動態(tài)模擬在塔泄放量計算中的應(yīng)用

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)塔壓超過設(shè)計壓力時，這些泄放裝置就會開啟并泄壓。來自塔和其他設(shè)備的泄放氣收集在一個集合管中，并輸送至火炬進行燃燒。

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)運行時，塔的冷卻中斷。電力故障導(dǎo)致回流冷卻和側(cè)線冷卻的泵及空冷器的風(fēng)扇停止運行。由于冷卻器停止運行，導(dǎo)致冷卻水無法帶走熱量，而再沸器持續(xù)運行，冷卻水故障可能造成泄放。

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

2 動態(tài)模擬與傳統(tǒng)方法的對比

傳統(tǒng)方法是用靜態(tài)方法來解決暫態(tài)問題，因此其塔泄放量計算結(jié)果是保守的。通過結(jié)合以下關(guān)鍵部分，動態(tài)模擬可以進行傳統(tǒng)方法無法分析的塔動作的模擬。

2.1 機械設(shè)計改進

傳統(tǒng)計算不包括塔板、再沸器、塔底槽或塔頂系統(tǒng)的機械設(shè)計。動態(tài)模擬通過包括影響質(zhì)量和能量積累和傳遞的機械設(shè)計特征來確定塔的泄放量。

2.2 流體組成優(yōu)化

傳統(tǒng)的泄放量計算通?；诤喕馁|(zhì)量和能量平衡。動態(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)隨時間變化的質(zhì)量和能量存量。傳統(tǒng)計算方法往往過高預(yù)測寬餾程進料的塔泄放量。動態(tài)模擬降低了塔的計算泄放量，因為它考慮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)計算不包括外圍設(shè)備對分餾塔泄放量的影響。動態(tài)模擬可以將上游設(shè)備的狀況考慮在內(nèi)，如反應(yīng)器或進料/塔底換熱器，以確定隨時間變化的進料速率和進料溫度。動態(tài)模擬還可以對與所分析的塔熱集成在一起的其他塔和設(shè)備進行建模。

通過結(jié)合這三個部分，動態(tài)模擬為傳統(tǒng)計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，動態(tài)模擬也通常比傳統(tǒng)方法計算的泄放量低得多。動態(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”，動態(tài)模擬用于火炬和泄放系統(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)謹(jǐn)慎應(yīng)用[1-3]。

3 塔泄放過程的動態(tài)模擬

3.1 減少進料和回流量

由于塔板上輕組分的存量有限，進料和回流均停

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

3.2 再沸器夾點

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

3.3 塔板排液

存在再沸器夾點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，泄放量可能會更低。使用保守的假設(shè)來模擬塔板排液可以實現(xiàn)泄放量的顯著降低。

3.4 塔底集液槽的設(shè)計

塔底集液槽的設(shè)計會影響再沸器的夾點，因為從塔板排出的輕質(zhì)物料會被現(xiàn)有的塔底集液槽的存液稀釋。帶有一次通過式再沸器的塔只有很少的初始存液和相對較高的泄放量。初始存液量大的塔會稀釋從塔板排出的物料，并具有更大的再沸器夾點和更低的泄放量。

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并降低泄放量。然而，對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提前打開，以增加塔板蒸汽流量，減少塔板排液，增加再沸器夾點，并降低泄放量。

3.6 氣化進料

對于無再沸器的塔，當(dāng)傳統(tǒng)計算的負(fù)荷高于氣化進料速率時，動態(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料速率，動態(tài)模擬可以提供一個更現(xiàn)實的解決方案，證明干燥塔需要多長的時間。最終，泄放量將升至氣化進料速率。

3.7 進料速度或進料溫度隨時間衰減

有汽化進料的分餾塔，如粗餾塔或延遲焦化分餾塔，如果進料速率或溫度的衰減可以被模擬，則計算出的泄放量可以大大減少。對于粗餾裝置，在停止對進料加熱器的加熱過程中，通過建立動態(tài)傳熱模型，可以確定進料溫度的衰減情況。對于延遲式焦炭分餾塔，建立了焦炭塔裂化過程的動力學(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流，來避免被蒸汽覆蓋。

3.9 操作員介入

動態(tài)模擬可以準(zhǔn)確預(yù)測安全閥起升前塔壓提升所需的時間，或充分泄放到最大流量所需的時間，以評估操作員干預(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，自動控制器可能采取動作，以減少泄放量。但是，API-521不允許對可能減少泄放量的自動控制動作進行評分?？刂葡到y(tǒng)運行可能會因斷電而中斷，控制器的調(diào)整可能與動態(tài)模擬中假設(shè)的不同，或者在泄放事件發(fā)生時，操作員可能有一個手動控制器。應(yīng)該假定控制閥鎖定在最后的位置。然而，當(dāng)自動控制動作用于增加泄放量時，它們必須包含在動態(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，通常需要對自動控制進行模擬。此外，未來在控制、設(shè)計或操作上的改變可能需要在新工況下重新進行塔的模擬。由于沒有原始模擬數(shù)據(jù)，重新對塔進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

