動(dòng)態(tài)模擬在氧氣安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

彭鳳玲，瞿海根

(連云港沃利帕森工程技術(shù)有限公司上海分公司　上海　200001)

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動(dòng)態(tài)模擬在氧氣安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

彭鳳玲，瞿海根

(連云港沃利帕森工程技術(shù)有限公司上海分公司上海200001)

通過模型的建立及參數(shù)設(shè)置，采用DYNSIM軟件對(duì)水煤漿氣化技術(shù)生產(chǎn)合成氣的氧氣管路進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。模擬分析結(jié)果表明，在氧氣總管閥門出現(xiàn)故障后，啟用氧氣安全系統(tǒng)可使裝置持續(xù)運(yùn)行約85 s，設(shè)計(jì)中可以考慮在此段時(shí)間內(nèi)積極采取其他相應(yīng)措施以維持系統(tǒng)安全生產(chǎn)。

動(dòng)態(tài)模擬氧氣安全系統(tǒng)應(yīng)用

采用水煤漿氣化技術(shù)生產(chǎn)合成氣的過程中，氧氣與水煤漿須按一定比例送入氣化爐。某項(xiàng)目采用GE水煤漿氣化技術(shù)生產(chǎn)合成氣，共配置3臺(tái)氣化爐(2開1備),來自空分主裝置冷箱的氧氣(99.6%，體積分?jǐn)?shù)，下同)分2路進(jìn)入氣化爐。由于氧氣的供應(yīng)狀況對(duì)合成氣生產(chǎn)異常重要，因此特別設(shè)計(jì)了1個(gè)氧氣安全系統(tǒng)和1個(gè)后備系統(tǒng)，當(dāng)氧氣安全系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí)立即投用后備系統(tǒng)，盡可能減少損失。所設(shè)計(jì)的后備系統(tǒng)能否滿足工藝要求，方法之一是建立生產(chǎn)過程物理模型，通過物理模型模擬分析過程行為，但此方法耗資、耗時(shí)，實(shí)施起來比較困難。另一個(gè)方法是動(dòng)態(tài)模擬，在模擬過程中體現(xiàn)系統(tǒng)各參量值，通過人為改變參數(shù)，逼真地再現(xiàn)系統(tǒng)的變化歷程[1]。本文采用SIMSCI公司的DYNSIM軟件，通過動(dòng)態(tài)模擬分析氧氣總管閥門出現(xiàn)故障(本模

型特指氧氣總管閥門XV1故障)而啟用氧氣安全系統(tǒng)后各工藝參量的變化情況，使設(shè)計(jì)者全面、細(xì)致、切合實(shí)際地了解流程中各參數(shù)的變化規(guī)律，更好地完成設(shè)計(jì)工作。

1　模型的建立及參數(shù)設(shè)置

空分裝置送往氣化裝置的氧氣安全系統(tǒng)工藝流程見圖1。系統(tǒng)中的介質(zhì)為氧氣，其中O2占99.6%，Ar占0.4%。熱力學(xué)方法采用SRK方程，主要設(shè)備和管件參數(shù)見表1，主要控制器參數(shù)見表2。

2　增加擾動(dòng)，分析各參量的變化

本文主要考察當(dāng)氧氣總管閥門XV1出現(xiàn)故障時(shí)，氧氣安全系統(tǒng)中的氧氣罐(V1)的緩沖能力。根據(jù)工藝要求，PIPE2和PIPE3的流量設(shè)定值為19 795 m3/h(標(biāo)態(tài))，且生產(chǎn)過程中不能低于該值的50%。當(dāng)XV1出現(xiàn)故障時(shí)，假設(shè)PIPE2和PIPE3的流量不變，當(dāng)V1壓力由16.0 MPa下降至8.5 MPa時(shí)所經(jīng)歷的時(shí)間用SRK方程來計(jì)算，其形式為：

圖1　空分裝置送往氣化裝置的氧氣安全系統(tǒng)工藝流程

表1主要設(shè)備和管件參數(shù)

