廠停電時(shí)循環(huán)水全部中斷，其余均假設(shè)蒸汽供應(yīng)正常。

2）熱媒水、鍋爐給水全部由電動(dòng)泵送。

3）儀表風(fēng)考慮有超過30 min 的緩沖時(shí)間（不考慮全廠斷儀表風(fēng)工況）。

4）各級(jí)別蒸汽溫度均取最高操作溫度。

5）動(dòng)態(tài)分析時(shí)，除非特別說明氣液分離罐和閃蒸罐的操作液位為50%。

6）空冷器停后考慮到自然對流，仍具有 20%冷負(fù)荷。

7）本模擬實(shí)驗(yàn)中，全部泄放量均按 100%設(shè)計(jì)負(fù)荷確定。

基于專利商提供的 PFD 及物流數(shù)據(jù)建立了對二甲苯裝置的穩(wěn)態(tài)模型，其中歧化、異構(gòu)化單元采用末期工況 EOR 數(shù)據(jù)。由于 PRO/II V9.4 在模擬芳烴抽提單元時(shí)，抽提精餾塔能很好模擬，但溶劑回收塔模擬有些誤差。故基于 VMGSim V9.5 軟件搭建了芳烴抽提單元的穩(wěn)態(tài)模擬模型，基于PRO/II 9.4 搭建了對二甲苯裝置的穩(wěn)態(tài)模型。本文僅列出泄放物料為氣相的工況，根據(jù)數(shù)值模擬得出（其中全廠停電、全廠停水工況涉及的被保護(hù)設(shè)備全部列出）。根據(jù)專利商提供的數(shù)據(jù)可知：

1）全廠停電工況下，對二甲苯裝置高壓火炬總泄放量為 1 000.6 t·h-1。

2）高壓火炬控制性工況為最大單事故工況，泄放量為 2 596.9 t·h-1。

3 靜態(tài)模擬

3.1 穩(wěn)態(tài)模擬

采用 PRO/II V9.4 建立了對二甲苯裝置的穩(wěn)態(tài)模型，采用VMGSim V9.5 建立了芳烴抽提單元的部分穩(wěn)態(tài)模型。穩(wěn)態(tài)模型是靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)建模和動(dòng)態(tài)分析的基礎(chǔ)。

3.2 靜態(tài)泄放分析目的

首先，核算專利商的泄放量，補(bǔ)充專利商缺失的泄放數(shù)據(jù)，是動(dòng)態(tài)泄放分析的基礎(chǔ)。

基于專利商提供的 PFD 及物流數(shù)據(jù)采用PRO/II V9.4 建立芳烴裝置靜態(tài)模擬，核算專利商的泄放量、補(bǔ)充專利商缺失的泄放數(shù)據(jù)。

通過對比靜態(tài)分析結(jié)果與專利商的原始數(shù)據(jù)可以得出：

1）高壓火炬全廠停電總泄放量、最大單事故泄放量靜態(tài)分析結(jié)果與專利商提供的數(shù)據(jù)基本一致。

2）根據(jù)靜態(tài)分析結(jié)果，重點(diǎn)對抽余液塔T-601（以下簡稱T601）進(jìn)行動(dòng)態(tài)泄放分析。抽余液塔T-601 的PFD 流程圖及靜態(tài)分析結(jié)果如圖1、表1所示。

圖1 抽余液塔 T-601 的PFD 流程圖

表1 靜態(tài)分析結(jié)果

4 動(dòng)態(tài)模擬

4.1 動(dòng)態(tài)泄放過程

1）基于P&ID 搭建嚴(yán)格的設(shè)備動(dòng)態(tài)基本模型，驗(yàn)證該模型是否合格的依據(jù)是模型運(yùn)行到穩(wěn)態(tài)時(shí)的物料和能量平衡數(shù)據(jù)與穩(wěn)態(tài)模型一致。

2）根據(jù)工況的假設(shè)條件，分析各事故工況下該設(shè)備的動(dòng)態(tài)行為，以安全閥起跳（或控制閥開啟）后的泄放曲線和最大泄放量作為火炬系統(tǒng)的結(jié)果。

3）每次分析均設(shè)定模型穩(wěn)定運(yùn)行 1 min 時(shí)發(fā)生事故，模型再運(yùn)行 30 min（緊急泄壓的模擬時(shí)間則根據(jù)泄壓要求而定）。

通過對專利商及靜態(tài)模擬篩選建立動(dòng)態(tài)模型時(shí)集成了相關(guān)聯(lián)的塔，并在工況分析中統(tǒng)一考慮。

4.2 動(dòng)態(tài)疊加分析原則

本文考慮將設(shè)備按工藝流程連接在一起同時(shí)運(yùn)行，分析發(fā)生全廠性事故時(shí)的泄放行為。選擇疊加分析的對象基本滿足如下條件：

1）在全廠停電工況下最大泄放量均大于50 t·h-1。

2）最大泄放量發(fā)生的時(shí)間不重疊。

3）有物料連接關(guān)系或有熱耦合關(guān)系。

4）PSV 排向同一條火炬。

通過對抽余液塔全廠停電、局部停電、回流中斷、回流泵停、側(cè)線泵停等工況進(jìn)行分析，因 T-601塔底重沸泵停引起重沸爐停，導(dǎo)致 T-601 及以T-601 塔頂氣相、側(cè)線抽出氣相為熱源的塔不發(fā)生泄放。因 T-601 局部停電引起的T-601 的泄放是低壓火炬最大單事故工況。對于其他消減措施包括變更設(shè)備驅(qū)動(dòng)方式、操作工人的干預(yù)、變更控制方案等，這些將高度依賴于工廠的實(shí)際情況。

4.2 動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果分析

1）將T-601 塔頂回流泵P-609 正常運(yùn)行泵改為透平驅(qū)動(dòng)，保留電機(jī)驅(qū)動(dòng)的備用泵。

2）考慮到透平驅(qū)動(dòng)泵檢修期間需投用備用泵，需將塔頂回流泵（P-609）、側(cè)線泵（P-605）、塔底重沸泵（P-608）電機(jī)接至同一母線，降低出現(xiàn)極端泄放工況的概率。

3）T-601 增設(shè)壓力高高聯(lián)鎖切斷塔底重沸爐F-601 燃料氣線的 HIPS，SIL 等級(jí)要求為3 級(jí)，不僅增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性，在正常情況下避免超壓事故時(shí)安全閥起跳，從而減少排放，利于生產(chǎn)安全和減少損失。

4）經(jīng)優(yōu)化分析，采取以上建議措施后控制性工況為最大單事故工況，泄放量為1 241.2 t·h-1，比原設(shè)計(jì)專利商數(shù)據(jù)減少52%。

5 結(jié) 論

通過本次靜、動(dòng)態(tài)模擬分析，運(yùn)用建模技術(shù)對于某煉廠高架火炬各工況進(jìn)行了數(shù)值模擬并進(jìn)行優(yōu)化消減分析，為后期火炬頭、火炬管徑的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)運(yùn)行、環(huán)?？刂铺峁┍憷?。該方法對于專利商提供的原始工藝包火炬量分析消減具有很好的指導(dǎo)意義，以期優(yōu)化火炬系統(tǒng)進(jìn)而降低項(xiàng)目投資和施工難度。