添加由動態(tài)模擬確定的隨時間變化的塔泄放曲線可以得出更真實的泄放量峰值，這比每個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態(tài)模擬可能不適用于總火炬系統(tǒng)分析。對于泄放量的假設(shè)是保守的，則對于泄放時間的假設(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)。這可能會影響火炬系統(tǒng)的尺寸，但在確定泄壓閥尺寸時不會考慮。

5 動態(tài)模擬模型的保守假設(shè)

采用動態(tài)模擬對塔泄壓系統(tǒng)進行設(shè)計時，必須保證模型與設(shè)計目標(biāo)相適應(yīng)。在穩(wěn)態(tài)條件下，動態(tài)模型必須與穩(wěn)態(tài)模型嚴(yán)格匹配。在瞬態(tài)條件下，塔動態(tài)模型應(yīng)與實際工廠瞬態(tài)數(shù)據(jù)(如果有)進行比較。當(dāng)物理現(xiàn)象不能很好地理解時，動態(tài)模擬模型必須包括保守假設(shè)。這些假設(shè)必須通過敏感性分析來檢查，以評估對塔泄放量的影響。例如，可能需要多次模擬運行來確定不同泡沫相關(guān)性對塔板持液率和產(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，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)模型中的每個塔板都有根據(jù)實際塔板與理論塔板的比率校正的實際質(zhì)量和能量存量。泡沫相關(guān)性和降液管液柱高度可計算出塔板液體存量。此外，可能需要在蒸氣速率降低時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，因為某些閥門會損壞或腐蝕，并且可能無法正確復(fù)位。一個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)的泄放量是評估火炬系統(tǒng)的重要參數(shù)。突開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超過最大允許的累積量。

(4)空冷器可以使用傳熱面積來建模，也可以使用經(jīng)驗法則，例如根據(jù)公司的設(shè)計實踐，將自然對流的負(fù)荷設(shè)置為正常負(fù)荷的固定百分比。為了進行更詳細(xì)的分析，自然對流傳熱系數(shù)可以通過換熱器核算程序來確定。這些傳熱系數(shù)可以與動態(tài)過程變量相關(guān)聯(lián)，以開發(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)動力進行建模。熱驅(qū)動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 液位還是高液位開始。

(8)當(dāng)電機驅(qū)動泵由于停電而跳閘時，進出塔的流量通常保持恒定或設(shè)為零。因此，通常無需對泵進行詳細(xì)的建模。此外，可能沒有必要對塔控制系統(tǒng)進行建模，因為假設(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，則必須對其進行建模。

6 火炬系統(tǒng)分析方法

動態(tài)模擬可以確定單塔以及涉及多塔的整個火炬系統(tǒng)的泄放量。采用動態(tài)模擬進行的塔泄放量的計算必須遵循API RP 521和運營公司設(shè)計規(guī)范制定的相同規(guī)則，以便使用傳統(tǒng)計算方法進行泄放量計算。以下介紹了將動態(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)式安全閥來確定恒定塔壓下的泄放量峰值。如果采用突開式安全閥，模擬結(jié)果只會指出安全閥的容量，而不會指出工藝的泄放需求。可以檢查安全閥設(shè)計，以確定使用所選的突開式安全閥不會超過最大超壓。

6.2 多塔同時泄放

火炬系統(tǒng)分析評估了常見公用設(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)，包括自動控制的運行和泵汽輪機的自動啟動，無論使用傳統(tǒng)計算方法還是動態(tài)計算方法，該假設(shè)都是相同的。同時泄放是將動態(tài)模擬的泄放量峰值與其他來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自自動調(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)該通過調(diào)節(jié)式安全閥對塔進行模擬。對現(xiàn)有工廠來說，一種實用的方法是首先對泄放量降低潛力最大的塔進行動態(tài)模擬，將其泄放量峰值與傳統(tǒng)方法計算的其他來源的泄放量相加，然后重新評估火炬系統(tǒng)。如果泄放量降低不充分，將動態(tài)模擬擴展到下一個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 與時間相關(guān)的多塔泄放

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

例如，催化裂化裝置主分餾塔泄放的單塔模擬假設(shè)，由于自動控制動作，塔頂餾出物回收罐的安全閥不會打開。然而，安全閥可能會打開，這將加快達(dá)到泄放量峰值的時間。如果采用與時間相關(guān)的泄放法，則必須進行敏感性分析，以評估一些因素(如容量過剩的突開式調(diào)節(jié)閥、自動控制的動作、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

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