設(shè)備/管件名稱參數(shù)SRC1冷箱8.75MPa,37.5℃,相對(duì)標(biāo)高0.0mSRC2液氧儲(chǔ)罐16.0MPa,15.0℃,相對(duì)標(biāo)高0.0mSNK2氣化爐6.5MPa,相對(duì)標(biāo)高46.3mSNK3氣化爐6.5MPa,相對(duì)標(biāo)高46.3mXV1閥門1Cv100,Timetoopen&close=30sXV5閥門5Cv500,Timetoopen&close=30sXV6閥門6Cv74,Timetoopen&close=20sPIP1管道1內(nèi)徑243mm,長(zhǎng)度200mPIP2管道2內(nèi)徑193mm,長(zhǎng)度10mPIP3管道3內(nèi)徑193mm,長(zhǎng)度10mPIP4管道4內(nèi)徑193mm,長(zhǎng)度70mH1HEADER1體積1m3,相對(duì)標(biāo)高39.8mH2HEADER2體積1m3,相對(duì)標(biāo)高5.0mV1氧氣罐立式,橢圓封頭,Φ1.40m×5.95m,15℃,初始化SRC2

表2主要控制器參數(shù)

項(xiàng) 目參數(shù)閥門PV1Cv820,EqualPercent,Timetoopen&close=30sPV2Cv45,EqualPercent,Timetoopen&close=30sFV1Cv113,EqualPercent,Timetoopen&close=30sFV2Cv113,EqualPercent,Timetoopen&close=30s控制器PC1Action=SP-PV,SetPoint:8.5MPaPC2Action=SP-PV,SetPoint:8.5MPaFC1Action=PV-SP,SetPoint:19795m3/h(標(biāo)態(tài))FC2Action=PV-SP,SetPoint:19795m3/h(標(biāo)態(tài))

對(duì)于物質(zhì)i,則有：

mi=0.480+1.574ω-0.176ω2

式中：Tc——物質(zhì)的臨界溫度；

Pc——物質(zhì)的臨界壓力；

Tr——對(duì)比溫度；

ω——偏心因子[2]。

經(jīng)查，O2的Tc，Pc和ω分別為154.6 K，5.05 MPa和0.021，Ar的Tc，Pc和ω分別為150.8 K，4.87 MPa和0.000。通過SRK方程可以得到對(duì)應(yīng)壓力下的物質(zhì)的量體積，由氧氣罐的體積V1計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的物質(zhì)的量，再由下式計(jì)算時(shí)間：

n1-n2=FΔT

式中：n1，n2——分別為氧氣罐內(nèi)起始和終止?fàn)顟B(tài)下物質(zhì)的量；

F——氧氣總管流量。

若F=39 590 m3/h(標(biāo)態(tài))不變，計(jì)算得ΔT1為73 s；若F=19 795 m3/h(標(biāo)態(tài))不變，則計(jì)算得ΔT2為146 s。按此計(jì)算，氧氣罐的緩沖時(shí)間應(yīng)在73～146 s。事實(shí)上，氧氣總管流量是在不斷變化的，那么緩沖時(shí)間究竟為多少，此過程中系統(tǒng)各參數(shù)的變化趨勢(shì)如何，就需要借助動(dòng)態(tài)模擬再現(xiàn)系統(tǒng)中各參數(shù)的變化。

模型建立之后，首先將XV6關(guān)閉，待系統(tǒng)運(yùn)行至穩(wěn)態(tài)時(shí)，記錄一個(gè)穩(wěn)態(tài)點(diǎn)。人為設(shè)置XV1故障，同時(shí)打開XV6，氧氣總管流量變化見圖2(圖2中每格為20 s，下同)，氧氣總管和支管流量變化見圖3，氧氣總管壓力和氧氣罐壓力變化見圖4，PV2開度變化趨勢(shì)見圖5。

圖2　氧氣總管流量變化

圖3　氧氣總管和支管流量變化

圖4　氧氣總管壓力和氧氣罐壓力變化

圖5　PV2開度變化趨勢(shì)

由圖2可看出：在XV1出現(xiàn)故障之后，打開XV6，氧氣總管的流量急劇下跌；而啟用氧氣安全系統(tǒng)的氧氣總管流量可以維持一段時(shí)間，之后才逐漸下降。

由圖3可看出：采用氧氣安全系統(tǒng)之后，氧氣總管和支管的流量變化趨勢(shì)相同，總管流量為支管流量的2倍，且2條支管流量相同，曲線重合；經(jīng)過約85 s，系統(tǒng)中流量降至正常值的50%。

由圖4可看出：采用氧氣安全系統(tǒng)后，氧氣罐壓力隨流量減小而逐漸降低；氧氣總管壓力則先略微上升，約20 s后又逐漸下降，這是因?yàn)檠鯕夤薜钠鹗級(jí)毫?6.0 MPa，遠(yuǎn)大于氣化爐工藝燒嘴的壓力。

從圖5可看出：?jiǎn)⒂醚鯕獍踩到y(tǒng)后，PV2的

開度先略微降低；之后隨著氧氣罐壓力逐漸降低，氧氣總管壓力逐漸下降，而PV2的開度逐漸增大，直至最后完全打開。

3　結(jié)語

通過動(dòng)態(tài)模擬，對(duì)系統(tǒng)中各工藝變量的變化趨勢(shì)有了一個(gè)很直觀的了解。經(jīng)分析，在氧氣總管閥門出現(xiàn)故障后，采用氧氣安全系統(tǒng)可以使系統(tǒng)維持約85 s，在此段時(shí)間內(nèi)，完全可以啟動(dòng)后備系統(tǒng)使裝置盡快恢復(fù)正常運(yùn)行(后備系統(tǒng)中泵的開啟時(shí)間約為70 s)，以減少不必要的損失。

本文用DYNSIM軟件模擬了一個(gè)小的工藝過程，該軟件也可以用于模擬化工裝置的開、停車過程，在此過程中不僅有大量的設(shè)備需要投用或停止運(yùn)轉(zhuǎn)，而且有大量的物料需要處理，因此，開、停車過程在整個(gè)化工生產(chǎn)中占有極其重要的地位。采用動(dòng)態(tài)模擬可系統(tǒng)地研究開、停車過程，通過人為設(shè)定一些故障，分析開、停車過程中可能出現(xiàn)的各種影響因素，提前做好必要的應(yīng)對(duì)措施[3]。此外，采用動(dòng)態(tài)模擬還可方便地尋求技術(shù)先進(jìn)可靠、操作優(yōu)化合理的工藝流程，也可用其對(duì)生產(chǎn)過程中的能量系統(tǒng)進(jìn)行耦合集成，這些對(duì)設(shè)計(jì)者和生產(chǎn)者都大有裨益。

[1]王健紅，陳曉春，魏杰，等.化工裝置動(dòng)態(tài)模擬與優(yōu)化工藝軟件平臺(tái)[J].化工進(jìn)展，1997(4)：49- 51.

[2]朱自強(qiáng)，徐汛.化工熱力學(xué)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1991.

[3]陳曉春，馬桂榮.動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)與化學(xué)工程[J].現(xiàn)代化工，2002(3)：14- 17.

Use of Dynamic Simulation in Oxygen Safety System Design

PENG Fengling, QU Haigen

(Worley Parsons Lianyungang Engineering Technology Co., Ltd. Shanghai BranchShanghai200001)

Through model establishment and parameters setting, the dynamic simulation of oxygen pipeline for syngas production with coal water slurry gasification technology is carried out using DYNSIM software. Simulation analysis results show that in case of failure of oxygen pipe main valve, enabling oxygen safety system will keep the unit continue to run for about 85 s, in design, it can be considered that some other relevant measures will be taken actively during the period of time to maintain safe production of the system.

dynamic simulationoxygensafety systemuse

彭鳳玲(1980—)，女，工程師，碩士，主要從事化工工藝設(shè)計(jì)工作；pengfengling@163.com。

TQ546.8

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2015- 05- 10)